Что такое полупроводники в физике
Перейти к содержимому

Что такое полупроводники в физике

  • автор:

Что такое полупроводники. Объясняем простыми словами

Полупроводники — кристаллические вещества (химические элементы, соединения и сплавы), которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами).

Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не проводят вообще. Но с ростом температуры или под действием света начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется «легирование».

Самый известным полупроводник — кремний (Si).

Ключевые современные полупроводниковые устройства — процессоры и иные микросхемы.

Полупроводники есть как почти во всех девайсах, которыми мы ежедневно пользуемся, так и в крупной промышленной, медицинской и другой технике: смартфонах, компьютерах, телевизорах, автомобилях, аппаратах ИВЛ, космических спутниках и т. п.

Пример употребления на «Секрете»

«Из-за дефицита полупроводников Минпромторг хочет организовать в России собственное производство кристаллов для радиоэлектронной аппаратуры. Тендер на проведение опытно-конструкторских работ (ОКР) для выращивания монокристаллов арсенида галлия и германия (GaAs и GeAs) диаметром 100 и 150 мм объявили в конце сентября. На работы выделяют 1,2 млрд рублей в течение четырёх лет».

Кризис полупроводников

Вскоре после того как весной 2020 года на фоне пандемии коронавируса автопроизводители сократили заказы, во всём мире возникла нехватка чипов для электроники. Как [объяснил] (https://secretmag.ru/news/deficit-mikroskhem-dobralsya-do-rossiiskogo-avtoproma.htm) генеральный директор научно-производственного предприятия ИТЭЛМА Евгений Горелик, цикл производства микросхем превышает шесть месяцев и предусматривает выращивание кремниевых кристаллов. Из-за специфики производства кристаллов производители запускают процесс выращивания раз в квартал, а некоторые и вовсе раз в год. При этом обычно их производят в большом количестве, а затем отправляют одну часть в корпусы, а вторую часть — на склад. За первый год пандемии запасы производителей кристаллов сократились до нуля.

Кроме коронавируса, повлиял рост спроса со стороны производителей других товаров, особенно бытовой электроники. Затем на поставках сказались [ледяной шторм в Техасе] (https://secretmag.ru/news/v-ssha-krupnye-zavody-priostanovili-rabotu-iz-za-anomalnykh-kholodov-i-snegopadov.htm), который остановил работу некоторых производителей микросхем из-за сбоев в подаче электроэнергии, и пожар на фабрике чипов компании Renesas в Японии.

Дефицит полупроводников заставил сразу несколько крупных производителей отказаться от полноценного выпуска автомобилей. Например, по этой причине General Motors пришлось на неделю приостановить производство электромобилей Chevrolet Bolt и Bolt EUV. О нехватке сообщали Ford, Honda и другие компании. В результате в России [очереди] (https://secretmag.ru/news/ocheredi-za-avtomobilyami-v-rossii-dostigli-kolossalnykh-razmerov-15-09-2021.htm) на новые иномарки достигли колоссальных размеров.

Мировой дефицит добрался и до российского автопрома. Некоторое время автозаводы покрывали нехватку чипов из складских запасов, но к лету нехватка стала заметной проблемой. Завод Volkswagen в России неоднократно [приостанавливал] (https://secretmag.ru/news/volkswagen-snova-priostanovit-zavod-v-rossii-iz-za-nekhvatki-chipov-02-09-2021.htm) работу. АвтоВАЗ также в течение лета несколько раз прекращал производство некоторых моделей.

Из-за дефицита пришлось [отложить] (https://secretmag.ru/news/obyazatelnuyu-ustanovku-glonass-otlozhili-iz-za-deficita-mikroskhem-24-08-2021.htm) обязательную установку системы ГЛОНАСС на выпускаемых на территории Европейского экономического союза (ЕАЭС) автомобилях.

В компании Boston Consulting Group (BCG) ожидают, что стабилизация наступит не раньше второго полугодия 2022-го.

Мнение

Миллиардер Илон Маск сравнил дефицит микрочипов, с которым столкнулся мир в 2021 году, с нехваткой туалетной бумаги, которую пережили многие страны в начале пандемии коронавируса. Несмотря на столь несерьёзную аналогию, проблема с поставками полупроводников, по признанию миллиардера, стала «самым большим вызовом для Tesla». Маск отметил, что «никогда не видел ничего подобного».

Урок физики на тему «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников p-n типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы»

Назад Вперёд

Урок в 10-м классе.

Тема: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и nтипов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

  • образовательные: сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
  • развивающие: развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
  • воспитательные: продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и nтипов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Изучение нового материала.

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5.электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

Слайд 6. 1) электронная (проводимость «n » – типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.

Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

Слайд 7.

2) дырочная (проводимость » p» – типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – «дырка».

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда.

Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «p» и «n» -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники » n » – типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают «дырки» , забирая в себя электроны.

Это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.

Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью. Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р—n-переходе.

Слайд 13-16.

Электрические свойства «p-n» перехода

«p-n» переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним «p-n» переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства» р-n «переходов, — транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа — транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема — эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема — коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n — от базы.

Слайд 26–29.

III. Первичное закрепление.

  1. Какие вещества называются полупроводниками?
  2. Какую проводимость называют электронной?
  3. Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
  4. О каких примесях теперь вам известно?
  5. В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
  6. В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
  7. Какие полупроводниковые приборы вам известны?
  8. Где и для чего используют полупроводниковые приборы?

IV. Закрепление изученного

  1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
  2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).

V. Домашнее задание.

§ 113-116 – учить, пов. § 109–112.

Полупроводники в мире материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Поклонский Николай Александрович

В статье предельно сжато представлены концепции физики полупроводниковых материалов и фрагменты их истории. Отмечено начало исследований полупроводников в Республике Беларусь. Перечислены результаты (и ассоциированные с ними рабочие гипотезы) в области физики и техники полупроводниковых систем, полученные на кафедре физики полупроводников и наноэлектроники БГУ, которая отмечает в этом году свое 50-летие. Работа выполнена в рамках ГПНИ «Конвергенция».

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Поклонский Николай Александрович

Графен (по материаламxii Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике)

Стационарные и релаксационные электрические методы исследования точечных дефектов в полупроводниках
Физика полупроводников

Атомарная структура, фундаментальные электронные, оптические и магнитные свойства низкоразмерных структур из полупроводников

Изотоптроника как новое направление нанотехнологий для создания электронных и оптоэлектронных приборов

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Semiconductor in the world of materials

The article considers the concepts of the Physics of Semiconductor Materials and fragments of their background, gives the results and the related working hypotheses in the field of physics and technology of semiconductor systems received at the Physics of semiconductors and nanoelectronics chair of the BSU.

Текст научной работы на тему «Полупроводники в мире материалов»

Полупроводники в мире материалов

Резюме. В статье предельно сжато представлены концепции физики полупроводниковых материалов и фрагменты их истории. Отмечено начало исследований полупроводников в Республике Беларусь. Перечислены результаты (и ассоциированные с ними рабочие гипотезы) в области физики и техники полупроводниковых систем, полученные на кафедре физики полупроводников и наноэлектроники БГУ, которая отмечает в этом году свое 50-летие. Работа выполнена в рамках ГПНИ «Конвергенция».

Ключевые слова: полупроводники, электрическая проводимость, зонная теория кристаллов, низкоразмерные системы.

профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета БГУ, доктор физико-математических наук

Полупроводники — это вещества в твердом и жидком агрегатных состояниях, электрическая проводимость которых на постоянном токе увеличивается при нагревании или освещении. М. Фарадей в 1833 г. открыл, что электропроводность сернистого серебра (Лд28) увеличивается как при внешнем нагревании (теплом от руки или лампы), так и при нагревании возбуждаемым в нем током. Положительную фотопроводимость селена, то есть

повышение его электропроводности при освещении, обнаружил В. Смит в 1873 г. Позднее были выявлены полупроводниковые свойства закиси меди (Си20) и других веществ. Исследования по физике и технологии полупроводниковых материалов привели к созданию микро-, опто- и акусто-электроники, во многом обусловивших прогресс во всей техносфере [1]. К тому же эти материалы определенно выполняли роль фотокатализаторов в процессах зарождения и эволюции живой природы на Земле [2].

Наибольшее распространение получили полупроводниковые материалы в виде моно-и поликристаллов. При нагревании или освещении полупроводника его атомы достаточно легко ионизируются, в результате чего возникают и подвижные электроны, и подвижные дырки (электронные вакансии в химических связях атомов кристаллической матрицы). Вообще, дырка является элементарным возбуждением

электронной подсистемы кристалла, квазичастицей, то есть воображаемой частицей [В. Гейзенберг, 1931]. Электрический заряд дырки равен по величине и противоположен по знаку заряду электрона, а ее спин (собственный ди-польный магнитный момент) равен по величине спину электрона. Связанное состояние электрона и дырки в кристалле, осуществляющее перенос энергии, но не электрического заряда, называется экситоном [Я. Френкель, 1931].

Согласно зонной теории, спектр разрешенных и запрещенных значений энергии электронов в трехмерных кристаллах состоит из чередующихся полос — энергетических зон [А. Вильсон, 1931]. Зоны образованы квазинепрерывной совокупностью атомных уровней энергии, «расщепившихся» в результате агрегации свободных атомов в кристаллическую структуру. В кристаллических полупроводниках заполненные электронами состояния валентной зоны

(у-зоны) отделены от вакантных состояний электронов в зоне проводимости (с-зоне) запрещенной зоной (энергетической щелью Е) см. рис. 1. Электроны заполняют разрешенные зоны энергий в соответствии с принципом Паули: на Q уровнях энергии квантовой системы может находиться не более 2Q электронов, так как каждому уровню соответствует два состояния спина электрона. Зонная теория состояний электронов в кристаллах основана на использовании при решении уравнения Шрёдингера адиабатического и одноэлектрон-ного приближений: средняя скорость движений ядер атомов около положений равновесия много меньше средней скорости движений электронов; каждый электрон движется в пространственно-периодическом поле, создаваемом ядрами и остальными электронами.

На рис. 1 проиллюстрирована схема образования энергетических зон из энергетических уровней одиночных атомов на примере типичного полупроводника — кристаллического кремния с постоянной кубической решетки а/ = 0,5431 нм и расстоянием между ближайшими атомами 0,433а/. Число атомов в одном кубическом сантиметре равно 5-1022, моль кремния имеет объем 12,1 см3, ширина запрещенной зоны Е1 = 1,1 эВ, сродство к электрону ЕА = 4,1 эВ. На схеме Ес обозначает энергетическое положение дна с-зоны, Еу -потолка у-зоны; Ег = Ес — Еу.

Электромагнитные свойства кристалла зависят от степени заполнения энергетических зон электронами, то есть от числа электронов в зоне проводимости и от числа незаполненных ими состояний (электронных вакансий,

дырок) в валентной зоне. Если разрешенная энергетическая зона заполнена электронами частично, то под действием постоянного (стационарного) внешнего электрического поля они перераспределяются в ней по состояниям. При этом появляется наведенная полем анизотропия распределения электронов по скоростям, возникает электрический ток. Поэтому кристалл с частично заполненной электронами с-зо-ной даже при самых низких температурах остается проводником постоянного электрического тока — металлом. Электроны в целиком заполненной ими у-зоне не могут перераспределяться по состояниям (так как они «заморожены» в силу принципа Паули). Кристалл с заполненной электронами у-зоной при отсутствии электронов в с-зоне является диэлектриком (изолятором, который не проводит постоянный ток, а лишь поляризуется во внешнем электрическом поле). Если же при нагревании или освещении кристалла подводимой к нему энергии достаточно для перевода малой части электронов из у- в с-зону, то его электрическая проводимость увеличивается. Такой кристалл представляет собой полупроводник.

В отличие от типичных металлов (Ад, Си, А1) в типичных полупроводниках (Ое, ОаАз) концентрация и подвижных электронов в с-зоне, и подвижных дырок в у-зоне значительно меньше концентрации образующих кристаллическую матрицу атомов. К тому же для металлов характерно увеличение электрического сопротивления при нагревании и нечувствительность к свету. От диэлектриков полупроводники отличаются лишь меньшей энергетической щелью Е1 между краями зон разрешенных значений энергии. У широкозонных кристаллических полупроводников величина Ег больше (или примерно равна) энергии сродства к электрону ЕА, то есть энергии, необходимой для выхода электрона со дна с-зоны в вакуум (рис. 1). Широкозонные полупроводники -алмаз, БМ А1М Узкозонными Е < ЕА) являются кристаллы 1п8Ь, Ое, и др. Бесщелевые полупроводники имеют нулевую ширину запрещенной энергетической зоны (например, серое олово). От типичных полупроводников их отличает отсутствие пороговой энергии (Ег = 0), необходимой для появления электронно-дырочной пары, от типичных полуметаллов (Б1, БЬ, Аз) - значительно

Схема образования энергетических зон трехмерного кристалла кремния из 0 атомов, когда проявляется «тирания» их количества

Полупроводник Е„ эВ Тип Ед а1, нм с, TD, К

Нитрид бора (ВЫ) 6,2 ¡И 0,36160 6,8 1730

Алмаз (С) 5,5 ¡И 0,35669 5,7 1860

Карбид кремния (3С-Б1С) 2,2 ¡И 0,43596 9,7 1270

Арсенид галлия (ваДэ) 1,4 И 0,56536 12,8 344

Кремний (БО 1,1 ¡И 0,54310 11,5 636

Германий (ве) 0,66 ¡И 0,56579 15,7 374

Антимонид индия (1п5Ь) 0,18 И 0,64794 17,2 203

Серое олово (а-Бп) 0 И 0,64892 23 220

меньшая концентрация и электронов в с-зоне, и дырок в у-зоне.

К бесщелевым полупроводникам (Е = 0) относится гра-фен — кристаллический плоский слой из углерода толщиной в один атом [А. Гейм, К. Новоселов, 2004]. Атомы углерода (С) расположены в вершинах правильных шестиугольников двухмерной кристаллической решетки, так что каждый атом принадлежит трем шестиугольникам. В графене расстояние между ближайшими атомами углерода — 0,142 нм. Толщина графена принимается равной 0,34 нм, то есть расстоянию между соседними атомными плоскостями в трехмерном кристаллическом графите. Графен площадью 1 см2 содержит 3,8-1015 атомов углерода. Каждый атом С имеет четыре валентных электрона: три из них локализованы (участвуют в образовании ковалент-ных С-С-связей и определяют механические свойства графе-на), а один делокализован (обусловливает оптическое поглощение и электрическую проводимость). Пропускание света оптического диапазона графе-ном не зависит от длины электромагнитной волны и составляет примерно 97,7%. Присоединение к каждому атому С одного атома водорода превращает графен в графан -кристаллический диэлектрик в виде квазиплоского слоя.

При термической обработке графан восстанавливается до исходного полупроводникового графена.

Состояние электрона (и дырки) в кристалле характеризуется не только энергией, но и квазиимпульсом. Квазиимпульс — это расширение понятия импульса на случай движения электрона или дырки в кристалле, где их потенциальная энергия периодически зависит от координат [Ф. Блох, Р. Пайерлс, Л. Бриллюэн; 1928-1930]. Если минимуму энергии электрона в с-зоне и минимуму энергии дырки в у-зоне соответствует одно и то же значение квазиимпульса, то полупроводник называется прямозонным (йг). В непрямозонном (¿й) полупроводнике долинам (эквивалентным минимумам энергии электронов с-зоны) и минимуму энергии дырки у-зоны соответствуют разные значения квазиимпульса. Акт межзонной электронно-дырочной рекомбинации — это переход электрона из с- в у-зону, в результате которого происходит исчезновение дырки, то есть электронной вакансии в у-зо-не. При прочих равных условиях вероятность рекомбинации электрона с-зоны и дырки у-зоны с излучением фотона больше в прямозонных полупроводниках, чем в непрямо-зонных. Это происходит потому, что в ¿¿-полупроводниках,

в отличие от гй-полупроводни-ков, законы сохранения энергии и квазиимпульса электрона, дырки и фотона выполняются и без поглощения или испускания фонона(кванта энергии колебаний кристаллической решетки). Именно это обстоятельство обусловило появление прямозонных полупроводниковых лазеров, работающих при комнатной температуре [3].

Параметром, характеризующим тепловые свойства кристаллической решетки диэлектриков, полупроводников и металлов, является температура Дебая Го, при которой возбуждаются практически все моды колебаний атомов [П. Дебай, 1912]. При температурах Г, больших Го, теплоемкость трехмерного образца твердого тела не зависит от Г (закон Дюлон-га — Пти), а при Г, меньших Го, она пропорциональна Г3. Для материалов, состоящих из легких атомов с прочными химическими связями между ними, значения Го больше, чем для материалов из тяжелых атомов со слабыми связями.

Значения (при нормальных условиях) энергетической ширины запрещенной зоны (в электронвольтах) и ее тип (прямозонный — йг, непрямо-зонный — ¿й), постоянной кристаллической решетки щ (в нанометрах), относительной диэлектрической проницаемости £г и температуры Дебая Го (в кельвинах) для типичных полупроводников кубической сингонии объединены из справочников в таблицу.

Собственный полупроводник (то есть г-типа) не содержит атомов примесей, и поэтому концентрация электронов с-зоны равна концентрации дырок у-зоны. В примесном полупроводнике, содержащем

атомы примесей в кристаллической матрице, это равенство может нарушаться, и тогда электропроводность в основном обеспечивается одним типом носителей заряда (электронами или дырками). Атомы примесей вводятся в полупроводниковый кристалл в процессе его выращивания из расплава, а также посредством ионной имплантации (внедрения) или диффузии из внешних источников. Процессы введения примесей называются легированием (или допированием). В полупроводнике п-ти-па концентрация электронов в с-зоне больше концентрации дырок в у-зоне, а в полупроводнике р-типа — наоборот. Наличие в полупроводнике примесей и собственных точечных дефектов структуры, занимающих узлы или междоузлия кристаллической решетки, приводит к появлению локальных энергетических уровней в запрещенной зоне (реже — в зонах разрешенных значений энергии). Вследствие термической или оптической ионизации примеси приобретают электрический заряд на фоне кристаллической матрицы: водородо-подобные доноры — положительный, а водородоподобные акцепторы — отрицательный. Ионизация донора сопровождается появлением электрона в с-зоне, а ионизация акцептора — дырки в у-зоне. Электрическая активность атома примеси обусловлена тем, что он имеет другую валентность по сравнению с атомом кристаллической матрицы (решетки). Когда атом примеси изовалентно замещает один из атомов, формирующих кристаллическую структуру, то чаще всего эта примесь электрически неактивна (то есть не создает локализованного состояния с уровнем энергии

в пределах запрещенной зоны). Изовалентные примеси могут образовывать с атомами матрицы твердые растворы, например 811-хОех, где х — доля атомов германия в химическом соединении атомов одинаковой валентности.

Практически все свойства полупроводника зависят от типа и концентрации дефектов кристаллической структуры, а также от температуры, освещения, деформации и других видов воздействия. Как и клетки живых организмов, полупроводники чувствительны к воздействию радиации: ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений, быстрых электронов, протонов, нейтронов, ионов. Энергия, передаваемая атому кристаллической матрицы радиацией (ионизирующим излучением), может вызвать смещение его из положения термодинамического равновесия с образованием первичного радиационного дефекта — междоузельного атома и атомной вакансии. Накопление одиночных (уединенных) первичных радиационных дефектов и их ассоциатов друг с другом или с атомами примесей приводит к тому, что кристаллы теряют прозрачность (окрашиваются), увеличивают объем (разбухают) и др. Если под действием радиации происходят ядерные реакции, то изменяется состав нуклидов в веществе. В целом полупроводники оптимально сочетают и восприимчивость к внешним воздействиям, и технологичность операций формирования из них стабильных приборов (сенсоров, диодов, солнечных элементов, лазеров, транзисторов, интегральных схем и др.).

Исследования полупроводниковых материалов и приборов в Беларуси

начаты И. Г. Некрашевичем, Н. Н. Сиротой, В. Д. Ткачевым и В. П. Грибковским в начале 1960-х гг. [4]. Среди достижений в этой области на кафедре физики полупроводников и на-ноэлектроники БГУ следует отметить:

■ развитие радиационной физики ковалентных кристаллов и дискретных полупроводниковых приборов на их основе;

■ выявление оптического аналога эффекта Мёссбауэра в спектрах фото-, электро- и катодолюминес-ценции точечных дефектов кристаллической решетки кремния

■ обнаружение излучательной рекомбинации электронов и дырок на дислокациях в пластически деформированных кристаллах кремния;

■ наблюдение колебательных «химических» реакций между точечными дефектами атомной структуры в кремниевых диодах с использованием метода емкостной спектроскопии;

■ регистрацию инфранизкочастот-ных автоколебаний электрического тока в легированных бором пленках поликристаллического кремния микронной толщины;

■ открытие эффекта поглощения микроволнового электромагнитного излучения электронами, «левитирующими» над поверхностью природного кристалла алмаза при его межзонном фотовозбуждении;

■ реализацию технологий изготовления ряда полупроводниковых приборных структур.

Относительно перспектив развития школы физики и техники полупроводников в Беларуси можно отметить следующее. В последнее время практическое значение приобрели одиночные и консолидированные низкоразмерные системы (рис. 2), протяженность которых вдоль хотя бы одного направления в пространстве

Схема становления полупроводниковых материалов для целей электроники, фотоники, спинтроники и акустики

координат сравнима по величине с одним из параметров размерности длины, характеризующих состояния и процессы в этих системах. Материалы, состоящие большей частью из таких систем (с характерными размерами примерно от 100 до 1 нм), называются на-ноструктурированными, или наноматериалами. Изменяя размеры, форму или взаимное расположение низкоразмерных систем как компонентов наноматериала, можно управлять его свойствами (например, температурой плавления, растворимостью, прозрачностью) без изменения химического состава.

Для исследования, создания и применения низкоразмерных систем (при диапазоне их размеров от 0,1 мкм до 1 нм в одном, двух или трех направлениях) необходимо развивать их теорию [5, 6]. Дело в том, что основой для описания электрических, магнитных, оптических, акустических и тепловых явлений в трехмерных (объемных, массивных) кристаллических диэлектриках, полупроводниках и металлах с размерами, большими или примерно равными 0,1 мкм, является зонная теория. Однако для описания низкоразмерных систем она неприменима из-за нарушений точечной и трансляционной симметрий, а также условий применимости адиабатического и одноэлектронного приближений. Не может быть

использована для адекватного описания состояний и процессов в системах размером порядка 0,1 мкм и квантовая теория уединенных (одиночных) атомов, являющаяся базой для описания небольших молекул (0,1-1 нм). Поэтому необходимо развить теорию, рассматривающую состояния и процессы в отдельных молекулах и атомах при учете их агломерации в низкоразмерную систему.

Представляется, что совершенствование методов создания и диагностики, а также расширение областей применения полупроводниковых систем нового поколения в электронике, фотонике, спинтро-нике и акустике будет происходить традиционно: от идеи к расчетам, экспериментам и далее к практической реализации. Отметим, исходя из [7], некоторые перспективные направления исследований по этой тематике в их физическом, химическом, биологическом и социальном аспектах:

■ разработка методов математического моделирования и физико-химических принципов молекулярного зодчества низкоразмерных систем и приборных структур на их основе. В итоге это позволит реализовать «малотоннажные» технологии не методом «коллективного подзахвата» и последующего «прямого стогования», а целенаправленно и экономно;

■ развитие квантовой теории ионизационного равновесия и миграции электронов, дырок и ионов

Ag2S Se Cu2O Ge Si GaAs A1GaInAs A1GaInN SiC BN C

Стрела времени (годы)

Минимальные линейные размеры функционального элемента электрической, оптической, магнитной или акустической цепи

Зонная теория кристаллов Теория низкоразмерных систем

в низкоразмерных полупроводниковых системах для целей водородной и солнечной энергетики. Решение этой задачи позволит создать новые материалы для фотоэлектрических преобразователей и «неотравляемые» электроды для фотолиза воды;

■ исследование одиночных и консолидированных воронкообразных макромолекул, криволинейных квантоворазмерных проволок, а также наноструктурированных «мягких» материалов для создания на их основе функциональных элементов устройств фотоники, электромеханики, акустики и бионики;

■ разработка физико-технологических способов формирования ассоциатов из атомов примеси или собственных атомных дефектов структуры в кристаллических полупроводниках при создании твердотельных аналогов катушек индуктивности для силовой электроники;

■ интегрирование магнетизма в полупроводниковую микро- и нано-электронику. Развитие инженерии магнитных низкоразмерных систем в кремниевых пластинах обеспечит возможность распространить их использование в рамках планар-ной технологии на спинтронику;

■ формирование низкоразмерных систем (нитей, рулонов и лент) при взаимодействии компрессионных плазменных потоков и интенсивного лазерного излучения

с поверхностью кристаллов SiC, ZnO и др.) с целью создания на их основе элементов технических устройств;

■ установление зависимости механической прочности широкозонных полупроводников (например, алмаза, AlN и BN, содержащих точечные, линейные и плоскостные дефекты кристаллической структуры) от положения в запрещенной энергетической зоне уровня Ферми (химического потенциала электронов). Это позволит предсказывать (и предотвращать)

процессы разрушения этих материалов в устройствах высокотемпературной электроники, оптики и механики;

■ изучение прыжковой миграции электронов по многозарядным точечным дефектам кристаллической матрицы частично разупорядочен-ных полупроводников для разработки выпрямителя прыжкового электрического тока и элемента Пельтье;

■ развитие концепции спиновой микро- и наномеханики диэлектриков, полупроводников и металлов с дефектами структуры (строения), что в перспективе позволит прогнозировать внезапные выбросы каменного угля в шахтах при его добыче;

■ передача знаний, умений и разработок (инноваций) от исследователей к конструкторам, от них к производителям и осуществление коммерциализации наукоемкой продукции.

Ясно, что при научных изысканиях и в приложениях их результатов необходима опора на теорию, эксперимент и практику, благодаря которым физика и техника полупроводниковых материалов возникли и развиваются. СИ

[5 See: http://innosfera.by/ 2016/08/Semiconductors

1. Вавилов В.С.Полупроводники в современном мире // УФН. 1995. Т. 165, №5. С. 591-594.

2. КрасновскийА. А., Никандров В. В. Могли ли полупроводники участвовать в эволюции? // Природа. 1988, №12. С. 39-41.

3. Алферов Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепции и применения в физике, электронике и технологии // УФН. 2002. Т. 172, №9. С. 1068-1086.

4. Поклонский Н. А. Физика полупроводников в Беларуси// Конгресс физиков Беларуси: материалы. г. Минск, 8-10 июня 2005 г.: И н-т физики им. Б. И. Степанова.- Мн., 2006. С. 49-62.

5. Dresselhaus M. S. What’s next for low-dimensional materials? // Mater. Res. Lett. 2014. V. 2, №1. P. 1-9.

6. Gaponenko S. V. Introduction to Nanophotonics.- Cambridge, 2010.

7. Поклонский Н. А. Физика и техника низкоразмерных систем из углерода // Наноструктурные материалы: Беларусь — Россия — Украина. НАН0-2014: сб. пленар. докл. |V Междунар. науч. конф., Минск, 7-10 окт. 2014 г. / ред-кол.: П. А. Витязь [и др.].- Мн., 2015. С. 121-136.

инновации и рынок:

духовно-нравственные и экономические составляющие

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Окончание. Начало в №6-7

К началу ХХ в. за национальным государством признали право на существование. В обоснование этого указывалось, что оно, как естественный и человечный организм, лучше всего способно претворять в жизнь идеалы культурного сообщества. Национальное чувство становится под опеку разума, нравственности и культуры. Так национальная идея поднимается до уровня командного идеала. «Когда культура пришла в упадок, все прочие культурные идеалы утратили силу своего воздействия на общество. Национальная же идея сохранилась как фактор культуры и благодаря тому, что из сферы теоретической перешла в сферу реальной действительности» [7, с. 60].

Отсюда, по мнению А. Швейцера, все особенности мышления нашей эпохи, концентрирующего весь энтузиазм на национальной идее в уверенности, что именно в ней заключены все духовные и моральные ценности. Опровергая основной тезис Маркса о том, что материальный мир определяет мир духовный, Швейцер объявляет о фактически неотвратимой тенденции эволюции мирового сознания к общечеловеческим ценностям, которые видятся ему воплощенными в доктрине либерализма. На базе подобного развития «мирового духа» якобы и происходят изменения мира материального, выражающиеся в распространении институтов рынка и «парламентской

Общие сведения о полупроводниках

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от температуры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений.

В создании электрического тока в веществе могут принимать участие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому его электропроводность тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все валентные электроны (являющиеся носителями элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает высокую электропроводность металлов. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей значительно меньше, поэтому их удельное сопротивление велико.

Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры оно, как правило, уменьшается на 5…6 % на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопротивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полупроводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.

Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относится к кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку. Взаимное притяжение атомов кристаллической решетки осуществляется за счет ковалентной связи, т.е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Такие электроны могут иметь различную степень связи со своей парой атомов. При передаче им энергии извне (например, с помощью электромагнитного поля или при нагревании) они способны покидать свои места в кристаллической решетке и перемещаться по кристаллу, создавая таким образом электрический ток в нем. Вещества, в которых для высвобождения электронов требуется высокая энергия, являются диэлектриками, и только для некоторого класса веществ достаточно незначительной энергии (менее 6 эВ) для образования свободных электронов (преодоления ими запрещенной энергетической зоны и перехода из валентной энергетической зоны в зону проводимости). Такие вещества и являются полупроводниками.

В полупроводниковой электронике широкое применение получили германий (Ge) и кремний (Si) ­— элементы 4-й группы периодической системы. В современных сверхвысокочастотных приборах часто используются также арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN), фосфид индия (InP) и другие. В последние годы все большее распространение получают электронные приборы, в которых формируются гетероструктуры с использованием сразу множества полупроводниковых материалов (смотрете в разделе Материалы для создания гетеропереходов)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *