Загальні відомості про напівпровідники

Напівпровідники займають проміжний стан між провідниками і діелектриками. Їх питома провідність γ коливається від 10^-9 до 10⁵ См/м або питомий опір ρ = 10^-5÷10⁹ Ом·м. При низьких температурах електропровідність напівпровідників низька. Питома електропровідність провідників при температурі, що близька 0 K збільшується. Зовсім інакше ведуть себе напівпровідники. При зменшенні температури їх питома провідність зменшується, а при Т →0 К напівпровідники зовсім не проводять електричний струм, тобто стають діелектриками. Зате при збільшенні температури провідність γ напівпровідників різко збільшується. Різний характер залежності провідності провідників і напівпровідників від температури, очевидно, можливий лише тому, що в провідниках поява вільних носіїв заряду викликається не зміною температури. Це викликано внутрішньою будовою провідника. А напівпровідникам для появи в них вільних носіїв заряду необхідно надати теплову енергію. Відповідно такі носії заряду називають тепловими. Яким би іншим чином не була підведена додаткова енергія (наприклад: шляхом освітлення, опромінення, дії механічного навантаження, електричне поле і т. д.) в напівпровідниках з’являться додаткові носії заряду, що називаються нерівноважними і електропровідність напівпровідника збільшується.

Рис.5.1. Графіки залежності питомої провідності напівпровідників (1) і металів (2) від температури.

Значний вплив на провідність надає внутрішня структура напівпровідників. Крім цього, введення в напівпровідник навіть невеликої кількості атомів стороннього елементу звичайно різко змінює його електропровідність. Все це відкриває широкі можливості для керування електрофізичними властивостями напівпровідників.

Отже, напівпровідник – це речовина, основною властивістю якої є сильна залежність його електропровідності від дії зовнішніх факторів. Напівпровідниковими властивостями володіє велика кількість найрізноманітніших речовин. Всі напівпровідники можна розділити на прості та складні.

Простим називають такий напівпровідник, основний склад якого утворений атомами одного хімічного елементу. До простих відносять кремній, германій, селен, телур, бор, вуглець, фосфор, сірка, миш’як, сурма, йод, олово.

Структура складних напівпровідників утворена атомами різних хімічних елементів. До цієї групи відносять тверді розчини (наприклад, кремнію і германію) і хімічні з’єднання, що позначаються А_x^mB_y^m. В цій формулі індекси m і n означають номер групи періодичної системи, в яку входить відповідний елемент, а нижні x i y – число атомів цього елементу в з’єднанні. Серед бінарних з'єднань практичне застосування одержали з'єднання А^IIIB^V, А^IIB^VI, A^IVB^IV.

Напівпровідникові з'єднання А^IIIB^V утворюються в результаті взаємодії елементів III-ї підгрупи періодичної таблиці (бору, алюмінію, галію, індію) з елементами V-ї підгрупи (азотом, фосфором, миш'яком, сурмою). З'єднання А^IIIB^V прийнято класифікувати за металоїдним елементом. Відповідно розрізняють нітриди, фосфіди, арсеніди й антимоніди. Одержують ці з'єднання або з розплаву, що містить елементи в рівних атомних концентраціях або з розчину з'єднання, що має в надлишку елементи III групи, а також з газової фази.

Кристали антимонідів, арсенідів галію, індію, як правило, вирощують з розплаву витягуванням з-під інертного газу. Шар рідкого флюсу, що перебуває під тиском інертного газу, забезпечує повну герметизацію тигля й придушує випар летучих компонентів з розплаву. Однак монокристали, отримані з розплаву, мають недостатню високу хімічну чистоту й потребують додаткового очищення.

Особливе положення серед з'єднань А^IIIB^V займає арсенід галію. Більша ширина забороненої зони, висока рухливість електронів дають змогу створювати на його основі прилади, які працюють на високих частотах і при високих температурах. Він використовується для виготовлення світлодіодів, тунельних діодів, діодів Ганна, сонячних батарей і т.д.

Антимонід індію має дуже малу ширину забороненої зони й дуже високу рухливість електронів. Застосовується для виготовлення детекторів в інфрачервоній області спектра, датчиків Холла, термоелектричних генераторів, тензометрів і т.д.

Фосфід галію, що має велику ширину забороненої зони, широко застосовується для виготовлення світлодіодів.

Антимонід галію відрізняється від інших з'єднань групи A^IIIB^V високою чутливістю до механічних напружень. Так, при впливі на зразок тиску його питомий опір збільшується у два рази. Завдяки високій чутливості до механічних деформацій антимонід галію використовується для виготовлення тензометрів.

До напівпровідникових з'єднань A^IIB^VI відносять халькогеніди цинку, кадмію, ртуті. Широкозонні напівпровідники A^IIB^VI мають високу температуру плавлення й високий тиск дисоціації в точці плавлення. Застосовують для виготовлення люмінофорів, фоторезисторів, давачів Холла, приймачів інфрачервоного випромінювання.

Напівпровідники використовують для підсилення і генерації електричних сигналів (транзистори, діоди, інтегральні мікросхеми), в якості первинних перетворювачів температури і джерел теплової енергії (терморезистори і нагріваючі елементи), сигналів (фоторезисттори, світлодіоди, лазери), для перетворення механічних коливань (тензорезистори, п’єзодавачі) і т.д.

Виготовлені з напівпровідникових матеріалів пристрої володіють перевагами, до яких відносяться: 1) великий строк служби; 2) малі габарити й маса; 3) простота і надійність конструкції; 4) споживана мала потужність; 5) економічність при масовому виробництві.