Что такое полупроводники? Полное руководство. К полупроводниковым материалам относятся.

Существуют различные типы полупроводниковых материалов, в зависимости от содержащихся в них примесей и их физической реакции на различные воздействия окружающей среды.

Не кремнием единым: из каких материалов сегодня изготавливают полупроводники

Кризис в производстве кремния показал, насколько сильно мы зависим от полупроводников. Нехватка материалов, вызванная снижением китайского производства в конце 2021 года, привела к росту цен на 300% менее чем за два месяца. Компании и исследователи по всему миру начали еще активнее искать альтернативы кремнию. Компания Hitek рассказывает о наиболее распространенных полупроводниках, используемых в настоящее время, и о тех, которые придут им на смену.

Читайте «Hitech» на.

От «простых» бытовых приборов и компьютеров до солнечных батарей, полевых транзисторов и схем беспилотных летательных аппаратов — все технологии требуют для своей работы полупроводниковых материалов. Современный мир буквально обязан им своим существованием.

Очевидным лидером отрасли на данный момент является кремний. Однако он подходит не для всех устройств; кроме того, физические свойства полупроводников ограничивают возможности дальнейшей миниатюризации чипов, повышения их производительности и создания гибких устройств. К счастью, существуют альтернативные материалы.

Узнайте, как работают полупроводники и какие существуют перспективные альтернативы кремнию для микроэлектроники. Подробнее о рынке в целом читайте в июльском номере нашего журнала Microelectronics Robotics. Чем меньше, тем лучше», подготовленный Центром компетенции НТИ по робототехнике и технологии устройств при Университете Иннополис.

Что такое полупроводник

Полупроводник — это материал, который по удельной проводимости занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Как правило, это кристаллическое твердое вещество. При определенных условиях он проводит электричество и поэтому идеально подходит для управления потоком тока.

Полупроводники обычно проводят небольшой ток или вообще не проводят его. Однако при повышении температуры или под воздействием света они становятся более способными переносить электрические заряды. Кроме того, проводимость полупроводников изменяется при введении примеси — этот процесс называется легированием.

Важное отличие полупроводника от проводника заключается в том, что ток в полупроводнике переносится не только электронами, но и оставляемыми ими вакансиями — дырками. Дырки, которые остаются в валентной полосе, могут быть заняты электронами из более низких энергетических состояний и таким образом способствовать протеканию тока.

Одним из важнейших свойств полупроводника является подвижность носителей заряда (электронов и дырок). Это коэффициент, который показывает связь между средней скоростью частиц и приложенным внешним электрическим полем. Подвижность электронов и дырок может меняться; например, в кремнии отрицательно заряженные частицы движутся почти в три раза быстрее, чем положительно заряженные при комнатной температуре.

Кроме того, полупроводники различаются по ширине полосовой щели. Это минимальная энергия, необходимая электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости. В металлах и других полупроводниках он равен 0, а когда он достигает уровня 4 эВ или более, материал становится диэлектриком.

Еще одно важное свойство полупроводников — теплопроводность. Это показывает, как быстро и легко отводится тепло от компонентов, чтобы защитить устройство от перегрева.

Кремний

Кремний — второй по распространенности химический элемент на Земле после углерода. Его главное преимущество заключается в том, что его легко добывать, кристаллы кремния относительно легко обрабатывать, и он обладает хорошими общими электрическими и механическими свойствами. Хотя он обладает относительно низкой подвижностью электронов и дырок, он по-прежнему является оптимальным материалом для производства микроэлектроники.

Еще одним преимуществом является то, что при использовании в интегральных схемах он образует высококачественный оксид кремния, который служит изолирующим слоем между различными активными элементами.

Комбинации монокристаллических и поликристаллических кремниевых элементов используются для увеличения плотности элементов и скорости работы интегральных схем. А для увеличения проводимости добавляется поликристаллический кремний.

Кремниевые полупроводники широко используются для изготовления интегральных схем, биполярных и полевых транзисторов, приборов с зарядовой связью, высокоскоростных фотодиодов и многих других устройств. А изделия на основе кремния, такие как MOSFET или IGBT, могут использоваться в широком диапазоне напряжений (от единиц до нескольких сотен вольт) и в различных классах мощности.

Что такое полупроводники? Полное руководство

Полупроводники — это материалы, без которых не могла бы существовать современная электроника. Их использование определяется не способностью проводить электричество, а способностью изменять свои электрические свойства, особенно электрическое сопротивление. Это, в свою очередь, позволяет использовать эти материалы в устройствах, обрабатывающих электроэнергию и содержащуюся в ней информацию.

Исходя из их электрических свойств и потенциального применения в электротехнике и электронике, материалы делятся на три основных типа: Проводники, полупроводники и изоляторы.

Полупроводники — это материалы, электрические свойства которых, особенно электрическое сопротивление, могут изменяться в широком диапазоне, в основном за счет легирующих добавок, а также путем нагревания, освещения и т.д.

Способность изменять свойства позволяет использовать полупроводники в очень широком спектре приложений для обработки электрических сигналов. Например: «выпрямление» электричества, усиление электрических сигналов, управление токами, преобразование электричества в свет и света в электричество. Функционирование всех видов компьютерных процессоров, микропроцессоров, микросхем и полупроводниковой памяти также обусловлено свойствами полупроводников.

Строение полупроводников

Использование полупроводников связано с возможностью изменения их электрических свойств. В частности, электрическое сопротивление может быть изменено в широком диапазоне, в основном путем добавления легирующих добавок.

Наиболее часто используемыми полупроводниковыми материалами являются элементы четырнадцатой группы: кремний и германий. Элементы тринадцатой и пятнадцатой групп, такие как арсенид галлия, нитрид галлия и антимонид индия, или элементы двенадцатой и шестнадцатой групп, такие как теллурид кадмия, также являются полупроводниками. Как правило, полупроводниковые материалы производятся в монокристаллической, поликристаллической или порошковой форме. Монокристаллы используются в производстве диодов, транзисторов и интегральных схем. Аморфный кремний используется в фотогальванических элементах и ЖК-дисплеях. Также производятся органические полупроводники, обычно полициклические ароматические соединения, такие как поли(п-фенилен-винилен).

Неорганические полупроводниковые материалы характеризуются так называемой ковалентной связью, при которой атом получает необходимое количество восьми электронов в своей последней оболочке, делясь электроном с атомом, с которым он связан. Атомы образуют пару связывающих электронов, каждый из которых принадлежит другому связывающему атому. Пример такой связи показан на рисунке 1.

Согласно 4-й группе периодической таблицы, кремний и германий имеют по четыре валентных электрона и получают желаемые восемь в последней оболочке, образуя ковалентную связь со своими четырьмя соседями. Пространственное расположение образующих атомов также типично для атомов углерода в структуре алмаза. Такое расположение, типичное для полупроводников, можно представить как тетраэдр с четырьмя атомами кремния в вершинах и одним в центре тетраэдра, причем каждый из атомов в вершине тетраэдра является центром другого тетраэдра. Атомы в вершинах тетраэдра также могут быть размещены в вершинах куба, как на рисунке 2.

В полупроводниковых соединениях между атомами тринадцатой и пятнадцатой групп (и в соединениях атомов двенадцатой и шестнадцатой групп) образуется система, подобная расположению атомов в алмазе, за исключением того, что атомы одного элемента соседствуют с четырьмя атомами другого элемента и образуют между собой поляризованную ковалентную связь. В образовании ковалентных связей участвуют 3 валентных электрона тринадцатой группы элементов и 5 электронов пятнадцатой группы периодической таблицы (2 и 6 в соединениях двенадцатой и шестнадцатой групп, соответственно).

В органических полупроводниках углеродные кольца обычно встречаются там, где между атомами углерода имеется двойная связь. Поскольку одна из этих связей намного слабее, она легко разрывается и высвобождает электрон.

Механизм электрической проводимости

Физическими величинами, по которым материал можно отнести к полупроводникам, являются электрическое сопротивление и полосовая щель.

Электрическое сопротивление — это мера способности материала сопротивляться протеканию электрического тока. Он обозначается буквой p и может быть описан следующей формулой.

ρ = R * S / l

где: R — удельное сопротивление материала, S — площадь поперечного сечения элемента и l — длина элемента. Единицей измерения удельного сопротивления является Ом∙м.

Классификация материалов на основе удельного сопротивления:

Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление металлов, полупроводников и изоляторов

Как показано в таблице 1, удельное сопротивление материалов изменяется в очень широком диапазоне — разница между металлами и изоляторами составляет более 30 порядков. Даже удельное сопротивление данного материала может изменяться в довольно широком диапазоне (для алмаза, например, оно составляет от 10 11 Ом∙м до 10 18 Ом∙м). Эти различия обусловлены способом изготовления материала, несовершенствами, возникающими в кристаллической структуре, степенью содержания примесей и т.д.

В полупроводниках электрическое сопротивление изменяется в основном за счет введения сплавов, которые увеличивают количество носителей электрической энергии. Добавление легирующих элементов контролируемым образом изменяет электрическое сопротивление полупроводника на несколько порядков.

Энергетический зазор определяет энергию, которую должны затратить электроны, связанные с атомом, чтобы стать свободными электронами и, следовательно, носителями тока. Согласно теории полосы проводимости, это энергия, которой должны достичь электроны, имеющие энергию, соответствующую валентной полосе, чтобы достичь энергии, соответствующей полосе проводимости.

Примечание. Теория электронной полосы (электронная структура полосы, структура полосы) — это квантовая теория для описания электронной структуры твердых тел. Модель полосы графически представляет диапазоны разрешенных и возбужденных состояний электронных энергетических полос в материале.

Это также минимальная энергия, которую испускает электрон — обычно в виде электромагнитного излучения — при переходе из энергетического состояния в полосе проводимости в энергетическое состояние в валентной полосе. Размер запрещенной зоны определяет количество свободных носителей заряда и поэтому оказывает значительное влияние на электрическое сопротивление.

Концентрация носителей заряда в металлах составляет около 10 22 на кубический сантиметр, в собственных полупроводниках при комнатной температуре от 10 6 до 10 10 на кубический сантиметр, в зависимости от материала, а в легированных полупроводниках от 10 12 до 10 20 на кубический сантиметр.

Примечание. Допированные полупроводники — это материалы, в которые включены атомы элементов, отличных от природного полупроводника. Замена атома полупроводника на соответствующий атом легирования приводит к избытку или недостатку электронов, что в свою очередь приводит к увеличению числа носителей тока (электронов или дырок) и, таким образом, к уменьшению удельного сопротивления полупроводника при заданной температуре. В полупроводниковых соединениях эффект легирования может быть достигнут за счет неравного количества атомов элементов связи.

Типы полупроводников, энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решетке разделены на две группы энергетических уровней — свободную полосу, которая находится на самом высоком уровне и определяет электропроводность полупроводников, и валентную полосу, которая находится ниже. В зависимости от симметрии кристаллической решетки и состава атомов, эти уровни могут перекрываться или быть удаленными друг от друга. В последнем случае между полосами образуется энергетическая щель или, другими словами, запрещенная зона.

Расположение и заполнение областей определяет проводящие свойства вещества. На этом основана классификация веществ на проводники, изоляторы и полупроводники. Энергетический зазор полупроводника находится в пределах 0,01-3 эВ, а энергетический зазор диэлектрика — более 3 эВ. В металлах нет энергетических разрывов из-за перекрытия уровней.

Полупроводники и диэлектрики, в отличие от металлов, имеют валентную полосу, заполненную электронами, и ближайшую свободную полосу или полосу проводимости, отделенную от валентной полосы энергетическим зазором — областью запрещенных энергий электронов.

Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

В диэлектриках тепловой энергии или незначительного электрического поля недостаточно, чтобы вызвать скачок через этот зазор, электроны не попадают в полосу проводимости. Они не могут перемещаться через кристаллическую решетку и становиться носителями электрического тока.

Чтобы возбудить проводимость, необходимо подвести к электрону в валентной плоскости достаточно энергии, чтобы закрыть энергетический зазор. Только при поглощении количества энергии, равного величине энергетического зазора, электрон будет переведен из валентной плоскости в плоскость проводимости.

Если ширина энергетической щели превышает 4 эВ, то стимулировать проводимость полупроводника излучением или нагревом практически невозможно — энергии возбуждения электронов при температуре плавления недостаточно для преодоления энергетической щели. При нагревании кристалл плавится до того, как начинается электронная проводимость. Такими материалами являются кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ) и многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы обладают собственной проводимостью. Такие полупроводники называются внутренними полупроводниками. Собственный полупроводник содержит равное количество дырок и свободных электронов. При нагревании собственная проводимость полупроводников увеличивается. При постоянной температуре существует динамическое равновесие между количеством образовавшихся электронно-дырочных пар и количеством рекомбинированных электронов и дырок, которое остается постоянным при определенных условиях.

Наличие примесей существенно влияет на электропроводность полупроводников. Их добавление увеличивает число свободных электронов для небольшого числа дырок и увеличивает число дырок для небольшого числа электронов на уровне проводимости.

Примесные полупроводники — это проводники, обладающие примесной проводимостью. Примеси, которые легко отдают электроны, называются донорными примесями. Донорные примеси могут быть химическими элементами с атомами, валентные уровни которых содержат больше электронов, чем атомы основного материала. Фосфор и висмут, например, являются донорными примесями кремния.

Энергия, необходимая электрону для перехода в область проводимости, называется энергией активации. Примесные полупроводники требуют гораздо меньше энергии, чем основной материал. При небольшом нагревании или освещении высвобождаются в основном электроны легирующих атомов полупроводника. Место покинутого электрона занимает дырка. Однако рекомбинация электронов в дырки практически не происходит. Проводимость донорных отверстий пренебрежимо мала. Это связано с тем, что малое количество атомов допанта не позволяет свободным электронам часто приближаться и занимать дырку. Электроны находятся рядом с дырками, но не могут заполнить их из-за недостаточного энергетического уровня.

Типы полупроводников, собственная проводимость

Небольшое добавление допантов увеличивает число электронов проводимости на несколько порядков по сравнению с числом свободных электронов в исходном полупроводнике. Здесь электроны являются основными носителями заряда легирующих полупроводниковых атомов. Такие вещества называются полупроводниками n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая количество дырок в полупроводнике, называются акцепторными примесями. Акцепторные примеси — это химические элементы с меньшим количеством электронов в валентной плоскости, чем в родительском полупроводнике. Бор, галлий и индий являются акцепторными примесями для кремния.

Одноэлементные полупроводники

Наиболее часто используемым полупроводником является, конечно же, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников с аналогичной кристаллической структурой.

Кристаллическая структура Si и Ge такая же, как у алмаза и а-олова. В этой структуре каждый атом окружен четырьмя соседними атомами, образующими тетраэдр. Такая координация называется четырехсторонней координацией. Тетраэдрические связанные кристаллы стали незаменимыми в электронной промышленности и играют ключевую роль в современных технологиях. Некоторые элементы V и VI групп периодической таблицы также являются полупроводниками. Примерами полупроводников этого типа являются фосфор (P), сера (S), селен (Se) и теллур (Te). В этих полупроводниках атомы могут иметь тройную (P), двойную (S, Se, Te) или четверную координацию. Поэтому эти элементы могут существовать в различных кристаллических структурах, а также могут быть получены в виде стекла. Например, Se был разработан в моноклинной и треугольной кристаллических структурах или в виде стекла (которое также можно считать полимером).

Типы полупроводников, кремний

• 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.

Приложения

Полупроводники широко используются в качестве сырья для сборки электронных компонентов, которые являются частью нашей повседневной жизни, например, интегральных схем.

Одним из основных компонентов интегральной схемы являются транзисторы. Функция этих устройств заключается в обеспечении выходного сигнала (осциллирующего, усиленного или выпрямленного) в ответ на определенный входной сигнал.

Кроме того, полупроводники также являются основным материалом диодов, которые используются в электронных схемах для пропускания тока в одном направлении.

Внешние контакты полупроводниковых типов P и N формируются для построения диодов. Чередование элементов носителя заряда и донорного электрона активирует механизм равновесия между двумя полосами.

Таким образом, электроны и дырки перекрываются в обеих полосах и дополняют друг друга, когда это необходимо. Это происходит двумя способами:

— Происходит перенос электронов из полосы N-типа в полосу P-типа. В полосе N-типа доминирует полоса положительного заряда.

— Происходит перенос дырок, несущих электроны, из зоны P-типа в зону N-типа.

Наконец, создается электрическое поле, которое заставляет ток течь только в одном направлении — от зоны N-типа к зоне P-типа.

Используя комбинации внутренних и внешних полупроводников, можно также получить устройства, выполняющие функции, аналогичные вакуумной трубке, объем которой в сто раз больше.

В этом типе приложений используются интегральные схемы, такие как микропроцессорные чипы, которые требуют значительного количества электроэнергии.

Полупроводники используются в электронных устройствах, которые мы используем в повседневной жизни, например, в устройствах коричневой линии, таких как телевизоры, видеоаппаратура, аудиоаппаратура, компьютеры и мобильные телефоны.

Примеры

Наиболее часто используемым полупроводником в электронной промышленности является кремний (Si) — материал, используемый в интегральных схемах нашей повседневной жизни….

Германий и кремниевые сплавы (SiGe) используются в высокоскоростных интегральных схемах для радаров и в усилителях для электрических инструментов, таких как электрогитары.

Другим примером полупроводника является арсенид галлия (GaAs), который часто используется в усилителях сигнала, особенно для сигналов с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума.

Почему полупроводники?

Основной причиной использования полупроводников (материалов, лежащих в основе полупроводников) в производстве электронных устройств и компонентов является возможность легко контролировать проводимость носителей заряда, т.е. электронов и дырок.

Как уже упоминалось, электропроводность полупроводниковых материалов лежит между проводниками и изоляторами. Эта проводимость также может контролироваться внешними или внутренними факторами, такими как электрические поля, магнитные поля, свет, температура и механическая деформация.

Если не принимать во внимание внешние факторы, такие как температура и свет, полупроводниковые материалы обычно подвергаются процессу легирования, в ходе которого в их структуру вводятся примеси, изменяющие их структурные и электрические свойства.

Чистый полупроводник называется внутренним полупроводником, а нечистый или легированный полупроводник называется внешним полупроводником.

Если после легирования число свободных электронов в полупроводниковой структуре увеличивается, она называется полупроводником n-типа; если увеличивается число дырок, она называется полупроводником p-типа.

Собственная проводимость полупроводников

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, движение освобожденных электронов и «дырок» неупорядочено и поэтому не генерирует электрический ток.

Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (противовращательное) движение и образуют электрический ток. Проводимость в этих условиях называется внутренней проводимостью полупроводников. Движение электронов приводит к электронной проводимости, а движение дырок — к дырочной проводимости.

Различные типы полупроводниковых приборов

Ниже приведен краткий список наиболее часто используемых полупроводниковых приборов. В зависимости от физической конструкции устройства, следующий список делится на двухполюсные и трехполюсные устройства.

Двухконтактные полупроводниковые приборы

• Диод
• Диод Шоттки
• Светоизлучающий диод (LED)
• DIAC
• Стабилитрон
• Фотодиод (фототранзистор)
• PIN-диод
• Лазерный диод
• Туннельный диод
• Фото ячейка
• Солнечная батарея
• Диод Ганна
• IMPATT диод
• TVS-диод (диод для подавления переходных напряжений)
• VCSEL (лазер с вертикальным резонатором, излучающий поверхность)

Трехконтактные полупроводниковые приборы

• Биполярный транзистор
• Полевой транзистор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
• Транзистор Дарлингтона
• Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
• ТРИАК
• Тиристор
• Однопереходный транзистор

Существуют также некоторые полупроводниковые приборы с четырьмя выводами, например, оптопары (оптопары) и датчик Холла.

Применение полупроводниковых приборов

Как упоминалось ранее, полупроводники составляют основу почти всех электронных устройств. Некоторые области применения полупроводниковых приборов:

• Транзисторы — основные компоненты в различных интегральных схемах, таких как микропроцессоры.
• Фактически, они являются основными компонентами в конструкции логических вентилей и других цифровых схем.
• Транзисторы также используются в аналоговых схемах, таких как усилители и генераторы.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы обладают собственной проводимостью. Такие полупроводники называются внутренними полупроводниками. Собственный полупроводник содержит равное количество дырок и свободных электронов. При нагревании собственная проводимость полупроводников увеличивается. При постоянной температуре существует динамическое равновесие между количеством образовавшихся электронно-дырочных пар и количеством рекомбинированных электронов и дырок, которое остается постоянным при определенных условиях.

Наличие примесей существенно влияет на электропроводность полупроводников. Их добавление увеличивает число свободных электронов для небольшого числа дырок и увеличивает число дырок для небольшого числа электронов на уровне проводимости.

Примесные полупроводники — это проводники, обладающие примесной проводимостью. Примеси, которые легко отдают электроны, называются донорными примесями. Донорные примеси могут быть химическими элементами с атомами, валентные уровни которых содержат больше электронов, чем атомы основного материала. Фосфор и висмут, например, являются донорными примесями кремния.

Энергия, необходимая электрону для перехода в область проводимости, называется энергией активации. Примесные полупроводники требуют гораздо меньше энергии, чем основной материал. При небольшом нагревании или освещении высвобождаются в основном электроны легирующих атомов полупроводника. Место покинутого электрона занимает дырка. Однако рекомбинация электронов в дырки практически не происходит. Проводимость донорных отверстий пренебрежимо мала. Это связано с тем, что малое количество атомов допанта не позволяет свободным электронам часто приближаться и занимать дырку. Электроны находятся рядом с дырками, но не могут заполнить их из-за недостаточного энергетического уровня.

Типы полупроводников, собственная проводимость

Небольшое добавление допантов увеличивает число электронов проводимости на несколько порядков по сравнению с числом свободных электронов в исходном полупроводнике. Здесь электроны являются основными носителями заряда легирующих полупроводниковых атомов. Такие вещества называются полупроводниками n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая количество дырок в полупроводнике, называются акцепторными примесями. Акцепторные примеси — это химические элементы с меньшим количеством электронов в валентной плоскости, чем в родительском полупроводнике. Бор, галлий и индий являются акцепторными примесями для кремния.

Виды полупроводников

Количество веществ, на которые можно классифицировать полупроводники в зависимости от размера и типа проводимости.

По характеру проводимости

Электрический ток — что это такое

В зависимости от того, является ли это чистое вещество или в него были внесены примеси, проводимость может иметь различный характер.

Собственная проводимость

Свободные электроны и дырки могут возникать в чистых материалах по различным причинам. В результате получается собственная проводимость.

Это важно: внутренняя проводимость характеризуется равной концентрацией дырок и электронов.

Внутренняя проводимость германия

Примесная проводимость

Большинство полупроводников, образованных из четырехвалентных атомов, обладают собственной проводимостью. Если намеренно ввести примеси третьей или пятой силы, то получаются кристаллы с примесной проводимостью, в которых число дырок и электронов напрямую зависит от типа и количества примесных атомов на единицу объема чистого вещества.

По виду проводимости

Выше было рассмотрено, что в полупроводниках в процессе переноса заряда участвуют не только «обычные» электроны, но и обычные положительные заряды — дырки. Поэтому в полупроводниковых материалах существует два типа проводимости.

Электронные полупроводники (n-типа)

Присутствие примеси в четырехвалентном материале заставляет пятый электрон примеси перемещаться на более высокую орбиту, так что для его высвобождения требуется небольшое количество энергии.

Такие легированные полупроводники называются веществами n-типа, что происходит от слова «отрицательный». Примеси в этом случае называются донорными, поскольку они способствуют появлению свободных электронов в веществе.

Дырочные полупроводники (р-типа)

При добавлении трехвалентной примеси происходит обратное: в кристаллической решетке четырехвалентного материала примесь принимает на себя недостающий электрон, и в основном материале образуется дырка. Такие примеси называются акцепторными, а полупроводниковая примесь называется p-типом, потому что «положительный» — положительный.

Одноэлементные полупроводники

Наиболее часто используемым полупроводником является, конечно же, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников с аналогичной кристаллической структурой.

Кристаллическая структура Si и Ge такая же, как у алмаза и а-олова. В этой структуре каждый атом окружен четырьмя соседними атомами, образующими тетраэдр. Такая координация называется четырехсторонней координацией. Тетраэдрические связанные кристаллы стали незаменимыми в электронной промышленности и играют ключевую роль в современных технологиях. Некоторые элементы V и VI групп периодической таблицы также являются полупроводниками. Примерами полупроводников этого типа являются фосфор (P), сера (S), селен (Se) и теллур (Te). В этих полупроводниках атомы могут иметь тройную (P), двойную (S, Se, Te) или четверную координацию. Поэтому эти элементы могут существовать в различных кристаллических структурах, а также могут быть получены в виде стекла. Например, Se был разработан в моноклинной и треугольной кристаллических структурах или в виде стекла (которое также можно считать полимером).

Типы полупроводников, кремний

• 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.