Чем диэлектрик отличается от полупроводника. Что такое проводник. В полупроводниках и металлах от температуры

Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.

Определение

Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.

Металлы — это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение

Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках. У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.

Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

Выводы сайт

Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu 2 O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 - неметаллами, из которых 13 обладают полупроводниковыми свойствами и 12 - диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие полиацетилен (СН) n, - полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd 1-x Mn x Te) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO 3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La 2 CuO 4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La 1-x Sr x) 2 CuO 4 .

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10 -4 до 10 7 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника - от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы - это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs - 1,5 эВ. GaN, материал для в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней - свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01-3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом - участком запрещённых энергий электронов.

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно - энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости. Примесные полупроводники - это проводники, обладающие примесной проводимостью.

Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут - это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь - основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий - акцепторные примеси для кремния.

Характеристики полупроводника находятся в зависимости от дефектов его кристаллической структуры. Это является причиной необходимости выращивания предельно чистых кристаллов. Параметрами проводимости полупроводника управляют путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируют фосфором (элемент V подгруппы), который является донором, чтобы создать кристалл кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в кремний вводят акцептор бор. Полупроводники с компенсированным уровнем Ферми для перемещения его в середину запрещённой зоны создают подобным образом.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа - фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва - dE = 5,47 эВ.

Кремний - полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме - в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.

Германий - полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.

Селен - полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3-4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа - антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути - полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2- 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1-7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Рост энергии сцепления кристалла по причине кулоновского межионного взаимодействия способствует структурированию атомов с шестикратной, а не квадратичной координацией. Соединения 4-6 групп - сульфид и теллурид свинца, сульфид олова - также полупроводники. Степень ионности данных веществ тоже содействует образованию шестикратной координации. Значительная ионность не препятствует наличию у них очень узких запрещённых зон, что позволяет использовать их для приёма ИК-излучения. Нитрид галлия - соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

GaAs, арсенид галлия - второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.

ZnS, сульфид цинка - цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.

SnS, сульфид олова - полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа - оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La 2 CuO 4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La 2 CuO 4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa 2 Cu 3 O 8 . При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов - интеркаляцией.

MoS 2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений - нафталин, полиацетилен (CH 2) n , антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида -С=С-С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки - тоже полупроводниками.

Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С 60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.

Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью

Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа - сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd 1-x- Mn x Te. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники - это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики

Этот тип кристаллов отличается наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Например, такими свойствами обладают полупроводники титанат свинца PbTiO 3 , титанат бария BaTiO 3 , теллурид германия GeTe, теллурид олова SnTe, которые при низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в нелинейно-оптических, запоминающих устройствах и пьезодатчиках.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-5 2 (AgGaS 2) и 2-4-5 2 (ZnSiP 2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3-5 и 2-6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As 2 Se 3), - полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Величина электрического тока I через образец, например в виде параллелепипеда, определяется в зависимости от напряжения U и сопротивления образца R:

I = U/R = US/rl = gUS/l = gSE (1)

Где I – ток; l - длина образца; S - площадь; R - сопротивление; r- удельное объемное сопротивление; g - проводимость материала.

Из этого соотношения видно, что проводимость связана с величиной напряженности электрического поля Е = U/l и плотностью тока j = I/S:

g = j/E или j = gE (2)

Величина g полупроводников и металлов существенно зависит от температуры кристаллов.

Электрический ток в твердом теле обусловлен передвижением свободных заряженных частиц. В металлах электрический ток возникает вследствие перемещения свободных электронов, в полупроводниках – свободных электронов и дырок.

Величина g зависит от концентрации n и р и подвижности m n и m р. Величина подвижности определяется как отношение дрейфовой скорости v др к напряженности поля

m = v др /Е; [m] = м 2 /В×с (3)

Допустим, что в образце имеется определенная концентрация носителей – электронов n. Приложение к образцу напряжения U Создает напряженность Е = U/l, и вцепи протекает ток I n , обусловленный передвижением электронов с дрейфовой скоростью v n .

Анализ показывает, что через поперечное сечение образца протекает ток, равный

I n = Q n /t = env n tS/t = env n S = enm n ES (4)

Где Q n – заряд, прошедший через поперечное сечение S за время t ; е – заряд электрона.

С учетом соотношения (2) имеем

В общем случае при наличии носителей n- и р-типа

g = g n + g p = enm n + epm p (6)

Из соотношений (2) и (6) видно, что плотность тока j в цепи определяется величинами проводимости g и напряженности электрического поля, при фиксированной напряженности электрического поля (постоянном напряжении на образце) плотность тока определяется только величиной проводимости. Величина g в свою очередь зависит от значений n,p и m n , m р, определяемых температурой, типом материала и примесей.

Зависимость концентрации носителей заряда

В полупроводниках и металлах от температуры.

Металлы.

При образовании кристаллической решетки металлов каждый атом решетки отдает один валентный электрон в «электронный газ» металла. Вследствие этого при любой температуре число электронов, способных участвовать в процессе проводимости, остается практически неизменным и равно плотности узлов решетки: n @ 10 28 м -3 .

Зонная диаграмма металла приведена на рис.5.а. В металле при любой температуре электроны находятся в зоне проводимости, физически это означает, что они свободны и могут передвигаться по кристаллу. При Т = 0 о К все электроны имеют нижние значения энергии (скорость носителей ограничена при этой температуре значением v ф, энергия ограничена значением Е ф = mv 2 ф /2, (Е ф – энергия уровня Ферми). При увеличении температуры (Т > 0оК)ьбэлектроны могут увеличивать свою скорость (энергию), поэтому значения энергии некоторых носителей будут больше значения Е ф, на зонной диаграмме увеличение энергии электрона изображается переходом 1 (рис. 4.а).

Полупроводники.

Количество носителей заряда в полупроводниках существенно зависит от температуры и типа материала. Зонные диаграммы полупроводников различных типов представлены на рис. 4.б-г.

При температуре 0 о К свободные носители отсутствуют; в собственном полупроводнике все носители связаны с собственными атомами материала (на языке зонной диаграммы это означает, что носители находятся в валентной зоне). Собственный полупроводник имеет уровень Ферми Е ф посередине запрещенной зоны.

В донорном полупроводнике при Т=0 все свободные носители также отсутствуют, они связаны с собственными атомами материала (находятся в валентной зоне) и с атомами примеси (находятся на уровне Е д).

Уровень энергии Е ф n для примесного донорного полупроводнтка при низких температурах находится вблизи дна зоны проводимости (рис.4.в).

В акцепторном полупроводнике при Т=0 все свободные носители также отсутствуют; электроны связаны с собственными атомами материала (находятся в валентной зоне), атомы примеси (акцепторы) не ионизованы. При увеличении температуры собственные атомы начинают ионизоваться, электрон захватывается акцептором (электрон находится на уровне акцептора Е а) и появляется дырка (в валентной зоне). Уровень энергии Е фр для примесного акцепторного полупроводника находится вблизи потолка валентной зоны (рис. 4.г)

В собственных полупроводниках носители заряда (электроны и дырки) появляются вследствие ионизации собственных атомов. Концентрация собственных носителей увеличиваетс с повышением температуры согласно выражению:

(7)

где N c , N v – плотности состояний (уровней) в зоне проводимости и валентной зоне; Т – температура кристалла,К; DЕ з – ширина запрещенной зоны; к – постоянная Больцмана.

Логарифмируя выражение (7), получаем

(8)

Если пренебречь зависимостью N c , N v от температуры, то n(T) описывается прямой линией в координатах ln n от (1/T, К) (рис 5.а)

В примесных полупроводниках образование носителей обусловлено генерацией как из собственных атомов, так и с примесных центров.

Поскольку энергия ионизации, например донорной примеси DЕ д гораздо меньше ширины запрещенной зоны DЕ з, то при увеличении температуры от 0 о К в первую очередь начнут ионизоваться примесные центры – доноры.

В диапазоне температур 0 – 150 о К зависимость n(T) представляется в виде

(9)

где Ед – энергия ионизации доноров; Nд – концентрация доноров.

В координатах ln n(T) = f(1/T) зависимость n(T) представляется отрезком прямой линии (рис 5.б, участок 1).

Увеличение температуры выше температуры ионизации примесей Т и приводит к полной ионизации доноров, поэтому дальнейшее возрастание температуры не влияет на ионизацию. Это приводит к тому, что в диапазоне Т кр < Т < Т и концентрацция носителей остается постоянной (Т кр – температура, при которой концентрация генерируемых собственных носителей становится сравнимой с концентрацией доноров).

Таким образом в области температур Т=300 – 400 о К доноры ионизованы полностью, концентрация электронов примесного происхождения намного превышает концентрацию электронов собственного происхождения даже при ничтожном количестве примеси. Например, кремний, легированный примесью в количестве 0,001%, считается химически чистым. В то же время, это соответствует концентрации примесей 10 23 м -3 (концентрация атомов кремния 10 28 м -3).

Поскольку при Т=300 – 400 о К все атомы примеси ионизованы, концентрация свободных электронов примесного происхождения будет равна 10 23 м -3 , что намного больше концентрации свободных электронов и дырок собственного происхождения (при 300 о К n i = 10 16 м -3). Следовательно, введение ничтожного количества примеси повысило концентрацию электронов по сравнению с концентрацией электронов собственного происхождения на семь порядков. Поэтому при Т=300 – 400 о К концентрацией электронов собственного происхождения можно пренебречь и считать, что в донорном полупроводнике концентрация основных носителей определяется только электронами примесного происхождения, т.е. n n = N д.

При температурах Т > Т кр генерация носителей собственного происхождения создает количество носителей (электронов и дырок), превышающее количество электронов примесного происхождения, в этом диапазоне зависимость n(T) описывается соотношением (7).

Методические указания .

Статическая вольт-амперная характеристика кристалла снимается путем исследования зависимости тока в кристалле от напряжения I(U n). Сопротивление кристалла определяется графически по зависимости I(U n):

Значение удельного сопротивления r и электропроводности определяется с учетом соотношения (1) и (2).

(1),

где I – ток, l – длина образца, S – площадь, R – сопротивление, r - удельное объемное сопротивление, g- проводимость материала. Параметры кристалла (длина и площадь сечения) указаны на стенде.

Из соотношения (1) имеем, что проводимость связана с величиной напряженности электрического поля и плотностью тока :

Величина s полупроводников и металлов существенно зависит от температуры кристаллов.

Нагрев кристалла производится косвенным образом с помощью нагревателя. Температура кристалла фиксируется в процессе нагрева с помощью термопары.

В процессе нагрева образца снимается зависимость тока от температуры, после чего рассчитывается и строится зависимость .

С учетом соотношения (3),

где DE 3 – энергия активации собственных носителей (ширина запрещенной зоны), s¢ 0 (Т) – параметр, мало зависящий от температуры, имеем

(4).

Таким образом, в координатах ln g(1/T) зависимость проводимости от температуры представляется прямой линией с наклоном, равным

Где DE 3 - ширина запрещенной зоны полупроводника, k – постоянная Больцмана (k = 8,625 × 10 -5 эВ/K=1,38×10 -23 Дж/K).

На графике по оси абсцисс откладываются значения 1/T (Т 0 К) по оси ординат – значение натурального логарифма проводимости материала (g).

С учетом температурной зависимости электропроводности полупроводников, описываемой соотношением (3), сопротивление полупроводникового резистора изменяется с температурой

(5),

где - коэффициент температурной чувствительности, зависящий от типа примеси, ширины запрещенной зоны, энергии активации примеси и т.п.; R ¥ - постоянная, зависящая от материала и размеров полупроводника, Т – температура в градусах Кельвина.

На практике широко используются сопротивления, у которых ширина запрещенной зоны весьма мала (0,1 – 0,3 эВ), вследствие чего при возрастании температуры значение сопротивления резко уменьшается (термисторы). Сопротивление термисторов имеет значение от нескольких Ом до нескольких сотен килоом.

Коэффициент температурной чувствительности В () имеет значение от 700 до 15000 К и практически одинаков для данного термистора в рабочем диапазоне температур.

Температурный коэффициент сопротивления термистора показывает относительное изменение сопротивления термистора при изменении тепрературы на 1 Кельвин

Температурный коэффициент зависит от температуры, поэтому его необходимо записывать с индексом, указывающим температуру, при которой имеет место данное значение. С учетом (5) имеем

(7).

Значение TKR при комнатной температуре различных термисторов находятся в пределах –(0,8 – 6,0)×10 -2 К -1 . Обратим внимание на то, что термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

В качестве рабочего элемента термистора выбираются полупроводники на основе окислов металлов, например, цинка, титана.

Работа полупроводниковых приборов, позисторов, основана на возрастании сопротивления материала при увеличении температуры. Это обусловлено уменьшением подвижности носителей заряда в области высоких температур, вследствие чего проводимость полупроводника начинает уменьшаться. В итоге, сопротивление позистора возрастает при увеличении температуры кристалла. Отметим, что позистор, в частности, при большом увеличении температуры полупроводник переходит в область собственной проводимости, и его сопротивление начнет уменьшаться.

Рабочим элементом позисторов является специальная керамика на основе соединений титана бария.

Термисторы и позисторы используются в электронных схемах для регистрации температуры окружающей среды, оценки потоков различных излучений, например, оптического излучения лазеров, ядерного, рентгеновского и т.п., в схемах сигнализации и т.д.

Измерения и обработка результатов

1. Произвести анализ схемы (рис.1).

2. По разрешению преподавателя включить питание схемы: подать напряжение на полупроводник.

I. Снятие вольтамперной характеристики полупроводника при комнатной температуре Т 0 (значение Т 0 определяется в лаборатории) .

1. Увеличивая потенциометром напряжение от 0 до 60 В через каждые 10 В снимите зависимость силы тока, протекающего через проводник, от напряжения. Данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

2. По полученным данным постройте график зависимости I = f(U) при комнатной температуре (график прямой строить по методу наименьших квадратов) .

3. Вычислите сопротивление полупроводника для каждого измерения по формуле .

6. Вычислите среднее значение удельного сопротивления r и среднее значение удельной проводимости g с учетом его параметров (кристалл имеет форму цилиндра: длина l = 10 мм, диаметр d = 1мм). Значение удельного сопротивления r и электропроводность g определяются по соотношениям:

где l – длина кристалла, S – площадь сечения кристалла.

Результаты занесите в таблицу 1.

II. Исследование температурной зависимости электропроводности полупроводника.

1. Установить по указанию преподавателя напряжение на кристалле. Определить значение тока при комнатной температуре.

2. Включить нагрев полупроводника. Нагрев кристалла производится с помощью нагревателя включаемого тумблером «Вкл. нагревателя». Температура кристалла регистрируется в процессе нагрева. В процессе нагрева изменится сопротивление и, следовательно, ток через кристалл. Зафиксировать значение тока образца при разных температурах в диапазоне до 90 0 С. Данные занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

U = … В
№ пп	Т 0 , С	Т, К	1/Т, К -1	I(Т), мА	R, Ом	s, См/м	lns
1.
2.
3.	…
4.

3. Отключите установку от сети.

4. В процессе нагрева образца снимается зависимость тока от напряжения и по полученным данным находится значение

В координатах lng (1/Т) зависимость проводимости от температуры представляется прямой линией с наклоном равным , где DЕ 3 – ширина запрещенной зоны, k = 1,38×10 23 Дж/К=8,625×10 -5 эВ/K ‑ постоянная Больцмана; Т – термодинамическая температура;

Вопросы для защиты работы.

1. Нарисуйте зонную диаграмму собственного и примесного (акцепторного и донорного полупроводника.

2. В каких полупроводниках (собственных или примесных) при комнатной температуре больше свободных носителей зарядов?

3. Может ли энергия свободного носителя иметь значение Е в < Е < Е пр?

4. Как изменяется концентрация основных носителей заряда в примесном полупроводнике при возрастании концентрации примесей?

5. Как изменяется концентрация неосновных носителей заряда в примесном полупроводнике при возрастании концентрации примесей?

6. Германий и кремний имеют одинаковое количество примесных центров. В каком полупроводнике концентрация неосновных носителей при комнатной температуре больше?

7. Нарисуйте зависимость ln n(1/T) для собственных и примесных полупроводников.

8. Может ли проводимость полупроводников уменьшаться с ростом температуры?

9. Как определить ширину запрещенной зоны полупроводников?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 16

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТОРОВ

Ц е л ь р а б о т ы: Исследовать характеристики сернисто-кадмиевого фотосопротивления

О б о р у д о в а н и е : Фоторезистор, источник монохроматического света, микроамперметр, вольтметр, амперметр, реостаты, источники питания.

Теоретические сведения

Фотопроводимость – это возникновение проводимости вещества под действием света. Увеличение электропроводимости при освещении, как показывает опыт, связано с увеличением концентрации носителей тока.

Существует три пути увеличения концентрации под действием света:

1. Кванты света вырывают электрон из заполненной зоны и забрасывают его в зону проводимости (Рис.1), одновременно возрастает число дырок и электронов. Энергия фотона при этом должна быть несколько больше ширины запрещенной зоны полупроводника:

2. Электроны под действием света вырываются из заполненной (валентной) зоны и забрасываются на свободные примесные уровни, при этом возрастает дырочная проводимость (Рис.2), энергия кванта немного больше больше энергии активации акцепторов:

3. Электроны под действием света забрасываются с примесных уровней в свободную зону и увеличивается электронная проводимость (рис.3). Энергия квантов света при этом немного больше энергии донорных примесей:

Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света является внутренним фотоэффектом.

На рис.1 представлена схема образования фотоносителей в полупроводнике: а – собственном, б – донорном, в – акцепторном.

Минимальную частоту n 0 (или максимальную длину волны l 0) при котором свт может еще образовывать фотоносители, т.е. является фотоэлектрически активным, называют красной границей фотопроводимости. Из формул (1 – 2) можно определить красную границу фотопроводимости:

Для собственных полупроводников ;

Для примесных полупроводников ,

Где с – скорость распространения света в вакууме, h – постоянная Планка.

Для собственных полупроводников, ширина запрещенной зоны которых 2¸3 эВ, красная граница фотороводимости приходится на видимую часть спектра. Многие примесные полупроводники имеют энергию активации примесей порядка десятых долей электрон-вольта. Красная граница фотопроводимости для них лежит в инфракрасной области спектра.

В собственном полупроводнике фотопроводимость связана с перебросами электрона из валентной зоны в зону проводимости. Красная граница определяется наименьшей энергией, необходимой для такого переброса, т.е., на первый взгляд, должна определяться соотношением:

Однако это не вполне точно. Дело в том, что поглощении света должен соблюдаться не только закон сохранения энергии, но и закон сохранения импульса. Электрон “проглотивший” фотон, получает не только энергию, но и импульс:

В общем случае, когда электрон вырывается светом с произвольного уровня валентной зоны, на котором он имел скорость V 1 , выбрасывается в зону проводимости на уровень, где его скорость станет V 2 , закон сохранения энергии и импульса имеет вид:

(4)

Если учесть, что импульс фотона относительно мал (так как скорость света очень велика), то и формулы (3) и (4) дают близкие значения. Поэтому для приближенной оценки ширины запрещенной зоны полупроводника можно пользоваться формулой (3).

При коэффициент поглощения очень велик; практически весь свет поглощается в очень тонком поверхностном слое полупроводника. При этом концентрация фотоэлектронов оказывается очень большой и увеличивает вероятность рекомбинации (т.е. их обратного перехода в валентную зону с уменьшением времени жизни носителей). Кроме того, в поверхностном слое всегда имеется большое количество дефектов и примесей, затрудняющих дрейф свободных электронов.

В силу этих причин свет с частотой поглощается поверхностным слоем и не вызывает заметного фотоэффекта.

Законы сохранения энергии и импульса в случае примесного полупроводника имеют более сложную форму и в данной работе не рассматриваются.

Наряду с ионизацией атома основной решетки возможно и другое возбуждкенное состояние основного атома, при котором электрон не отрывается от него, а лишь переходит на один из незаполненных уровней. Иначе говоря, электрон не разрывает связи с дыркой, а образует с ней единую систему. Такая система называется экситонной. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости (рис.2).

Движение экситона можно представить как совместное перемещение электрона и дырки. Грубо это выглядит так: экситон на данном этапе “захлопывается”, т.е. электрон переходит в нормальное состояние. Выделившийся при этом экситон передается соседнему атому. Так как экситон является электрически нейтральной системой, то их возникновение в полупроводнике не приводит к увеличению проводимости. В настоящее время предполагается, что экситоны возникают при фотоэлектрически активном поглощении света. Возникнув, они некоторое время блуждают по объему полупроводника. При столкновении с примесными атомами или другими дефектами решетки экситоны или рекомбинируют или “разрываются”. В первом случае возбужденный атом переходит в нормальное состояние, а энергия излучается в виде квантов света. Во втором случае образуется пара носителей – электрон-“дырка”, которая вносит вклад в фотопроводимость полупроводника.

На фотопроводимость полупроводника существенное влияние оказывает температура. С понижением температуры понижается число носителей тока. Это приводит, во-первых, к увеличению относительной доли фотопроводимости в общей проводимости полупроводника, во-вторых, к увеличению абсолютной величины фотопроводимости, т.к. с уменьшением концентрации носителей тока уменьшается вероятность рекомбинации фотоносителей.

Изменение температуры называет изменение красной границы фотопроводимости, т.к. изменяется величина ширины запрещенной зоны.

Полупроводниковые фоторезисторы широко применяются на практике. Они являются световыми реле. Фоторезисторы имеют одинаковую проводимость в обоих направлениях.

В отличие от фотоэлементов в фоторезисторах под действием света фото э.д.с. не возникает. Фоторезисторы имеют различную чувствительность к разным длинам волн. Например, ФС-А1 наиболее чувствительны к инфракрасной области спектра (l max =2,2 мкм), ФСК – к видимой области спектра (l max =0,38 – 0,78 мкм), а ФС-Б – на границе видимой и инфракрасной областей (l max = 0,7 мкм).

Конструктивно фоторезисторы представляют собой обычные омические резисторы, состоящие из пластмассового корпуса 1, полупроводникового слоя 2, заключенного между токопроводящими электродами 3 и изолирующей прокладки 4 (рис.3).

Измерение и обработка результатов

Схема установки

1. Установите ток накала нити лампы в пределах 3 -3,5 А.

2. Снимите вольтамперную характеристику фоторезистора меняя напряжение с помощью потенциометра через каждые 5 В. При этом (задается преподавателем). Данные измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

№ пп	l=const	U, В	I, мкА
1.
2.
3.
4.
5.

3. Освещая фоторезистор светом различной длины волны, снимите зависимость , при этом (U а - задается преподавателем). Отсчеты снимайте через 25 нм в интервале от 300 до 900 нм. Данные измерений занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

Полученные результаты изобразите графически.

4. По графику определите - длину волны, к которой фоторезистор наиболее чувствителен.

Контрольные вопросы

1. Чем объясняется увеличение проводимости полупроводников при их освещении?

2. Почему при не выполняется заметный фотоэффект?

3. Что такое экситоны?

4. Как изменяется фотопроводимость полупроводников с изменением температуры?

Похожая информация.

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

Полупроводники.

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью . Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

Золото.
Серебро.
Медь.
Алюминий.
Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов , способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

		Диэлектрик
Наличие свободных электронов	Присутствуют в большом количестве	Отсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический ток	Хорошо проводит	Не проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжение	Ток, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону Ома	Ток, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
Материалы	Золото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другие	Эбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивление	от 10 -5 до 10 -8 степени Ом/м	10 10 – 10 16 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материала	Примеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойства	Примеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей среды	При увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость.	При увеличении температуры – сопротивление уменьшается.