Прості напівпровідники. Приклади

Вплив зовнішніх факторів на електропровідність напівпровідників

Вплив тепла. З підвищенням температури концентрація носіїв заряду зростає. Рухливість носіїв заряду з підвищенням температури може або слабо зростати (при низьких температурах), або слабо зменшуватись (при вищих температурах).

Вплив деформації. При деформації змінюються міжатомні відстані, що призводить до зміни концентрації і рухливості носіїв заряду. Основний фактор – зміна концентрації – визначається енергією активації, причому ширина забороненої зони може як збільшуватися, так і зменшуватись. Тому для різних напівпровідників однакова деформація може викликати як збільшення, так і зменшення питомої електропровідності.

Вплив світла. Світлова енергія, що поглинається напівпровідником, викликає появу в ньому надмірної (порівняно з рівноважною для даної температури) кількості носіїв заряду, яка призводить до збільшення електропровідності. Явище збільшення електропровідності внаслідок дії електромагнітного випромінювання називається фотопровідністю.

Вплив сильного електричного поля. Електропровідність напівпровідників залежить від напруженості електричного поля. При низьких значеннях витримується закон Ома – питома електропровідність не залежить від напруженості поля, а при вищих значеннях починається інтенсивне зростання провідності.

Зростання провідності обумовлено збільшенням числа носіїв заряду, оскільки під впливом поля вони легше звільняються тепловим збудженням. Подальше зростання поля викликає ударну іонізацію, яка інколи призводить до руйнування структури напівпровідника.

При проходженні електричного струму через напівпровідник під дією достатньо сильного електричного поля носії заряду можуть набувати енергії більшої, ніж рівноважна теплова. Такі носії називають “гарячими”. При цьому їх рухливість може значно змінюватись, що може, в свою чергу супроводжуватись електричними коливаннями (ефект Ганна).

Германій – елемент IV групи періодичної системи Д.І.Менделєєва. Хоча вміст германію в земній корі незначний, він є одним з найкраще вивчених напівпровідникових матеріалів. Саме германій історично визначив науково-технічну революцію в напівпровідниковій електроніці, хоча згодом і поступився першим місцем кремнію.

Одержують германій з відходів переробки поліметалевих сульфідних руд, золи кам’яного вугілля. Германієвий концентрат розкладають соляною кислотою. Чотирьоххлористий германій GeCl4 служить сировиною для одержання чистого германію: гідролізом одержують двоокис германію GeО2, який при нагріванні до 600-800° в водневому середовищі відновлюється до германію. Технічний германій надалі очищають зонною плавкою або вирощуванням монокристалів в вакуумі. Ступінь очищення германію досягає 109 атомів германію на один атом домішки.

При кімнатній температурі германій стійкий до дії повітря, води, розведених кислот і лугів, реагує з азотною кислотою. При нагріванні вступає в реакцію з киснем, сіркою, галогенами.

Германію властиві істотні недоліки, які обмежують його застосування: він непридатний для виготовлення мікросхем, оскільки на ньому неможливо створити ізоляцію активних областей оксидом; через відносно вузьку заборонену зону температурний діапазон роботи германієвих приладів істотно вужчий, ніж у кремнієвих (від –60 до +70°С).

Проте германій зберіг своє значення для виготовлення обмеженої номенклатури діодів та транзисторів, зокрема деяких типів лавинно-прольотних, тунельних, точкових високочастотних та імпульсних діодів, датчиків Холла, детекторів іонізуючого випромінювання та ін.

Поки що поза конкуренцією залишаються дві області застосування германію: виготовлення оптичних деталей інфрачервоного діапазону та у вигляді діоксиду для виготовлення волоконнооптичних ліній зв’язку.

Кремній – також елемент IV групи періодичної системи Д.І.Менделєєва, проте один з найпоширеніших елементів земної кори (27,6%). У вільному стані кремній в природі не зустрічається.

Кремній одержують відновлюючи чотирьоххлористий кремній цинком або воднем з наступним очищенням зонною плавкою. Легують кремній під час зонної плавки або витягування з розплаву.

За звичайних умов кремній досить інертний (проте взаємодіє з HF та F2), але при нагріванні взаємодіє з багатьма речовинами. Електричні властивості кремнію дуже залежать від складу та концентрації домішок. Кремній непрозорий для видимої частини спектру електромагнітного випромінювання, але прозорий для інфрачервоного випромінювання.

Кремній – домінуючий матеріал напівпровідникової електроніки та мікроелектроніки. Завдяки його унікальним фізико-хімічним властивостям кремнієві прилади стабільно працюють в широкому діапазоні температур від –40 до +180°С. На базі кремнію виготовляють найрізноманітніші діоди, транзистори та інтегральні мікросхеми, тиристори, фоточутливі прилади, сонячні батареї для безпосереднього перетворення енергії випромінювання в електричну. Технічний кремній застосовується у виробництві легованої електротехнічної сталі.

Селен – елемент IV групи таблиці Д.І.Менделєєва, рідкісний і розсіяний елемент; вміст в земній корі 5×10-6% за масою; супутний сірці. Утворює кілька модифікацій, які нагріванням до 180-220°С можна перевести в найстійкішу гексагональну – кристалічний сірий селен.

Одержують селен з відходів (шлаків), які утворюються при електролізі у виробництві міді. Технічний селен піддається очищенню хімічними та фізичними методами. Вміст неконтрольованих домішок в селені, придатному для виготовлення приладів, не перевищує (2-8)×10-3%. Іноді застосовують ректифікований селен з вмістом домішок 10-5 – 10-6%.

За звичайних умов селен стійкий: кисень, вода, соляна і розведена сірчана кислота на нього не діють; добре розчиняється в концентрованій азотній кислоті і “царській воді”, в лугах розчиняється з окисленням. При нагріванні селен досить активно вступає в реакції з багатьма речовинами.

Всі сполуки селену отруйні, пара подразнює слизові оболонки

Електричний опір селену залежить від способу одержання, характеру структури і кількості домішок; зниження питомого опору досягається додаванням акцепторних домішок – хлору, брому, йоду. З ними селен завжди має дірковий тип електропровідності. Температурний інтервал роботи селенових приладів від –60 до + 75°С.

Селен застосовується для виготовлення фоторезисторів та фотоелементів, оскільки їх спектральні характеристики дуже близькі до людського ока. Завдяки прозорості в інфрачервоному спектрі застосовуються в приладах інфрачервоного діапазону.