Урок №21. Поняття про електронну провідність, власна й домішкова провідності, діркова провідність, донорні й акцепторні суміші, поняття про p-n переходи та їх властивості.
Д/з ст. 71-86
https://naurok.com.ua/urok-elektroprovidnist-napivprovidnikiv-vlasna-ta-domishkova-providnist-p-n-perehid-napivprovidnikoviy-diod-101431.html
Напівпровідникові матеріали поділяються на:
1) прості напівпровідники (хімічні елементи),
2) напівпровідникові хімічні сполуки;
3) багатофазні напівпровідники (композиції);
4) склоподібні і рідкі напівпровідники.
ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ З ВЛАСТИВОСТЯМИ НАПІВПРОВІДНИКІВ
З простих напівпровідників найбільш вживаними є германій, кремній і селен .
Германій. Кількість германія в земній корі невелика. У результаті хімічної переробки вихідної сировини утвориться тетрахлорид германія, який переводять у двоокис германія (GеО2) - порошок білого кольору. Двоокис германія відновлюється у водневій печі при температурі 650-700°С до елементарного германія, що представляє собою сірий порошок. Злитки германія використовують як вихідний матеріал для одержання особливо чистого германія методом зонної плавки або ж для безпосереднього одержання монокристалів методом витягування з розплаву. У германії в невеликих концентраціях звичайно присутні Ni, Са, Сu, Мn, Аs, Fе, Si. Германій застосовується для виготовлення випрямлячів перемінного струму на різні потужності, транзистори різних типів. З нього виготовляються датчики е.р.с. Холла й інших гальваномагнітних ефектів, застосовувані для вимірювання напруженості магнітного поля, струмів і потужності і т.д. Оптичні властивості германія дозволяють використовувати його для виготовлення фототранзисторів і фоторезисторів, оптичних лінз із великою світлосилою (для інфрачервоних променів), оптичних фільтрів,, модуляторів світла і коротких радіохвиль. Германієві прилади повинні бути захищені від вологи.
Кремній, як і германій, відноситься до ковалентних кристалів четвертої групи таблиці Менделєєва і має кубічні ґратки типу алмаза. Це один з найбільш розповсюджених елементів земної кори. Електропровідність кремнію, як і германія, дуже сильно залежить від присутності домішок. Використовується для виготовлення діодів, тріодів, фотоелементів.
Селен. Елемент шостої групи таблиці Менделєєва. Існує в декількох різновидах - як аморфних, так і кристалічних. Сірий кристалічний селен має гексагональну структуру. Питомий опір селена змінюється в дуже широких межах і залежить від роду і концентрації домішок, температури і освітленості. Домішки галоїдів (хлору, брому, йода) зменшують питомий опір селена, якщо концентрація цих домішок менше 5-10-4% за вагою. При подальшому збільшенні вмісту цих домішок опір зростає. Домішки телуру, ртуті і ряду інших металів збільшують опір технічно чистих зразків селена. Селен застосовується для виготовлення випрямлячів і фотоелементів із замикаючим шаром. Пробій селенових випрямлячів відбувається при перенапрузі з амплітудою порядку 80 В, причому в ряді випадків пробите місце заплавляється шаром аморфного селена з дуже малою провідністю, і випрямляч може продовжувати роботу. Температурний інтервал роботи селенових випрямлячів складає від -60 до +75° С. Чутливість селенових фотоелементів залежить від довжини хвилі падаючого світла і доходить до 500мкА/лм. Коефіцієнт корисної дії селенового фотоелемента малий - близько 0,2%.
ДОМІШКОВІ НАПІВПРОВІДНИКИ
Домішкові напівпровідники використовуються у більшості напівпровідникових приладах. У робочому інтервалі температур постачальниками вільних носіїв зарядів у таких напівпровідниках є домішки. Під домішками в напівпровідникових хімічних сполуках розуміють:
1) включення атомів сторонніх елементів;
2) надлишкові атоми елементів, що входять у хімічну формулу самого з'єднання;
3) дефекти кристалічних ґрат: порожні вузли, атоми або іони між вузлами ґрат, дислокації або зсуви, що виникають при пластичній деформації кристала, мікротріщини.
Якщо домішкові атоми знаходяться у вузлах кристалічних ґрат, то вони називаються домішками заміщення, а якщо між вузлами − то домішками впровадження. Донори й акцептори. Домішки, що поставляють електрони в зону провідності напівпровідника називають донорами.
Домішки, що захоплюють електрони з валентної зони напівпровідника, називають акцепторами . Носії заряду, концентрація яких у даному напівпровіднику більше, звуться основними, а ті, концентрація яких менше − неосновними. Так, у напівпровіднику n-типу електрони є основними носіями, а дірки - неосновними. У напівпровіднику р-типу основні носії - дірки, а неосновні - електрони. Домішкова електропровідність для своєї появи вимагає менших енергетичних впливів (0,01-0,1 еВ), ніж власна, тому вона має місце при нижчих температурах, ніж власна електропровідність напівпровідника.
ДОМІШКИ ЗАМІЩЕННЯ
Ковалентні структури типу алмаза. Германій і кремній - елементи четвертої групи таблиці Менделєєва - мають структуру алмаза, у якій кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. У даній структурі діють ковалентні зв'язки. Валентні електрони закріплені за своїми атомами і не переміщуються по кристалу. Якщо на місце одного з атомів напівпровідника (у даному випадку германія) у який-небудь вузол ґратки попадає сторонній атом іншої хімічної природи й іншої валентності, то система валентних зв'язків у цьому місці кристала виявляється порушеною .
ДОМІШКИ ВПРОВАДЖЕННЯ
Структури типу алмаза. Тип електропровідності визначається розмірами і величиною негативного заряду домішкових атомів, що впроваджуються між вузлами ґрат напівпровідників IV групи періодичної системи. Якщо атом Ge або Si під енергетичним впливом потрапляє між вузлами, то утворяться два домішкові рівні: донорський впровадженого атома й акцепторний порожнього вузла. Іонні структури. Атоми металів можуть впроваджуватися в тісні проміжки між вузлами іонних ґрат лише в тому випадку, якщо вони різко зменшують свої розміри, позбавившись зовнішніх електронів, що обумовлюють електропровідність n-типу. Іони багатьох металоїдів, що мають великі діаметри, не можуть впроваджуватися між вузлами іонних з'єднань.
НАПІВПРОВІДНИКОВІ ХІМІЧНІ СПОЛУКИ І МАТЕРІАЛИ НА ЇХНІЙ ОСНОВІ
Напівпровідникові хімічні сполуки складаються з елементів різних груп таблиці Менделєєва, що відповідають загальним формулам АІVВІV (наприклад, SiС), АІІІВV (InSb, GaAs, Ga), АIIВVI (Cd, ZnSe), а також деякі окисли (наприклад, Сu2О) і речовини складного складу.
Карбід кремнію. Це з'єднання елементів IV групи таблиці Менделєєва: кремнію і вуглецю (АIVВIV), що відповідає формулі SiC. Карбід кремнію містить 70,045% Si і 29,955% C (за вагою). У природі цей матеріал зустрічається вкрай рідко. Електропровідність кристалів SiC при нормальних температурах – домішкова, коливається в широких межах і збільшується з температурою. Електропровідність порошкоподібного карбіду кремнію залежить від електропровідності зерен вихідного матеріалу, напруженості електричного поля і температури. Карбід кремнію в електротехніці застосовується для виготовлення резисторів для вентильних розрядників, що захищають лінії передачі високої напруги й апаратуру, для виробництва низьковольтних варисторів (варистор – це резистор з нелінійною вольт-амперною характеристикою), для цілей автоматики, обчислювальної техніки і електроприладобудування, для виготовлення сілітових стержнів нагрівачів високотемпературних електричних печей і т.п.
Арсенід галію – це з'єднання АIIIВV . Ширина забороненої зони дещо перевищує ширину забороненої зони германія і кремнію. При цьому рухливість електронів у нього вище, ніж у германія і кремнію, а рухливість дірок порівнянна з такий для кремнію. Цинк, кадмій, мідь є акцепторами, рівні яких лежать вище діапазона валентної зони від 0,08 до 0,37 еВ. Донорами є сірка, селен, телур, а також елементи IV групи таблиці Менделєєва. З арсеніду галію виготовляють фотоелементи з к.к.д. порядку 7%, дозиметри рентгенівського випромінювання, тунельні діоди, напівпровідникові лазери. Напівпровідникові прилади з арсеніду галію здатні працювати до температури 450°С.
Антимонід індію. Одержують сплавкою високочистих індію і сурьми. Матеріал проходить зонне очищення, а монокристали з нього роблять методом витягування. Фотопровідність InSb охоплює широку область, що лежить в інфрачервоній частині спектра, доходячи до 8 мк. Максимум фотопровідності відповідає довжині хвилі 6,7 мк. Антимонід індію застосовується для виготовлення фотоелементів високої чутливості, а також для термоелектричних генераторів і холодильників.
З’єднання АIIВVI (сульфіди). Сірчистий свинець (РbS), сірчистий вісмут (Вi2S3) і сірчистий кадмій (CdS) використовуються для виготовлення фоторезисторів і люмінофорів.
Окисли. Закис міді (Cu2O) – напівпровідник p–типу. Провідність сильно залежить від домішок, термічної обробки і температури. З окислених мідних пластин, на поверхні яких утворився шар закису міді, були отримані перші типи напівпровідникових випрямлячів і фотоелементів. З часом міднозакисневі випрямлячі старіють, що призводить до падіння струму. Серед інших напівпровідників-окислів - окис цинку (ZnO) – напівпровідник n–типу, і двоокис титану TiO2. Напівпровідникові окисли використовуються для виготовлення фоторезисторів, терморезисторів, випрямлячів і т.п.
Запитання для самоперевірки:
1. Як класифікують напівпровідникові матеріали?
2. Які хімічні елементи напівпровідники ви знаєте?
3. З яких груп хімічних елементів періодичної таблиці формуються напівпровідники хімічні сполуки?
4. Яким чином домішки впливають на провідність напівпровідникових хімічних сполук?