En halvleder er et materiale, der med hensyn til specifik ledningsevne indtager en mellemposition mellem ledere og dielektrikum og adskiller sig fra ledere (metaller) ved en stærk afhængighed af specifik ledningsevne af koncentrationen af urenheder, temperatur og eksponering for forskellige typer af stråling. Den vigtigste egenskab ved halvledere er stigningen i elektrisk ledningsevne med stigende temperatur.
Halvledere er krystallinske stoffer med et båndgab af størrelsesordenen en elektronvolt (eV). For eksempel kan diamant tilskrives halvledere med brede mellemrum (ca. 7 eV ), og indiumarsenid - til smalt mellemrum (). 0,35 eV Halvledere omfatter mange kemiske elementer (germanium, silicium , selen , tellur, arsen og andre), et stort antal legeringer og kemiske forbindelser (galliumarsenid osv.).
Et atom af et andet kemisk grundstof i et rent krystalgitter (for eksempel et atom af fosfor, bor osv. i en siliciumkrystal) kaldes en urenhed . Afhængigt af om urenhedsatomet giver en elektron til krystallen (phosphor i ovenstående eksempel) eller fanger den (bor), kaldes urenhedsatomer donor eller acceptor . Arten af en urenhed kan ændre sig afhængigt af hvilket atom i krystalgitteret den erstatter, i hvilket krystallografisk plan den er indlejret.
Halvlederes ledningsevne afhænger af temperaturen. Tæt på temperaturen på det absolutte nulpunkt har halvledere egenskaberne som dielektriske stoffer .
Halvledere er kendetegnet ved egenskaberne af både ledere og dielektriske stoffer . I halvlederkrystaller etablerer atomer kovalente bindinger (det vil sige, en elektron i en siliciumkrystal er bundet af to atomer), og elektronerne har brug for et niveau af indre energi for at blive frigivet fra atomet (1,76⋅10 −19 J mod 11,2⋅10 −19 J end og karakteriserer forskellen mellem halvledere og dielektrika). Denne energi vises i dem, når temperaturen stiger (for eksempel ved stuetemperatur er energiniveauet for atomernes termiske bevægelse 0,04⋅10 −19 J), og individuelle elektroner modtager energi til at løsne sig fra kernen. Med stigende temperatur stiger antallet af frie elektroner og huller, derfor falder den elektriske resistivitet i en halvleder, der ikke indeholder urenheder. Konventionelt er det sædvanligt at betragte som halvledere elementer med en elektronbindingsenergi på mindre end 1,5-2 eV. Elektronhulsmekanismen for ledning manifesterer sig i iboende (det vil sige uden urenheder) halvledere. Det kaldes halvlederes indre elektriske ledningsevne.
Når bindingen mellem elektronen og kernen brydes, opstår der et ledigt rum i atomets elektronskal. Dette forårsager overførsel af en elektron fra et andet atom til et atom med fri plads. Atomet, hvorfra elektronen er passeret, kommer ind i en anden elektron fra et andet atom osv. Denne proces bestemmes af atomernes kovalente bindinger. Der er således en bevægelse af en positiv ladning uden at flytte selve atomet. Denne betingede positive ladning kaldes et hul .
Normalt er mobiliteten af huller i en halvleder lavere end mobiliteten af elektroner.
Mellem ledningsbåndet E p og valensbåndet E er der en zone med forbudte værdier af elektronenergien E s . Forskellen E p − E in er lig med båndgabet E s . Med en stigning i bredden af E s falder antallet af elektron-hul-par og ledningsevnen af den iboende halvleder, og resistiviteten stiger.
Mobilitet er proportionalitetskoefficienten mellem afdriftshastigheden af strømbærere og størrelsen af det påførte elektriske felt
I dette tilfælde er mobiliteten generelt i anisotrope krystaller en tensor med komponenter
Mobiliteten af elektroner og huller afhænger af deres koncentration i halvlederen (se figur). Ved en høj koncentration af ladningsbærere øges sandsynligheden for kollision mellem dem, hvilket fører til et fald i mobilitet, men på trods af faldet i mobilitet stiger ledningsevnen med en stigning i graden af doping, da faldet i mobilitet kompenseres ved en stigning i koncentrationen af ladningsbærere.
Mobilitetsenheden er m² / ( Vs ) i SI eller cm / (Vs) i CGS .
Ved termodynamisk ligevægt er elektronkoncentrationen af en halvleder relateret til temperaturen ved følgende forhold:
hvor:
- Plancks konstant ; er elektronmassen ; er den absolutte temperatur ; er niveauet af ledningsbåndet; er Fermi niveauet .Koncentrationen af huller i en halvleder er også relateret til temperaturen ved følgende forhold:
hvor:
er Plancks konstant . er den effektive masse af hullet; er den absolutte temperatur ; er Fermi-niveauet ; er niveauet af valensbåndet.Den iboende koncentration er relateret til og af følgende relation:
Halvledere, hvor frie elektroner og "huller" opstår i ioniseringsprocessen af de atomer, hvorfra hele krystallen er bygget, kaldes halvledere med iboende ledningsevne. I halvledere med indre ledningsevne er koncentrationen af frie elektroner lig med koncentrationen af "huller".
Ledningsevne er relateret til partikelmobilitet ved følgende forhold:
hvor er den specifikke modstand, er mobiliteten af elektroner , er mobiliteten af huller, er deres koncentration, q er den elementære elektriske ladning (1.602⋅10 −19 C).
For en iboende halvleder er bærerkoncentrationerne de samme, og formlen har formen:
UrenhedskonduktivitetFor at skabe halvlederenheder bruges ofte krystaller med urenhedskonduktivitet . Sådanne krystaller fremstilles ved at indføre urenheder med atomer af et trivalent eller pentavalent kemisk element.
Udtrykket "n-type" kommer fra ordet "negativ", der angiver den negative ladning af majoritetsbærerne. Denne type halvleder har en urenhedskarakter. En urenhed af en pentavalent halvleder (for eksempel arsen ) tilsættes til en tetravalent halvleder (for eksempel silicium ). I interaktionsprocessen indgår hvert urenhedsatom i en kovalent binding med siliciumatomer. Der er dog ikke plads til den femte elektron i arsenatomet i mættede valensbindinger, og den passerer til den fjerne elektronskal. Der skal der en mindre mængde energi til for at løsrive en elektron fra et atom. Elektronen brækker af og bliver fri. I dette tilfælde udføres ladningsoverførsel af en elektron, ikke et hul, det vil sige, at denne type halvleder leder elektrisk strøm som metaller. Urenheder, der tilsættes til halvledere, som et resultat af hvilke de bliver til n-type halvledere, kaldes donor .
Konduktiviteten af N-halvledere er omtrent lig med:
Hulhalvledere (p-type)Udtrykket "p-type" kommer fra ordet "positiv", der angiver den positive ladning af majoritetsbærerne. Denne type halvledere, ud over urenhedsbasen, er kendetegnet ved hulkarakteren af ledningsevne. En lille mængde atomer af et trivalent grundstof (for eksempel indium ) tilsættes til en tetravalent halvleder (for eksempel silicium ). Hvert urenhedsatom etablerer en kovalent binding med tre tilstødende siliciumatomer. For at etablere en binding med det fjerde siliciumatom har indiumatomet ikke en valenselektron, så det fanger en valenselektron fra en kovalent binding mellem nabosiliciumatomer og bliver til en negativt ladet ion, som et resultat af at der dannes et hul . De urenheder, der tilsættes i dette tilfælde, kaldes acceptorurenheder .
Ledningsevnen af p-halvledere er omtrent lig med:
En halvlederdiode består af to typer halvledere - hul og elektronisk. Under kontakten mellem disse områder passerer elektroner fra området med n-type halvleder til området med p-type halvleder, som derefter rekombinerer med huller. Som følge heraf opstår der et elektrisk felt mellem de to regioner, som sætter grænsen for opdelingen af halvledere - den såkaldte pn-junction . Som et resultat heraf opstår en ukompenseret ladning fra negative ioner i området med en p-type halvleder, og en ukompenseret ladning fra positive ioner opstår i området med en n-type halvleder. Forskellen mellem potentialerne når 0,3-0,6 V.
Forholdet mellem potentialforskellen og urenhedskoncentrationen er udtrykt ved følgende formel:
hvor er den termodynamiske spænding, er koncentrationen af elektroner, er koncentrationen af huller, er den indre koncentration [1] .
I processen med at påføre spænding med et plus til p-halvlederen og et minus til n-halvlederen, vil det eksterne elektriske felt blive rettet mod det indre elektriske felt af pn-forbindelsen, og med tilstrækkelig spænding vil elektronerne overvinde pn-krydset, og der vil opstå en elektrisk strøm i diodekredsløbet (fremadledning, dioden passerer maksimal elektrisk strøm). Når spænding påføres minus til området med en p-type halvleder og plus til området med en n-type halvleder, opstår der et område mellem de to regioner, der ikke har frie elektriske strømbærere (omvendt ledning, dioden modstår passagen af elektrisk strøm). Den omvendte strøm af en halvlederdiode er tæt på nul, men ikke nul, da der altid er mindre ladningsbærere i begge områder. For disse luftfartsselskaber vil pn-krydset være åbent.
Således udviser pn -overgangen egenskaberne af envejsledning , som er forårsaget af påføring af spænding med forskellige polariteter. Denne egenskab bruges til at ensrette vekselstrøm .
En transistor er en halvlederenhed, der består af to områder med p- eller n-type halvledere, mellem hvilke der er et område med en n- eller p-type halvleder. Der er således to områder af pn-forbindelsen i transistoren.
Følgende tabel giver oplysninger om et stort antal halvlederelementer og deres forbindelser, opdelt i flere typer:
Alle typer af halvledere har en interessant afhængighed af båndgabet af perioden, nemlig når perioden øges, falder båndgabet.
Gruppe | IIB | IIIA | IVA | VA | VIA |
Periode | |||||
2 | 5B _ | 6C _ | 7 N | ||
3 | 13 Al | 14Si _ | 15p _ | 16S _ | |
fire | 30 Zn | 31 Ga | 32ge _ | 33As _ | 34 se |
5 | 48 CD | 49 i | 50 sn | 51 Sb | 52 Te |
6 | 80 Hg |
De fysiske egenskaber af halvledere er de mest undersøgte i sammenligning med metaller og dielektriske stoffer . I vid udstrækning lettes dette af et stort antal fysiske effekter, der ikke observeres i nogen af stofferne og er forbundet med enheden af båndstrukturen af halvledere og med et ret smalt båndgab.
Den vigtigste drivkraft for studiet af halvledermaterialer er produktionen af halvlederenheder og integrerede kredsløb - dette gælder primært silicium , men påvirker også andre halvledermaterialer ( Ge , GaAs , InP , InSb ).
Silicium er en halvleder med indirekte gab, hvis optoelektriske egenskaber i vid udstrækning bruges til at skabe fotodioder og solceller , dog er det vanskeligt at skabe en strålingskilde baseret på silicium, og her anvendes direkte-gap-halvledere - forbindelser af typen A III B V , blandt hvilke GaAs , GaN kan skelnes , som bruges til at skabe LED'er og halvlederlasere .
En iboende halvleder ved en temperatur på det absolutte nulpunkt har ikke frie bærere i ledningsbåndet , i modsætning til ledere, og opfører sig som et dielektrikum . Ved kraftig doping kan situationen ændre sig (se degenererede halvledere ).
En halvleders elektriske egenskaber kan være meget afhængige af defekter i krystalstrukturen . Derfor bestræber de sig på at bruge meget rene stoffer, primært til elektronikindustrien.
Doteringsmidler introduceres for at kontrollere størrelsen og typen af halvlederledningsevne. For eksempel kan meget anvendt silicium doteres med elementer fra V-undergruppen af det periodiske system af grundstoffer - fosfor , arsen , som er donorer , og silicium med en elektronisk type ledningsevne (n-Si) kan opnås. For at opnå silicium med en hultype af ledningsevne (p-Si) anvendes elementer fra III-undergruppen af bor eller aluminium ( acceptor ). Kompenserede halvledere opnås også for at lokalisere Fermi-niveauet i midten af båndgabet.
Halvledernes egenskaber afhænger af fremstillingsmetoden, da forskellige urenheder under vækst kan ændre dem. Den billigste måde at opnå industrielt enkeltkrystal silicium på er Czochralski-metoden . For at rense teknologisk silicium anvendes også metoden til zonesmeltning .
For at opnå enkeltkrystaller af halvledere anvendes forskellige metoder til fysisk og kemisk aflejring. Det mest præcise og dyre værktøj i hænderne på teknologer til vækst af enkeltkrystalfilm er molekylærstråle-epitaksi- installationen , som tillader dyrkning af en krystal med en nøjagtighed af et monolag.
Absorptionen af lys af halvledere skyldes overgange mellem båndstrukturens energitilstande. I betragtning af Pauli-udelukkelsesprincippet kan elektroner kun bevæge sig fra et fyldt energiniveau til et ufyldt. I en iboende halvleder er alle tilstande af valensbåndet udfyldt, og alle tilstande af ledningsbåndet er ufyldte, så overgange er kun mulige fra valensbåndet til ledningsbåndet . For at udføre en sådan overgang skal elektronen modtage energi fra lys, der overstiger båndgabet. Fotoner med lavere energi forårsager ikke overgange mellem de elektroniske tilstande af en halvleder, så sådanne halvledere er transparente i frekvensområdet , hvor er båndgabet, er Plancks konstant . Denne frekvens definerer den fundamentale absorptionskant for en halvleder. For halvledere, som ofte bruges i elektronik ( silicium , germanium , galliumarsenid ), ligger det i det infrarøde område af spektret.
Yderligere begrænsninger for absorption af lys af halvledere er pålagt af udvælgelsesregler , især loven om bevarelse af momentum . Loven om bevarelse af momentum kræver, at kvasi -momentum af den endelige tilstand adskiller sig fra kvasi-momentum af starttilstand ved størrelsen af momentum af den absorberede foton. Fotonbølgetallet , hvor er bølgelængden, er meget lille sammenlignet med bølgevektoren i halvlederens reciproke gitter , eller tilsvarende er fotonbølgelængden i det synlige område meget større end den karakteristiske interatomiske afstand i halvlederen, hvilket fører til kravet om, at kvasi-momentum af en endelig tilstand under den elektroniske overgang var praktisk talt lig med kvasi-momentum af initial tilstand. Ved frekvenser tæt på den fundamentale absorptionskant er dette kun muligt for direkte-gap-halvledere . Optiske overgange i halvledere, hvor elektronmomentet næsten ikke ændrer sig, kaldes direkte eller lodret . Momentum af den endelige tilstand kan afvige væsentligt fra impulsen af den oprindelige tilstand, hvis en anden, tredje partikel, for eksempel en fonon , deltager i processen med absorption af en foton . Sådanne overgange er også mulige, men mindre sandsynlige. De kaldes indirekte overgange .
Således begynder direkte-gab-halvledere såsom galliumarsenid at absorbere lys kraftigt, når kvanteenergien overstiger båndgabet. Sådanne halvledere er meget velegnede til brug i optoelektronik .
Indirekte-gab-halvledere, for eksempel silicium , absorberer meget svagere i lysets frekvensområde med en kvanteenergi lidt mere end båndgabet, kun på grund af indirekte overgange, hvis intensitet afhænger af tilstedeværelsen af fononer, og derfor på temperatur . Den begrænsende frekvens af direkte overgange af silicium er mere end 3 eV, det vil sige, den ligger i det ultraviolette område af spektret.
Når en elektron passerer fra valensbåndet til ledningsbåndet, opstår der frie ladningsbærere i halvlederen , og dermed fotokonduktivitet .
Ved frekvenser under den fundamentale absorptionskant er lysabsorption også mulig, hvilket er forbundet med excitation af excitoner , elektroniske overgange mellem urenhedsniveauer og tilladte bånd, samt med absorption af lys på gittervibrationer og frie bærere. Excitonbånd er placeret i halvlederen noget under bunden af ledningsbåndet på grund af excitonens bindingsenergi. Excitonabsorptionsspektre har en brintlignende struktur af energiniveauer. På samme måde skaber urenheder, acceptorer eller donorer acceptor- eller donorniveauer, der ligger i båndgabet. De modificerer signifikant absorptionsspektret af den doterede halvleder. Hvis et fonon absorberes samtidigt med et lyskvante under en indirekte mellemrumsovergang, så kan energien af det absorberede lyskvante være lavere af fononenergien, hvilket fører til absorption ved frekvenser noget lavere i energi fra den fundamentale absorptionskant.
Halvlederforbindelser er opdelt i flere typer:
Følgende forbindelser er meget udbredt:
A III B Vsamt nogle oxider af bly, tin, germanium, silicium. Ud over oxider anvendes ferrit, amorfe glas og mange andre forbindelser (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 ).
Baseret på de fleste af ovenstående binære forbindelser er det muligt at opnå deres faste opløsninger: (CdTe) x (HgTe) 1-x , (HgTe) x (HgSe) 1-x , (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x og andre.
A III B V forbindelser anvendes hovedsageligt til elektroniske produkter, der opererer ved mikrobølgefrekvenser .
A II B V -forbindelser bruges som fosfor i det synlige område , LED'er , Hall-sensorer , modulatorer.
Forbindelser A III B V , A II B VI og A IV B VI anvendes til fremstilling af lyskilder og modtagere, indikatorer og strålingsmodulatorer.
Oxidhalvlederforbindelser bruges til fremstilling af fotoceller , ensrettere og højfrekvente induktorkerner.
Muligheder | AlSb | GaSb | InSb | AlAs | GaAs | InAs |
---|---|---|---|---|---|---|
Smeltepunkt, K | 1333 | 998 | 798 | 1873 | 1553 | 1218 |
Gitterkonstant, Å | 6.14 | 6.09 | 6,47 | 5,66 | 5,69 | 6.06 |
Båndgab Δ E , eV | 0,52 | 0,7 | 0,18 | 2.2 | 1,41 | 0,35 |
Dielektrisk konstant ε | 8.4 | 14,0 | 15.9 | — | — | — |
Mobilitet, cm²/(V s): | ||||||
elektroner | halvtreds | 5000 | 60.000 | — | 4000 | 34000 [2] |
huller | 150 | 1000 | 4000 | — | 400 | 460 [2] |
Brydningsindeks, n | 3.0 | 3.7 | 4.1 | — | 3.2 | 3.2 |
Lineær termisk udvidelseskoefficient, K -1 |
— | 6,9 10 -6 | 5,5 10 -6 | 5,7 10 -6 | 5,3 10 -6 | — |
Ledende materialer | |
---|---|