Простые полупроводники

Саратовский государственный технический

Университет 

Саратовский колледж информационных

Технологий  и управления 

Специальность: 1806 
 
 
 
 

Реферат

по электроматериаловедению 
 
 
 

Выполнил  студент группы 2ЭО1

Келе  А. И.

Проверил  преподаватель

Фролов  А. И

Саратов 2011 
 
 
 
 
 
 
 

Тема:

Простые полупроводники 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

1. Что такое полупроводник …………………………………………………4
2. Виды полупроводников……………………………………………………4
3. Типы полупроводников……………………………………………………6
4. Германий и его электронные свойства……………………………………6
5. Использование Германия в Радиотехнике………………………………..7
6. Кремний…………………………………………………………………….7
7. Электрофизические свойства Кремния…………………………………...8

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Что такое полупроводник?

Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются отпроводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками  являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести кширокозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости  от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость  полупроводников сильно зависит  от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков. 

Виды полупроводников

По  характеру проводимости

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны  и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых  приборов часто используют кристаллы  с примесной проводимостью. Такие  кристаллы изготавливаются с  помощью внесения примесей с атомами  трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По  виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Дырочные  полупроводники (р-типа)

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. 
 
 
 
 
 
 
 

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

• простые полупроводниковые материалы — собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;
• в группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов. Полупроводниковые материалы этой группы, состоящие из двух элементов, называют бинарными, и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее.

Одним из простых  полупроводников является Германий

Элемент был  предсказан Д. И. Менделеевым (как эка-кремний) и открыт в 1885 году немецким химиком Клеменсом Винклером при анализе минерала аргиродита Ag₈GeS₆.

Германий встречается  в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам, а также  в силикатах. В результате сложных  и трудоёмких операций по обогащению руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO₂, который восстанавливают водородом при 600 °C до простого вещества:

GeO₂ + 2H₂ = Ge + 2H₂O.

Очистка и  выращивание монокристаллов германия производится методом зонной плавки.

Электронные свойства Германия

Германий является типичным непрямозонным полупроводником.

• Статическая диэлектрическая проницаемость ε = 16,0
• Ширина запрещённой зоны (300 К) E_g = 0,67 эВ
• Собственная концентрация n_i=2,33×10¹³ см⁻³
• Эффективная масса:
• электронов, продольная: m_II=1,58m₀, m_II=1,64m₀
• электронов, поперечная: m_┴=0,0815m₀ , m_┴=0,082m₀
• дырок, тяжелых: m_hh=0,379m₀
• дырок, легких: m_hl=0,042m₀
• Электронное сродство: χ = 4,0 эВ

 

Использование Германия в радиотехнике

Германий используется в производстве полупроводниковых  приборов: транзисторов и диодов. Германиевые транзисторы и детекторные диоды обладают характеристиками, отличными от кремниевых, ввиду меньшего напряжения отпирания p-n-перехода в германии — 0,1-0,2 В против 0,6-0,7 В у кремниевых приборов. Кроме того, обратные токи у германиевых приборов на несколько порядков больше таковых у кремниевых — скажем, в одинаковых условиях кремниевый диод будет иметь обратный ток 10 пА, а германиевый — 100 нА, что в 10000 раз больше^[12]. До 1960-х гг. германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно. По советскому ГОСТ 10862-64 (1964 г.) и более поздним стандартам, германиевые полупроводниковые приборы имеют обозначение, начинающиеся с буквы Г или цифры 1, например: ГТ313, 1Т308 — высокочастотные маломощные транзисторы, ГД507 — импульсный диод. До того транзисторы имели индексы, начинающиеся с букв С, Т или П (МП), а диоды — Д, и определить материал прибора по индексу было невозможно; впрочем, большинство из них были германиевые. В настоящее время германиевые диоды и транзисторы практически полностью вытеснены кремниевыми.

Кремний

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF₄ получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. 

Чаще всего  в природе кремний встречается  в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты,кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты

Электрофизические свойства Кремния

Элементарный  кремний в монокристаллической  форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5×10¹⁰ см⁻³

На электрофизические  свойства кристаллического кремния  большое влияние оказывают содержащиеся в нем примеси. Для получения  кристаллов кремния с дырочной проводимостью  в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий). Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

При создании электронных  приборов на основе кремния задействуется  преимущественно приповерхностный слой материала (до десятков микрон), поэтому  качество поверхности кристалла  может оказывать существенное влияние  на электрофизические свойства кремния  и, соответственно, на свойства готового прибора. При создании некоторых  приборов используются приёмы, связанные  с модификацией поверхности, например, обработка поверхности кремния  различными химическими агентами.