7 НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ


7.1 Електропровідність напівпровідників

Електропровідність напівпровідників залежить від напруженості електричного поля. При низьких значеннях напруженості до деякого критичного значення Ek виконується закон Ома і питома провідність не залежить від напруженості поля, а при більш високих напруженостях поля починається інтенсивне зростання питомої провідності за експонентним законом, що приводить до руйнування структури напівпровідника. З ростом температури питома провідність збільшується. Для ряду напівпровідників залежність питомої провідності від напруженості поля описується виразом:

де γ – питома провідність напівпровідника при Е < Еk;
β – коефіцієнт, що характеризує властивості напівпровідника.

Зростання провідності зумовлене ростом числа носіїв заряду. При подальшому зростанні поля може з’явитися механізм ударної іонізації, що приводить до руйнування структури напівпровідника.

Найбільш важливі технічні застосування напівпровідників засновані на створенні в одному матеріалі контактувальних областей з різними типами електропровідності – (р-n-переходів), з однією електропровідностю, але різної величини (n-n+ або p-p+), а також контактів метал-напівпровідник, метал-діелектрик-напівпровідник і т. д. Для найбільш широко використовуваних напівпровідників ширина забороненої зони складає від 0,5 до 2,5 еВ.

7.1.1 Власний напівпровідник

На рисунку 7.1, а наведена енергетична діаграма власного напівпровідника, тобто такого, у якого електрони в зону вільних енергетичних рівнів можуть переходити лише із заповненої електронами зони. Розподіл електронів по рівнях енергії, зображений на рисунку 7.1, а, відповідає деякій температурі Т, при якій у зону провідності перейшло декілька електронів, утворивши у валентній зоні відповідне число дірок.

Рисунок 7.1 – Вплив домішок на енергетичну діаграму напівпровідників
а) для власного напівпровідника, б) для напівпровідників з донорною домішкою електронної електропровідності (n-типу), в) для напівпровідників з акцепторною домішкою діркової електропровідності (р-типу)

Оскільки при кожному порушенні рівноважного стану у власному напівпровіднику одночасно створюються два заряди протилежних знаків, то загальна кількість носіїв заряду буде в два рази більша числа електронів у зоні провідності, тобто:

де індекс i (в концентрації електронів і дірок) означає, що це власні носії зарядів.

У розглянутому випадку питома провідність:

де un , up – рухливість, відповідно, електронів і дірок.

В результаті процесів збудження і рекомбінації при будь-якій температурі тіла встановлюється рівноважна концентрація збуджених носіїв:

електронів

або дірок

де Dw – ширина забороненої зони напівпровідника;
Nc – число енергетичних рівнів в одиниці об’єму напівпровідника у вільній зоні (зоні провідності);
Nв  – те ж у валентній зоні.

Коефіцієнт 2 показує, що на кожному рівні можуть знаходитися два електрони.

Рухливості електронів un і дірок up неоднакові. Електрони і дірки мають різну інертність при русі в кристалічних ґратках напівпровідника, тобто відрізняються один від одного  ефективними масами mn і mp.  У більшості     випадків    mn < mp .   Звідки,   власна   електропровідність напівпровідників має переважно слабо виражений електронний характер.

7.1.2 Домішкові напівпровідники

Для більшості напівпровідникових приладів використовуються домішкові напівпровідники. Тому в практиці важливе значення мають такі напівпровідникові матеріали, у яких відчутна концентрація власних носіїв заряду, тобто напівпровідники з досить широкою забороненою зоною.

У робочому інтервалі температур постачальниками вільних носіїв заряду є домішки. Домішками в простих напівпровідниках служать іншорідні атоми. Під домішками в напівпровідникових хімічних сполуках розуміють не тільки включення атомів чужорідних елементів, але й надлишкові за стехіометричним складом атоми тих самих елементів, що входять у хімічну формулу самої сполуки. Крім того, роль домішок відіграють усілякі дефекти кристалічних ґраток: порожні вузли, атоми або іони в міжвузлових ґратках, дислокації або зрушення, що виникають при пластичній деформації кристалів, мікротріщини та інші. Якщо домішкові атоми знаходяться у вузлах кристалічних ґраток, то вони називаються домішками заміщеннями, а якщо між вузлами – домішками впровадження.

Донори й акцептори – це домішки, атоми яких створюють дискретні енергетичні рівні в межах забороненої зони напівпровідника. При невеликій концентрації домішок їхні атоми розташовані в ґратках напівпровідника на таких великих відстанях один від одного, що вони не взаємодіють, а тому енергетичні рівні їх майже такі ж, як в окремому вільному атомі. Ймовірність безпосереднього переходу електронів з одного домішкового атома до іншого мізерно мала. Однак домішки можуть або поставляти електрони в зону провідності напівпровідника, або приймати їх з рівнів його валентної зони.

Донори. Заповнені при відсутності зовнішніх енергетичних впливів (тепло, світло) домішкові рівні розташовані в забороненій зоні біля «дна» зони провідності (див. рис. 7.1, б). При цьому енергія активації домішкових атомів менша, ніж ширина забороненої зони основного напівпровідника, а тому при нагріванні тіла перекидання електронів домішок буде випереджати збудження електронів ґратки. Позитивні заряди, що виникли у віддалених один від одного домішкових атомах (див. рис. 7.1, б) (рівні домішок показані з розривами), залишаються локалізованими, тобто не можуть переміщуватись по кристалу і брати участь в електропровідності. Напівпровідник з такою домішкою має концентрацію електронів, більшу, ніж концентрація дірок, що з’явилися за рахунок переходу електронів з валентної зони в зону провідності, і його називають напівпровідником n-типу, а домішки, що поставляють електрони в зону провідності – донорами.

Акцептори. Інші домішки можуть внести незаповнені рівні, що розташовуються в забороненій зоні основного напівпровідника у верхній частині валентної зони. Теплове порушення буде в першу чергу перекидати електрони з валентної зони на ці вільні домішкові рівні. Через роз’єднаність атомів домішки електрони, закинуті на домішкові рівні, не беруть участь в електричному струмі. Такий напівпровідник буде мати концентрацію дірок більшу, ніж концентрація електронів, що перейшли з валентної зони в зону провідності, і його відносять до р-типу. Домішки, що захоплюють електрони з валентної зони напівпровідника, називаються акцепторами (див. рис. 7.1, в).

Для просторових структур, які визначають види електропровідності напівпровідників, важливу роль відіграють домішки заміщення.

Ковалентні структури типу алмаза. Германій, кремній – елементи IV групи таблиці Менделєєва мають структуру алмаза, в якій кожний атом знаходиться між чотирма сусідніми (рис. 7.2, а). В такій структурі діють ковалентні зв’язки. Валентні електрони закріплені за своїми атомами і не переміщуються по кристалу. Якщо на місце одного з атомів потрапить сторонній атом іншої хімічної природи, то система валентних зв’язків буде порушена. В цьому випадку може бути два випадки. На рис. 7.2, б наведена кристалічна ґратка германію з домішкою миш’яку (V група), на зовнішній орбіті якого знаходиться п’ять електронів. Потрапивши в вузол германія і зв’язавши чотири зі своїх електронів, така домішка дає слабо зв’язаний електрон 1, який дрейфує по кристалу, а під дією електричного поля направлено рухається (з’являється електропровідність типу n). Атом домішки (миш’яку), що втратив електрон, є додатно зарядженим і нерухливо закріпленим в ґратці напівпровідника. Така домішка буде донором.

На рис. 7.2, в наведена кристалічна ґратка германія з домішкою елемента III групи – індію, що має три валентних електрони. Така домішка в ґратці германія утворює дірку. Індій може взяти електрон у сусіднього атому германія і буде від’ємно зарядженим, нерухливим і закріпленим в ґратці напівпровідника, а дірка почне дрейфувати по кристалу. Під дією електричного поля Е дірка рухається направлено відносно поля (електропровідність типу - р), домішка в цьому випадку є акцептором.

Рисунок 7.2 – Схематичне зображення кристалічної ґратки германія: а) без домішок; б) з акцепторною домішкою індію; в) з донорною домішкою миш’яка

Ковалентні напівпровідникові з’єднання. У напівпровідникових з’єднаннях АІІІ ВV (In, Sb, Gа, Аs та ін.) домішкові атоми заміщення II групи (Мg, Zn та ін.) мають меншу валентність і є акцепторами, а домішкові атоми IV групи (Se, Te), які мають більшу валентність, – донорами. Домішкові атоми у напівпровідникових з’єднаннях А111 ВV можуть бути донорами, якщо заміщають тривалентні атоми у ґратці, і можуть бути акцепторами, якщо заміщають п’ятивалентні атоми.

Напівпровідники з іонними ґратками (CdS, РbS оксиди). В них спостерігається закономірність. Якщо напівпровідник має електропровідність n і р-типів, як у РbS, то надлишок сірки чи кисню викликає y нього діркову електропровідність, а надлишок металу – електронну.

7.2 Вплив зовнішніх факторів на електропровідність напівпровідників

7.2.1 Вплив теплової енергії

Температурна залежність концентрації носіїв зарядів. В широкому діапазоні температур і для різного складу домішок має місце температурна залежність концентрації носіїв в напівпровідниках n-типу (рис. 7.3).

Рисунок 7.3 – Типові залежності концентрації носіїв заряду у напівпровіднику від температури при різній концентрації донорних домішок (Nд1<Nд2 < Nд3)

В області низьких температур частина нижньої кривої між точками а і б характеризує тільки концентрацію носіїв, обумовлену домішками. Нахил прямої визначається енергією активізації ωд1. З збільшенням Т росте кількість носіїв, що поставляються домішками. На ділянці (б, в) домішки вже виснажені, а переходу електронів через заборонену зону ще немає. Далі значення температури настільки стає великим, що електрони переходять через заборонену зону (в, і) – концентрація носіїв заряду швидко росте. Нахил цієї ділянки характеризує ширину забороненої зони напівпровідника – Δω. Зі збільшенням концентрації домішок у напівпровіднику перехід від ділянки (а, б) або (г, д), на якій концентрація носіїв обумовлена лише домішками, до ділянки виснажених домішок (б, в) або (д, є) зміщується в бік високих температур. Крива (ж, і) має дві ділянки: (ж, з) – постійна концентрація заряду до температури, при якій носії не переходять через заборонену зону; (з, і) – перехід носіїв через заборонену зону. Такий напівпровідник є виродженим.

Температурна залежність питомої провідності напівпровідників. У напівпровідниках з атомними ґратками (а також в іонних кристалах при підвищених температурах) рухливість змінюється при зміні температури порівняно слабко (за статичним законом), а концентрація – дуже сильно (за експонентним законом). Тому температурна залежність питомої провідності схожа на температурну залежність концентрації носіїв, обумовлених домішками (рис. 7.4). У зоні виснаження електронних ресурсів домішкових атомів зміна питомої провідності обумовлена температурною залежністю рухливості.

На рисунку 7.4 показані зони власної і з домішками електропровідності напівпровідника.

Рисунок 7.4 – Криві залежності питомої провідності напівпровідників від температури при різних концентраціях домішок (Nд1 < Nд2 < Nд3)

У зоні електропровідності з домішками зображені три криві для різних значень концентрації домішок, аж до виродження напівпровідника, коли залежність його питомої провідності в деякому інтервалі температур стає подібною до залежності питомої провідності металів.

За допомогою цих кривих можна знаходити як ширину забороненої зони напівпровідника Dw, так і енергію активації домішок wд або wа . У реальних напівпровідниках ці криві можуть значно відхилятися від зазначених внаслідок того, що фізичні явища описуються в теорії приблизно, так і тому, що в матеріалах, які застосовуються на практиці, не один, а кілька видів домішок, у яких енергії активації можуть бути різними. На підставі рисунка 7.4 для похилих лінійних (або квазілінійних) ділянок кривих в зоні електропровідності з домішками можемо написати:

звідки, наприклад,

Теорія електропровідності напівпровідників показує, що для монокристалів типу германія і кремнію постійна b визначається так:

де w – енергія активації;
k – постійна Больцмана.

Перетворюючи вираз (7.7) і виразивши його для питомого опору, одержимо:

Використовуючи дані конкретних матеріалів, узяті з кривих, обчислюють енергію активації w електропровідності з домішками напівпровідника при різній їх концентрації. В області власної електропровідності за подібним виразом може бути визначена Dw – ширина забороненої зони даного напівпровідникового матеріалу.

При ширині забороненої зони германія 0,72 еВ число власних носіїв заряду в ньому за кімнатної температури складає 1019 м-3, у той час як домішки, що входять у кількості тисячної частки відсотка, при малій енергії активації ( w ) вносять у нього в десятки тисяч разів більше число вільних зарядів. Тому для керування електропровідністю напівпровідник спочатку повинен бути ретельно очищений від випадкових домішок. На 108-109 атомів основної речовини має бути не більш одного іншорідного атома.

Температурний коефіцієнт питомого опору напівпровідників:

З підвищенням температури температурний коефіцієнт питомого опору напівпровідників зменшується і перебуває в прямій залежності від енергії активації електропровідності напівпровідника (в~w).

Вплив деформації. Електропровідність твердих кристалічних тіл залежить від деформації внаслідок збільшення чи зменшення (розтягування і стиснення) міжатомних відстаней, що веде до зміни концентрації і рухливості носіїв. Концентрація носіїв може стати меншою або більшою внаслідок зміни ширини енергетичних зон кристала і зміщення домішкових рівнів, що у свою чергу веде до зміни енергії активації носіїв. Рухливість носіїв заряду змінюється через збільшення (зменшення) амплітуди коливань атомів при їх віддаленні (наближенні).

Величина, що чисельно характеризує зміни питомої провідності або питомого опору напівпровідників при деформації, – це тензочутливість d:

Тензочутливість – це відношення відносної зміни питомого опору напівпровідника до відносної зміни деформації в даному напрямку.

7.3 Вплив світла на електропровідність напівпровідників

Світлова енергія, що поглинається напівпровідником, викликає появу в ньому надлишкової (порівняно з рівноважним станом за даної температури) кількості носіїв зарядів, що приводить до зростання електропровідності.

Фотопровідністю називають збільшення електричної провідності речовини під дією електромагнітного випромінювання.

У фотопровідності проявляється квантова природа світла. Енергія фотона (у електрон-вольтах):

де l – довжина хвилі, мкм.

Енергія у власному напівпровіднику витрачається на утворення електронно-діркових пар за рахунок перекидання електронів з валентної зони в зону провідності. Тому існує гранична довжина хвилі, зумовлена енергією кванта, достатньою для переходу електрона з найвищого рівня валентної зони на найнижчий рівень зони провідності, тобто рівна ширині забороненої зони напівпровідника. За довгохвильовим краєм фотопровідності (ДКФ) можна визначити ширину забороненої зони напівпровідника, рис. 7.5. Для цього, екстраполюючи круто падаючу ділянку кривої до перетину з віссю абсцис, знаходять граничну довжину хвилі lr і енергію квантів, що обумовлює початок фотопровідності.

Рисунок 7.5 – Фотопровідність германія в залежності від довжини хвилі випромінювання (І – видима зона спектра, ІІ – червона, ІІІ – інфрачервона, ДКФ – довгохвильовий край фотопровідності, ТХ – «тепловий хвіст» кривої)

Оскільки заборонена зона різних напівпровідникових речовин має ширину від десятих часток електрон-вольта до 3 еВ, то фотопровідність може виявлятися в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій частинах електромагнітного спектра. З рис. 7.5 видно, що оптична ширина забороненої зони германія 0,72 еВ, гранична довжина хвилі дорівнює приблизно 1,8 мкм, тобто лежить в інфрачервоній зоні спектра. Фотопровідність, при хвилях коротших 1,8 мкм, визначається переходом електронів з більш низьких рівнів валентної зони на більш високі рівні зони провідності. На кривій показаний «тепловий хвіст», що тягнеться до 1,9–2,0 мкм. Наявність його (тобто невеликої фотопровідності), викликувана квантами світла з енергією, трохи меншою ширини забороненої зони напівпровідника, можна пояснити двома фізичними явищами:

  1. Окремі електрони можуть виявитися під впливом енергії фотонів і енергії теплових коливань кристалічних ґраток. Тоді ці електрони перейдуть у зону провідності;
  2. Ширина забороненої зони не є абсолютно постійною і піддана флуктуаціям, тому що теплові коливання ґраток приводять до коливань миттєвої локальної щільності в об’ємі кристала і до зміни миттєвих відстаней між  атомами, від яких вона залежить. Фотон з енергією h × v < Dw, який поглинається у тому місці об’єму кристала, де миттєва ширина забороненої зони менша середньої, збуджує пари електрон–дірка. Таким чином, «хвіст» кривої на рисунку 7.5 має теплову природу.

7.4 Вплив сильних електричних полів

Електропровідність також залежить і від величини напруженості електричного поля. На рис. 7.6 показані криві залежності питомої провідності одного і того ж напівпровідника від напруженості електричного поля при різних температурах навколишнього середовища. Як видно з залежностей, при низьких значеннях напруженості поля (до критичного значення ЕК) зберігається дія закону Ома і питома провідність не залежить від напруженості поля. З ростом температури крива питомої провідності зміщується вверх, а нахил зростаючої частини стає меншим.

При більш високих значеннях напруженості поля починається інтенсивне зростання питомої провідності за експоненціальним законом, що призводить до руйнування структури напівпровідника (7.1). Це зумовлено ростом кількості носіїв зарядів, оскільки під впливом електричного поля вони більш легко вивільняються за допомогою теплового збудження.

Рисунок 7.6 – Залежності питомої провідності напівпровідника від напруженості електричного поля при різних температурах навколишнього
середовища (Т1 >Т2)

При подальшому збільшенні поля може з’явитися механізм ударної іонізації, що призводить до руйнування структури напівпровідників.

7.5 Елементи з властивостями напівпровідників

Серед елементів із властивостями напівпровідників найширше використовуються: германій, кремній, селен.

Германій. Вміст германія в земній корі невеликий, близько 7-10-4 %. У результаті хімічної переробки вихідної сировини утвориться тетрахлорид германія, що шляхом подальших операцій переводять у двоокис германія ( Ge2 ) – порошок білого кольору. Двоокис германія відновлюється у водневій печі при температурі 650-700° С до елементарного германія, що являє собою сірий порошок. У ряді випадків порошок германія одержують безпосередньо з GeCl4 шляхом розкладання цієї сполуки при високій температурі в атмосфері парів цинку. Порошок германія піддають травленню в суміші кислот і сплавляють у злитки. Злитки германія використовують як вихідний матеріал для одержання особливо чистого германія методом зонного плавлення або ж для безпосереднього одержання монокристалів методом витягування з розплаву.

Германій застосовується для виготовлення випрямлячів змінного струму різної потужності, транзисторів різних типів. З нього виготовляють перетворювачі Холла та інші, що застосовуються для вимірювання напруженості магнітного поля, струмів і потужності, множення двох величин у приладах обчислювальної техніки тощо. Оптичні властивості германія дозволяють використовувати його для фототранзисторів і фоторезисторів, оптичних лінз із великою світлосилою (для інфрачервоних променів), оптичних фільтрів, модуляторів світла і коротких радіохвиль. Внутрішній фотоефект у германія спостерігається і при поглинанні середніх і швидких електронів, а також при гальмуванні елементарних часток великих мас. Так, при поглинанні a-частки відзначається імпульс струму тривалістю близько 0,5 мкс, що відповідає проходженню 106 електронів. Тому германій може бути використаний і для виготовлення лічильників ядерних часток. Робочий діапазон температур германієвих приладів від -60 до +70 °С; при підвищенні температури до верхньої межі прямий струм, наприклад у діодів, збільшується майже в два рази, а зворотний – у три рази. При охолодженні до (50-60) °С прямий струм падає на 70–75%. Германієві прилади повинні бути захищені від дії вологості повітря.

Кремній отримують відновленням парами цинку чотирихлористого кремнію при температурі 10000 °С в захисній атмосфері. Подальша обробка кремнію схожа на обробку германія, але пов’язана з додатковими труднощами, оскільки температура плавлення кремнію значно вища, ніж у германія і він реагує з вуглецем. Зонне плавлення його ведуть без графітових ложок. Сьогодні кремній є основним матеріалом для виготовлення напівпровідникових діодів, транзисторів, фотоелементів, схем мікроелектроніки. Кремнієві пристрої можуть експлуатуватися при досить високих температурах (його критична температура 120–200 °С, залежно від ступеня очищення, що значно вище, ніж у германія).

Селен – використовується для виготовлення діодів та фотоелементів. Температурний інтервал роботи селенових випрямлячів від -60 до +75 °С. За своїми властивостями селенові випрямлячі значно поступаються перед германієвими і, тим більше, перед кремнієвими.

7.6 Напівпровідникові хімічні сполуки і матеріали на їх основі

Ці матеріали можуть мати найрізноманітніші електрофізичні властивості. Розглянемо найбільш важливі для електротехніки матеріали.

Карбід кремнію. Це сполуки елементів IV групи таблиці Менделеєва кремнію і вуглецю (AIVBIV), що відповідає формулі SiC x (х»1). Карбід кремнію стехіометричного складу містить 70,045% Si і 29,955% С (за масою). У природі цей матеріал зустрічається вкрай рідко і в обмежених кількостях. Залежно від вихідної сировини і особливостей технологічного процесу виходять кристали різного забарвлення. Колір кристалів Si і вид електропровідності залежать від сторонніх домішок або надлишку атомів Si чи С. Домішки елементів п’ятої групи (N, Р, As, Sb, Bi) і заліза в Si дають зелене забарвлення і електропровідність n-типу; елементи другої (Са, Be, Mg) і третьої (В, Al, Ga, In) груп дають блакитне та фіолетове забарвлення (у товстих шарах чорне) і електропровідність р-типу; надлишок Si дає n-Si , а надлишок С – p-Si . Чисті кристали Si прозорі. Електропровідність кристалів Si за нормальних температур примусова і коливається в широких межах. Температурні залежності електропровідності електронного і діркового Si показані на рис. 7.7. Основні фізичні властивості кристалів Si такі:

Густина ........................................................................ 3,2 Мг/м3.
Питома теплопровідність при 20 °С ........................ 10–40 Вт/(м×К).
Питома теплоємність ................................................. 620–750 Дж(кг×К).
Температурний коефіцієнт лінійного розширення .................................................................. (4–7)×10-6 К-1.
Твердість за мінералогічною шкалою (за Моосом) 9,5.
Ширина забороненої зони .......................................... 2,8-3,1 еВ.
Рухливість електронів при 20 °С ............................... 0,01–0,05 м2/(В×с).
Рухливість дірок при 20 °С ........................................ 0,002–0,005 м2/(В×с).
Діелектрична проникність ......................................... 6,5–7,5.
Термо-е.р.с щодо міді ................................................. 300 мкВ/К.

Рисунок 7.7 – Залежність питомої провідності декількох зразків n-Si (а) і p-Si (б) від температури

Електропровідність порошкоподібного карбіду кремнію залежить від електропровідності вихідного матеріалу, розміру помолу, ступеня стиску часток, напруженості електричного поля і температури. Наприклад, якщо питома провідність матеріалу приблизно 150 См/м, то при температурі 20 °С, розмірі зерен 63–75 мкм і тиску на порошок 60 МПа в зоні слабкого поля (до 5 В на сантиметр висоти порошку) питома провідність порошку буде приблизно 2×10-6 См/м. При збільшенні зерна до 85–105 мкм і при всіх колишніх умовах питома провідність порошку зростає до 10-3 См/м. Карбід кремнію в електротехніці знайшов застосування для виготовлення резисторів вентильних розрядників, що захищають лінії передачі високої напруги і апаратуру; для виробництва різних низьковольтних варисторів, використовуваних в автоматиці, обчислювальній техніці, у техніці високих температур.

Сполуки AIIIBV

обумовлюють широкі можливості вибору параметрів вихідного матеріалу (ширина забороненої зони, рухливість носіїв) для створення напівпровідникових приладів. Вони мають структуру сфалериту – цинкової обманки – подібну до структури алмаза з тією відмінністю, що природа і розміри вхідних часток різні.

Зі сполук AIIIBV найбільш дослідженими і технологічно не дуже складними є фосфіди, арсеніди й антимоніди. Важливе практичне значення в даний час мають арсенід і фосфід галію та антимонід індію. Основним методом отримання сполук AIIIBV  є безпосередня взаємодія компонентів у вакуумі або в інертному газі. Температура плавлення сполук AIIIBV знижуються з ростом суми атомних номерів і атомних мас вхідних у сполуку елементів. Точки плавлення сполук лежать вище відповідних температур плавлення елементів, за винятком антимоніду індію, температура плавлення якого 536 °С лежить між температурами плавлення сурми 630 °С і індію 157 °С. Зі збільшенням атомної маси і суми атомних номерів зменшується ширина забороненої зони сполуки, тому що відбувається розмивання «електронних хмар» ковалентних зв’язків і вони все більш наближаються до металевого зв’язку.

Сполуки AIIBVI та інші напівпровідникові матеріали.Серед різнихнапівпровідникових сполук розглянемо деякі сульфіди й окисли, що знайшли найбільш широке технічне застосування.

Сульфіди.Сірчистий  свинець(Pb),сірчистий  вісмут(Bi2S3 )і сірчистий кадмій (Cd) використовуються для виготовлення фоторезисторів. Сірчистий свинець зустрічається в природі у вигляді матеріалу галеніту (свинцевий блиск) і може бути отриманий штучно декількома способами. Pb буває в аморфній і кристалічній модифікаціях. Сірчистий вісмут отримують сплавленням вісмуту з сіркою при відсутності кисню. Кристали його відносять до ромбічної системи, вони мають сіро-чорний колір. Сірчистий кадмій отримують різними способами, він може бути аморфним або кристалічним. Колір його залежить від модифікації та вмісту домішок.

Деякі властивості сульфідів наведені в таблиці 7.1.

Фоторезистори з полікристалічного сірчистого свинцю мають криву спектральної чутливості, що охоплює видимий та інфрачервоний діапазони електромагнітного спектра, рис. 7.8. Чутливість фоторезисторів із сірчистого вісмуту лежить у вузькій червоній області спектра, а фоторезисторів на основі сірчистого кадмію залежно від вмісту домішок і технології виготовлення зразків може мати максимуми при різних довжинах хвиль видимої частини спектра.

Таблиця 7.1 – Властивості сульфідів і окислів

Рисунок 7.8 – Спектральна чутливість при 200 °С фоторезисторів з полікристалічного сірчистого свинцю (1) і сірчистого вісмуту (2)

Фоторезистори також застосовуються для підрахунку деталей у конвеєрному виробництві для контролю рівня рідких і сипучих тіл.

Оксиди.Окис міді(Cu2O) – речовина малинового кольору – є напівпровідником тільки р-типу (рухливість дірок приблизно 0,01 м2/(В×с)). Провідність закису міді залежить від сторонніх домішок, термічної обробки і температури. Температурний коефіцієнт лінійного розширення 0,93×10-6 К-1, питома теплопровідність 6,2 Вт/(м×К).

З окислених мідних пластин, на поверхні яких утворився шар закису міді, були отримані перші типи напівпровідникових випрямлячів і фотоелементів.

Терморезистори виготовляються у вигляді стержнів, пластинок або таблеток методами керамічної технології. Опір і інші властивості терморезисторів залежать не тільки від складу, але й від розміру зерна, від технологічного процесу виготовлення; тиску при пресуванні (якщо напівпровідник беруть у вигляді порошку) і температури випалювання. Терморезистори використовуються для вимірювання, регулювання температури і термокомпенсації, для стабілізації напруги, обмеження імпульсних пускових струмів, вимірювання теплопровідності рідин, як безконтактні реостати і струмові реле часу.

З напівпровідникової кераміки виготовляються терморезистори, які відрізняються від усіх інших терморезисторів тим, що мають не негативний, а дуже великий позитивний температурний коефіцієнт опору (понад +20%/К) у вузькому інтервалі температур (порядку 10 °С). Такі терморезистори називають позисторами. Їх виготовляють у вигляді дисків невеликої товщини і призначаються для контролю та регулювання температури, використання в системах пожежної сигналізації, запобігання перевантаження двигунів, обмеження струмів, вимірювання потоків рідин і газів.

Напівпровідникові матеріали складного складу. Вони знаходять технічне застосування при виготовленні термоелементів, термогенераторів і холодильних пристроїв. До таких матеріалів відносять, наприклад, потрійний сплав Bi-Sb-Zn, тверді розчини 0.25 PbS · 0.5 PbSe · 0.25 PbTe та 0.3 PbS·0.7 PbSe та інші, що йдуть на виготовлення негативних електродів термоелементів.

7.7 Контрольні питання

  1. Назвіть напівпровідникові матеріали, які використовують при виготовленні елементної бази електронної апаратури.
  2. Власні напівпровідники.
  3. Наведіть основні фізичні властивості кремнію, германія, арсеніду галію.

  4. Домішкові напівпровідники.
  5. Акцепторні домішки.
  6. Донорні домішки.
  7. Фізичне явище електронної провідності.
  8. Фізичне явище « діркової» провідності.
  9. Чим відрізняється температурна залежність питомого опору власного напівпровідника від домішкового?
  10. Напівпровідникові хімічні сполуки і матеріали на їх основі.