A félvezető olyan anyag, amely a fajlagos vezetőképesség szempontjából köztes helyet foglal el a vezetők és a dielektrikumok között, és abban különbözik a vezetőktől (fémektől), hogy a fajlagos vezetőképesség erősen függ a szennyeződések koncentrációjától, a hőmérséklettől és a különféle típusú szennyeződéseknek való kitettségtől. sugárzás. A félvezetők fő tulajdonsága az elektromos vezetőképesség növekedése a hőmérséklet emelkedésével.
A félvezetők olyan kristályos anyagok, amelyek sávszélessége elektronvolt (eV) nagyságrendű . Például a gyémánt a széles résű félvezetőknek (körülbelül 7 eV ), az indium-arzenid pedig a szűk résnek () tulajdonítható. A 0,35 eV -os félvezetők számos kémiai elemet (germánium, szilícium , szelén , tellúr, arzén és mások), számos ötvözetet és kémiai vegyületet (gallium-arzenid stb.) tartalmaznak.
Egy másik kémiai elem atomját egy tiszta kristályrácsban (például egy szilíciumkristályban lévő foszfor, bór stb. atomját ) szennyeződésnek nevezzük . Attól függően, hogy a szennyező atom elektront ad-e a kristálynak (a fenti példában foszfor), vagy befogja (bór), a szennyező atomokat donornak vagy akceptornak nevezzük . Egy szennyeződés jellege változhat attól függően, hogy a kristályrács melyik atomját helyettesíti, melyik krisztallográfiai síkba ágyazódik be.
A félvezetők vezetőképessége a hőmérséklettől függ. Az abszolút nulla hőmérséklet közelében a félvezetők dielektrikumok tulajdonságaival rendelkeznek .
A félvezetőket mind a vezetők, mind a dielektrikumok tulajdonságai jellemzik . A félvezető kristályokban az atomok kovalens kötéseket hoznak létre (vagyis a szilíciumkristály egyik elektronját két atom köti össze), és az elektronoknak bizonyos szintű belső energiára van szükségük ahhoz, hogy kiszabaduljanak az atomból (1,76⋅10 -19 J versus 11,2⋅10 −19 J mint és jellemzi a félvezetők és a dielektrikumok közötti különbséget). Ez az energia a hőmérséklet emelkedésekor jelenik meg bennük (például szobahőmérsékleten az atomok hőmozgásának energiaszintje 0,04⋅10 −19 J), és az egyes elektronok energiát kapnak az atommagról való leváláshoz. A hőmérséklet növekedésével a szabad elektronok és lyukak száma nő, ezért a szennyeződéseket nem tartalmazó félvezetőben az elektromos ellenállás csökken. Hagyományosan az 1,5-2 eV-nál kisebb elektronkötési energiájú elemeket szokás félvezetőnek tekinteni. Az elektron-lyuk vezetési mechanizmus a belső (azaz szennyeződések nélküli) félvezetőkben nyilvánul meg. Ezt a félvezetők belső elektromos vezetőképességének nevezik.
Amikor az elektron és az atommag közötti kötés megszakad, az atom elektronhéján szabad tér jelenik meg. Ez okozza az elektron átvitelét egy másik atomról egy szabad térrel rendelkező atomra. Az az atom, amelyből az elektron kikerült, egy másik atomból egy másik elektronba lép, stb. Ezt a folyamatot az atomok kovalens kötései határozzák meg. Így van egy pozitív töltésű mozgás anélkül, hogy maga az atom elmozdulna. Ezt a feltételes pozitív töltést lyuknak nevezzük .
A félvezetőben lévő lyukak mobilitása általában kisebb, mint az elektronok mobilitása.
Az E p vezetési sáv és az E vegyértéksáv között van az E s elektronenergia tiltott értékeinek zóna . Az E p − E in különbség egyenlő az E s sávrésszel . Az E s szélességének növekedésével az elektron-lyuk párok száma és a belső félvezető vezetőképessége csökken, az ellenállás pedig nő.
A mobilitás az áramhordozók sodródási sebessége és az alkalmazott elektromos tér nagysága közötti arányossági együttható
Ebben az esetben általánosságban elmondható, hogy az anizotróp kristályokban a mobilitás egy tenzor komponensekkel
Az elektronok és lyukak mobilitása a félvezetőben való koncentrációjuktól függ (lásd az ábrát). A töltéshordozók nagy koncentrációja esetén megnő a köztük lévő ütközés valószínűsége , ami a mobilitás csökkenéséhez vezet, de a mobilitás csökkenése ellenére a vezetőképesség a dopping mértékének növekedésével nő, mivel a mobilitás csökkenése kompenzálódik a töltéshordozók koncentrációjának növekedésével.
A mobilitás mértékegysége m² /( Vs ) SI -ben vagy cm / (Vs) CGS - ben .
Termodinamikai egyensúly esetén a félvezető elektronkoncentrációja a hőmérséklethez kapcsolódik a következő összefüggéssel:
ahol:
- Planck állandó ; az elektron tömege ; az abszolút hőmérséklet ; a vezetési sáv szintje; a Fermi szint .Ezenkívül a félvezetőben lévő lyukak koncentrációja a hőmérséklethez kapcsolódik a következő összefüggéssel:
ahol:
Planck állandója . a lyuk effektív tömege; az abszolút hőmérséklet ; a Fermi szint ; a vegyértéksáv szintje.A belső koncentráció a következő relációval és összefüggéssel függ össze :
Azokat a félvezetőket, amelyekben szabad elektronok és "lyukak" jelennek meg azon atomok ionizációs folyamatában, amelyekből a teljes kristály épül, belső vezetőképességű félvezetőknek nevezzük. A belső vezetőképességű félvezetőkben a szabad elektronok koncentrációja megegyezik a "lyukak" koncentrációjával.
A vezetőképesség a részecskék mozgékonyságához a következő összefüggéssel kapcsolódik:
ahol a fajlagos ellenállás, az elektronok mobilitása , a lyukak mobilitása, a koncentrációjuk, q az elemi elektromos töltés (1,602⋅10 −19 C).
Egy belső félvezető esetében a hordozókoncentrációk azonosak, és a képlet a következőképpen alakul:
Szennyeződés vezetőképességA félvezető eszközök létrehozásához gyakran használnak szennyezett vezetőképességű kristályokat . Az ilyen kristályokat három- vagy ötértékű kémiai elem atomjaival szennyeződések bejuttatásával állítják elő.
Az "n-típusú" kifejezés a "negatív" szóból származik, ami a többségi hordozók negatív töltését jelenti. Az ilyen típusú félvezetők szennyező jellegűek. Egy ötértékű félvezető szennyeződését (például arzén ) adják a négyértékű félvezetőhöz (például szilícium ). A kölcsönhatás során minden szennyező atom kovalens kötésbe lép a szilícium atomokkal. A telített vegyértékkötésekben azonban nincs helye az arzénatom ötödik elektronjának, és átjut a távoli elektronhéjra. Ott kisebb mennyiségű energiára van szükség ahhoz, hogy az elektront leválasszuk az atomról. Az elektron leszakad és szabaddá válik. Ebben az esetben a töltésátvitelt nem lyuk, hanem elektron végzi, vagyis az ilyen típusú félvezető úgy vezeti az elektromos áramot, mint a fémek. Azokat a szennyeződéseket, amelyeket a félvezetőkhöz adnak, amelyek eredményeként azok n-típusú félvezetővé alakulnak, donornak nevezzük .
Az N-félvezetők vezetőképessége megközelítőleg egyenlő:
Lyuk félvezetők (p-típusú)A "p-típus" kifejezés a "pozitív" szóból származik, amely a többségi hordozók pozitív töltését jelöli. Az ilyen típusú félvezetőket a szennyezőbázison kívül a vezetőképesség lyukas jellege is jellemzi. Egy háromértékű elem (például indium ) kis mennyiségű atomját adják egy négyértékű félvezetőhöz (például szilíciumhoz ). Minden szennyező atom kovalens kötést hoz létre három szomszédos szilícium atommal. A negyedik szilíciumatommal való kötés létrehozásához az indium atomnak nincs vegyértékelektronja, így a szomszédos szilíciumatomok közötti kovalens kötésből vegyértékelektront fog be és negatív töltésű ionná válik, aminek következtében lyuk keletkezik. . Az ebben az esetben hozzáadott szennyeződéseket akceptor szennyeződéseknek nevezzük .
A p-félvezetők vezetőképessége megközelítőleg egyenlő:
A félvezető dióda kétféle félvezetőből áll - lyukas és elektronikus. Ezen tartományok közötti érintkezés során az elektronok az n-típusú félvezetővel rendelkező tartományból a p-típusú félvezetővel rendelkező tartományba lépnek át, amelyek aztán újra egyesülnek lyukakkal. Ennek eredményeként a két tartomány között elektromos mező keletkezik, amely határt szab a félvezetők felosztásának - az úgynevezett pn átmenet . Ennek eredményeként a negatív ionok kompenzálatlan töltése a p-típusú félvezető tartományában, a pozitív ionok kompenzálatlan töltése pedig az n-típusú félvezető tartományában keletkezik. A potenciálok közötti különbség eléri a 0,3-0,6 V-ot.
A potenciálkülönbség és a szennyeződés koncentrációja közötti kapcsolatot a következő képlettel fejezzük ki:
ahol a termodinamikai feszültség, az elektronok koncentrációja, a lyukak koncentrációja, a belső koncentráció [1] .
A p-félvezetőre plusz, az n-félvezetőre mínuszos feszültség alkalmazása során a külső elektromos tér a pn-átmenet belső elektromos mezője ellen irányul, és megfelelő feszültség mellett az elektronok legyőzik. a pn-átmenet, és elektromos áram jelenik meg a dióda áramkörében (előrevezetés, a dióda maximális elektromos áramot enged át). Ha mínusz feszültséget adunk a p-típusú félvezető tartományára és plusz az n-típusú félvezető tartományára, akkor a két tartomány között olyan tartomány keletkezik, amely nem rendelkezik szabad elektromos áramhordozókkal (fordított vezetés, a dióda ellenáll az áthaladásnak elektromos áram). A félvezető dióda fordított árama közel nulla, de nem nulla, mivel mindkét tartományban mindig vannak kisebb töltéshordozók. Ezeknél a hordozóknál a pn-elágazás nyitva lesz.
Így a pn átmenet az egyirányú vezetés tulajdonságait mutatja , amelyet a különböző polaritású feszültségek alkalmazása okoz. Ez a tulajdonság a váltakozó áram egyenirányítására szolgál .
A tranzisztor egy olyan félvezető eszköz, amely két p- vagy n-típusú félvezetőt tartalmazó régióból áll, amelyek között egy n- vagy p-típusú félvezető található. Így a tranzisztorban a pn átmenetnek két tartománya van.
Az alábbi táblázat számos félvezető elemről és azok kapcsolatáról nyújt információt, több típusra osztva:
Minden típusú félvezetőnél van egy érdekes függés a sávszélességtől a periódustól, nevezetesen a periódus növekedésével a sávszélesség csökken.
Csoport | IIB | IIIA | IVA | VA | KERESZTÜL |
Időszak | |||||
2 | 5B _ | 6C _ | 7 N | ||
3 | 13 Al | 14 Si | 15p _ | 16S _ | |
négy | 30 Zn | 31 Ga | 32 éves _ | 33As _ | 34 se |
5 | 48 CD | 49 In | 50 sn | 51 Sb | 52 Te |
6 | 80 Hg |
A félvezetők fizikai tulajdonságait a fémekkel és a dielektrikumokkal összehasonlítva vizsgálják a legtöbbet . Ezt nagymértékben nagyszámú olyan fizikai hatás segíti elő, amelyek egyik anyagban sem figyelhetők meg, és a félvezetők sávszerkezetének eszközéhez és meglehetősen szűk sávréshez kapcsolódnak.
A félvezető anyagok tanulmányozásának fő lendülete a félvezető eszközök és integrált áramkörök gyártása - ez elsősorban a szilíciumra vonatkozik , de más félvezető anyagokat is érint ( Ge , GaAs , InP , InSb ).
A szilícium egy közvetett hézagú félvezető , amelynek optoelektromos tulajdonságait széles körben használják fotodiódák és napelemek létrehozására , azonban nehéz szilícium alapú sugárforrást létrehozni, és itt direkt rés félvezetőket használnak - A III B V típusú vegyületeket. , amelyek között megkülönböztethető a GaAs , GaN , amelyeket LED - ek és félvezető lézerek készítésére használnak .
Az abszolút nulla hőmérsékletű belső félvezetőnek a vezetőkkel ellentétben nincsenek szabad hordozói a vezetési sávban , és dielektrikumként viselkedik . Erős doppingolás esetén a helyzet megváltozhat (lásd: degenerált félvezetők ).
A félvezetők elektromos tulajdonságai nagymértékben függhetnek a kristályszerkezet hibáitól . Ezért törekednek nagyon tiszta anyagok felhasználására, elsősorban az elektronikai ipar számára.
A dópolókat a félvezető vezetőképesség nagyságának és típusának szabályozására vezetik be. Például a széles körben használt szilícium adalékolható a periódusos elemrendszer V alcsoportjának elemeivel - foszfor , arzén , amelyek donorok , és elektronikus vezetőképességű szilícium (n-Si) nyerhető. A lyuk típusú vezetőképességű (p-Si) szilícium előállításához a bór vagy alumínium ( akceptor ) III. alcsoportjába tartozó elemeket használnak. Kompenzált félvezetőket is kapunk a Fermi-szint megtalálásához a sávköz közepén.
A félvezetők tulajdonságai az előállítás módjától függenek, mivel a növekedés során a különféle szennyeződések megváltoztathatják őket. Az egykristályos ipari szilícium ipari előállításának legolcsóbb módja a Czochralski-módszer . A technológiai szilícium tisztítására a zónaolvasztás módszerét is alkalmazzák .
A félvezetők egykristályainak előállításához különféle fizikai és kémiai leválasztási módszereket alkalmaznak. A technológusok kezében lévő legprecízebb és legdrágább eszköz az egykristályos fóliák növesztésére a molekuláris sugaras epitaxiás installáció , amely lehetővé teszi a kristályok egyrétegű pontosságú növesztését.
A félvezetők általi fényelnyelés a sávszerkezet energiaállapotai közötti átmeneteknek köszönhető. Tekintettel a Pauli-kizárási elvre , az elektronok csak a töltött energiaszintről mozoghatnak a kitöltetlen szintre. Egy belső félvezetőben a vegyértéksáv minden állapota ki van töltve, és a vezetési sáv minden állapota kitöltetlen, így az átmenet csak a vegyértéksávból a vezetési sávba lehetséges . Az ilyen átmenet végrehajtásához az elektronnak olyan fényből kell energiát kapnia, amely meghaladja a sávközt. Az alacsonyabb energiájú fotonok nem okoznak átmenetet a félvezetők elektronállapotai között, így az ilyen félvezetők átlátszóak abban a frekvencia tartományban , ahol a sávszélesség a Planck -állandó . Ez a frekvencia határozza meg a félvezető alapvető abszorpciós élét . Az elektronikában gyakran használt félvezetők ( szilícium , germánium , gallium-arzenid ) esetében a spektrum infravörös tartományában található.
További korlátozásokat írnak elő a félvezetők általi fényelnyelésre a kiválasztási szabályok , különösen az impulzus-megmaradás törvénye . Az impulzusmegmaradás törvénye megköveteli, hogy a végállapot kvázi -impulzusa az elnyelt foton impulzusának nagyságával térjen el a kezdeti állapot kvázi-impulzusától . A foton hullámszáma , ahol a hullámhossz, nagyon kicsi a félvezető reciprok rácsának hullámvektorához képest , vagy ezzel egyenértékűen a foton hullámhossza a látható tartományban sokkal nagyobb, mint a félvezetőben jellemző atomközi távolság, ami az a követelmény, hogy egy véges állapot kvázi impulzusa az elektronikus átmenet során gyakorlatilag egyenlő legyen a kezdeti állapot kvázi impulzusával. Az alapabszorpciós élhez közeli frekvenciákon ez csak közvetlen rés félvezetők esetén lehetséges . A félvezetők optikai átmeneteit, amelyekben az elektron impulzusa szinte nem változik, közvetlennek vagy függőlegesnek nevezzük . A végállapot impulzusa jelentősen eltérhet a kiindulási állapot lendületétől, ha egy másik, harmadik részecske, például egy fonon vesz részt a foton abszorpciós folyamatában . Ilyen átmenetek is lehetségesek, bár kevésbé valószínű. Ezeket indirekt átmeneteknek nevezzük .
Így a közvetlen hézagú félvezetők, mint például a gallium-arzenid , akkor kezdik erősen elnyelni a fényt, amikor a kvantumenergia meghaladja a sávközt. Az ilyen félvezetők nagyon alkalmasak az optoelektronikában való használatra .
Az indirekt rés félvezetők, például a szilícium , sokkal gyengébb fényt nyelnek el a fény frekvenciatartományában, a kvantumenergiája valamivel nagyobb, mint a sávköz, csak a közvetett átmenetek miatt, amelyek intenzitása a fononok jelenlététől függ, és ezért hőmérséklet . A szilícium közvetlen átmeneteinek határfrekvenciája több mint 3 eV, azaz a spektrum ultraibolya tartományában található.
Amikor egy elektron átmegy a vegyértéksávból a vezetési sávba, szabad töltéshordozók jelennek meg a félvezetőben , és így a fotovezetés .
Az alapvető abszorpciós él alatti frekvenciákon fényelnyelés is lehetséges, ami az excitonok gerjesztésével, a szennyeződési szintek és a megengedett sávok közötti elektronikus átmenetekkel, valamint a rácsrezgéseken és a szabad hordozókon történő fényelnyeléssel jár. Az exciton sávok a félvezetőben valamivel a vezetési sáv alja alatt helyezkednek el az exciton kötési energiája miatt. Az exciton abszorpciós spektrumok energiaszintek hidrogénhez hasonló szerkezetűek. Hasonlóképpen, a szennyeződések, akceptorok vagy donorok akceptor vagy donor szinteket hoznak létre, amelyek a sávban találhatók. Jelentősen módosítják az adalékolt félvezető abszorpciós spektrumát. Ha egy fonon egy fénykvantummal egyidejűleg nyelődik el közvetett rés-átmenet során, akkor az elnyelt fénykvantum energiája a fononenergiával alacsonyabb lehet, ami az alapvető abszorpciós éltől valamivel alacsonyabb energiájú frekvenciákon abszorpcióhoz vezet.
A félvezető vegyületek több típusra oszthatók:
A következő vegyületeket széles körben használják:
A III B Vvalamint néhány ólom-, ón-, germánium-, szilícium-oxid. Az oxidokon kívül ferritet, amorf üvegeket és sok más vegyületet használnak.(A I B III C 2 VI , A I B V C 2 VI , A II B IV C 2 V , A II B 2 II C 4 VI , A II B IV C 3 VI ).
A legtöbb fenti bináris vegyület alapján szilárd oldataik előállíthatók: (CdTe) x (HgTe) 1-x , (HgTe) x (HgSe) 1-x , (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x és mások.
Az A III B V vegyületeket főként mikrohullámú frekvencián működő elektronikai termékekhez használják .
Az A II B V vegyületeket látható tartományú fényporként , LED - ként , Hall-érzékelőként , modulátorként használják.
Az A III B V , A II B VI és A IV B VI vegyületeket fényforrások és vevők, indikátorok és sugárzás modulátorok gyártására használják.
Az oxid félvezető vegyületeket fotocellák , egyenirányítók és nagyfrekvenciás induktormagok gyártására használják .
Lehetőségek | AlSb | GaSb | InSb | Jaj | GaAs | InAs |
---|---|---|---|---|---|---|
Olvadáspont, K | 1333 | 998 | 798 | 1873 | 1553 | 1218 |
Rácsállandó, Å | 6.14 | 6.09 | 6.47 | 5.66 | 5.69 | 6.06 |
Sávköz Δ E , eV | 0,52 | 0.7 | 0.18 | 2.2 | 1.41 | 0,35 |
Dielektromos állandó ε | 8.4 | 14.0 | 15.9 | — | — | — |
Mobilitás, cm²/(V s): | ||||||
elektronok | ötven | 5000 | 60 000 | — | 4000 | 34000 [2] |
lyukakat | 150 | 1000 | 4000 | — | 400 | 460 [2] |
Törésmutató, n | 3.0 | 3.7 | 4.1 | — | 3.2 | 3.2 |
Lineáris hőtágulási együttható , K -1 |
— | 6,9 10 -6 | 5,5 10 -6 | 5,7 10 -6 | 5,3 10 -6 | — |
Vezető anyagok | |
---|---|