Строение и основные свойства полупроводников

Полупроводники занимают промежуточную область между проводниками и диэлектриками.
К полупроводникам относится большинство веществ, имеющихся в природе: это - минералы, различные окислы и сульфиды, Элементы - кремний, германий и др. Электрическая проводимость полупроводников колеблется в широком интервале:
.
σ =10 - 10-12 Ом-1м-1

Температурная зависимость проводимости
От металлов полупроводники, прежде всего, отличаются не величиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости от температуры: у металлов она слабо уменьшается, а у полупроводников она сильно увеличивается при нагревании кристалла.

Полупроводники — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними (ширина запрещенной зоны) лежит в интервале 0,1–3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые полупроводники слабо пропускают ток).

Особенности полупроводников
Наиболее существенной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влияние различных воздействий (температура, освещение, электрическое и магнитное поля, внешнее гидростатическое давление и т.д.). Под их действием характеристики полупроводников, например, электропроводность могут изменяться в 106 - 107раз. Такой чувствительностью не обладают ни металлы, ни диэлектрики. Столь большая чувствительность и обусловила широкое применение полупроводников в технике.
Чувствительность к температуре лежит в основе действия таких приборов, как термисторы.
На большой чувствительности к свету основано действие полупроводниковых фотоприемников.
Чувствительность к слабым сигналам электрического напряжения позволила создать различные полупроводниковые диоды и триоды.
Чувствительность к магнитному полю используют при создании полупроводниковых приборов для измерения весьма слабых величин напряженности магнитного поля и т.д.
Свойства полупроводников определяются особенностями их зонного строения. Как и у диэлектриков, зона валентных электронов и электронов проводимости у них разделены запрещенной зоной, ширина которой от 0,1 до 3 эВ. Электропроводность определяется свободными электронами (-) и дырками (+), которые образуются при переходе валентных электронов в зону проводимости или ионизации примесей. В зависимости от степени чистоты полупроводники бывают собственными и примесными.

Строение полупроводника
Полупроводниками называют элементы четвертой группы, соединения 3-ей и 5-ой, 2-ой и 6-ой групп периодической таблицы.
Самым широко используемым полупроводниковым элементом является кремний, так как на его основе чаще всего изготавливают интегральные схемы.
Технология производства и обработки кремния сегодня находится на очень высоком уровне.
Большинство солнечных элементов так же изготовлены на основе кремния.
Ковалентные связи в кристаллической решетке кремния.
Полупроводники состоят из отдельных атомов, объединенных друг с другом в кристаллическую упорядоченную структуру, в которой каждый из атомов имеет восемь электронов.

Вещества с полупроводниковыми свойствами
На фрагменте периодической таблицы элементы, образующие наиболее распространенные полупроводниковые материалы, выделены синим. Полупроводниками могут быть или отдельные элементы, например, кремний или германий, соединения, например, GaAs, InP и CdTe, или сплавы, как, например, SixGe(1-x) и AlxGa(1-x)As где x - это доля элемента, изменяющаяся от 0 до 1.

Главное свойство полупроводников
Ковалентная связь между атомами является причиной того, что электроны существуют в кристалле в двух состояниях: связанном либо свободном.
В связанном состоянии энергия электрона минимальна. Однако, если электрон получит достаточно энергии, чтобы разорвать связь, он станет свободным. Электрон может находиться либо в состоянии с более низкой энергией, образуя связь, либо получить определенное минимальное количество энергии, чтобы разорвать связь и стать свободным. Эта минимальная энергия называется энергией запрещенной зоны полупроводника.
Количество и энергия свободных электронов - основа микроэлектроники.
Место, оставленное электроном, позволяет оборванной ковалентной связи перемещаться от одного электрона к другому. Это движение можно представить, как движение положительного заряда по решетке. Само пустое место обычно называют дыркой. Дырка - такой же носитель, как и электрон, только с положительным зарядом.

Легирование
Нелегированный (собственный) кремний редко используется в электронной промышленности. Почти всегда при изготовлении приборов кремний легируется примесями.
Баланс электронов и дырок в кристалле кремния можно нарушить с помощью его легирования другими атомами. Атомы, у которых на один валентный электрон больше, чем у кремния, используются для получения полупроводника "n-типа". Эти атомы добавляют электроны в зону проводимости, увеличивая общее число электронов. Легирование атомами, у которых на один валентных электрон меньше, приводит к материалу "p-типа". В полупроводниках "p-типа" количество электронов, образовавших связи больше, что увеличивает количество дырок. В легированных материалах одних носителей всегда больше, чем других. Носители с более высокой концентрацией называются "основными носителями", в то время как носители с более низкой концентрацией - "неосновными". Структура кристаллической решетки кремния легированного примесями для получения материала p- и n-типа.

Свойства полупроводников p- и n-типа проводимости

Спектр электромагнитных излучений
Солнечный свет - это вид электромагнитного излучения, и свет, который видит наш глаз, является лишь небольшой частью всего электромагнитного спектра

Энергия фотона
Размерность в электронвольтах
Если энергию фотона записать в электронвольтах (эВ), (1 эВ равен энергии необходимой одному электрону для преодоления поля, создаваемого разностью потенциалов 1 Вольт, 1 эВ = 1.602 x 10-19 Дж), а длину волны в микрометрах (µm), то предыдущее уравнение можно представить, как
Можно воспользоваться калькулятором для нахождения соответствующей энергии фотона в любой части электромагнитного спектра.
Введите длину волны, λ = 0,6 мм
Энергия фотона , E = 2,0667эВ

Взаимодействие света с полупроводником
Фотоны, падающие на полупроводник, могут:
- отразиться от его поверхности,
- поглотиться в нем,
- будучи ни поглощенным ни отраженным, пройти через него.
Для фотоэлектричества отраженные и пропущенные фотоны являются потерянными, так как они не участвуют в производстве энергии.
Когда фотон поглощается, он переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости.
Определяющим фактором того, будет ли поглощен фотон, является его энергия. Фотоны, падающие на полупроводник, можно разделить на три группы в зависимости от их энергии:
1. Eph < EG. Фотоны с энергией Eph меньше, чем ширина запрещенной зоны EG, слабо взаимодействуют с полупроводником, проходят через него, как-будто он является прозрачным.
2. Фотоны с Eph = EG имеют как раз достаточно энергии, чтобы создать электронно-дырочную пару, поэтому они хорошо поглощаются.
3. Eph > EG. Фотоны с энергией больше ширины запрещенной зоны сильно поглощаются.

Поглощение света полупроводником
В результате поглощения фотона образуются и основные и неосновные носители.
Во многих фотоэлектрических приборах число носителей, сгенерированных светом, на несколько порядков меньше числа основных носителей, присутствующих в полупроводнике после легирования. Поэтому концентрацию основных носителей под действием света можно считать неизменной.
Однако, для неосновных носителей верно обратное. Число неосновных носителей, сгенерированных светом, на много превышает равновесное число неосновных носителей, и поэтому при освещении общее число неосновных носителей можно принять за число неосновных носителей, сгенерированных светом.

Коэффициент поглощения света
Коэффициент поглощения - величина обратная глубине проникновения в материал света определенной длины волны до того, как он будет поглощен.
В материалах с низким коэффициентом поглощения свет поглощается плохо и, если материал сделать достаточно тонким, он окажется прозрачным для данной длины волны.
Коэффициент поглощения зависит не только от самого материала, но и от длины волны излучения.
Вероятность поглощения фотона зависит от вероятности взаимодействия фотона и электрона, при котором электрон переходит на более высокий энергетический уровень.
При увеличении энергии фотона, с ним может взаимодействовать гораздо большее количество электронов, в следствии чего он поглощается.
Зависимость коэффициента поглощения, α, в различных полупроводниках при 300К как функция длины волны света