Полупроводники — класс материалов¶

Полупроводники — это материалы, электропроводность которых лежит между значениями для проводников и диэлектров и существенно зависит от температуры, освещённости, примесей и других внешних воздействий. В чистых полупроводниках при низких температурах удельное сопротивление очень велико, но при нагреве или введении примесей оно резко уменьшается. Основными техническими полупроводниками являются кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN).

¶Электрические свойства

Проводимость полупроводников обусловлена наличием подвижных носителей заряда — электронов и «дырок». В чистом (собственном) полупроводнике при абсолютном нуле все валентные электроны связаны в ковалентных связях, и материал является диэлектриком. При повышении температуры часть электронов получает достаточно энергии, чтобы преодолеть запрещённую зону (энергетический зазор между валентной и зоной проводимости) и перейти в зону проводимости, оставляя на своём месте «дырку» — условно положительно заряженную область. Каждый свободный электрон соответствует одной дырке, поэтому в собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок равны.

Величина запрещённой зоны определяет основные свойства материала. У кремния при комнатной температуре она составляет около 1,12 эВ, у германия — 0,67 эВ, у арсенида галлия — 1,43 эВ. Материалы с широкой запрещённой зоной (карбид кремния — 3,3 эВ, нитрид галлия — 3,4 эВ) называют широкозонными полупроводниками; они способны работать при высоких температурах и высоких напряжениях.

¶Примесная проводимость

Основной способ управления свойствами полупроводников — легирование, то есть введение примесей с атомами, отличающимися по валентности от основного материала. Легирование атомами с большим числом валентных электронов (например, фосфором или мышьяком в кремнии) создаёт избыточные электроны и образует полупроводник типа n (от negative). Легирование атомами с меньшим числом валентных электронов (например, бором в кремнии) создаёт избыточные дырки и образует полупроводник типа p (от positive).

Концентрация примесей обычно составляет 1 атом на 10⁶–10¹� атомов основного материала. Даже такое незначительное количество изменяет удельное сопротивление на несколько порядков.

¶P–n-переход

При контакте полупроводника типа n с полупроводником типа p на границе между ними образуется p–n-переход — область, лишённая подвижных носителей (обеднённый слой). Электроны из области n диффундируют в область p, а дырки — в обратную сторону, пока не установится равновесие. P–n-переход обладает свойством односторонней проводимости: при прямом смещении (положительный потенциал на p-области) ток проходит легко, при обратном смещении ток практически отсутствует (кроме малого тока утечки). Это свойство лежит в основе работы диодов, транзисторов, солнечных элементов и светодиодов.

¶Классификация полупроводников

По составу различают:

• Элементные — кремний, германий, селен, теллур;
• Соединения — арсенид галлия, индий-сурьма, карбид кремния, нитрид галлия;
• Органические полупроводники — фталоцианины, полиацетилен, полианилин.

По степени чистоты:

• Собственные (нелегированные) — высокая чистота, концентрация примесей менее 10⁻⁹;
• Примесные (легированные) — свойства определяются добавленными примесями.

¶Основные явления и эффекты

Помимо примесной проводимости, в полупроводниках наблюдаются:

• Фотопроводимость — увеличение числа носителей при освещении, когда фотон с энергией больше запрещённой зоны выбивает электрон из валентной зоны;
• Термоэлектрический эффект — зависимость ЭДС контакта от температуры (эффект Зеебека), применяемый в термопарах и охладителях Пельтье;
• Гальваномагнитные эффекты — эффект Холла, магнитосопротивление;
• Туннельный эффект — прохождение электрона через потенциальный барьер при малой толщине слоя.

¶Применение

Полупроводники являются основой современной электроники. Из них изготавливают:

• Диоды — элементы с односторонней проводимостью, выпрямители переменного тока;
• Транзисторы — усилители и ключи, основа логических схем;
• Светодиоды (LED) — источники света на основе соединений полупроводников;
• Солнечные (фотоэлектрические) элементы — преобразование света в электрическую энергию;
• Интегральные схемы — процессоры, память, микроконтроллеры;
• Датчики — температуры, давления, освещённости, газов;
• Лазеры на полупроводниках — источники когерентного излучения в оптических волокнах, оптических дисках.

¶История

Первым технически применённым полупроводником стал селен, использовавшийся в конце XIX века для выпрямителей переменного тока. В 1904 году Джагдиш Чандра Бозе запатентовал полупроводниковый детектор. В 1947 году в лабораториях Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Брэттейн создали первый транзистор, за что в 1956 году были удостоены Нобелевской премии по физике. В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild независимо друг от друга разработали интегральную схему. В СССР полупроводниковая промышленность развивалась с 1950-х годов; крупнейшими центрами были Зеленоград, Новосибирский Академгородок и Дубна.

В настоящее время мировое производство кремниевых пластин превышает несколько миллионов тонн в год, а тонкость транзисторов в современных микропроцессорах измеряется единицами нанометров.

¶История

Источники: Большая российская энциклопедия (статья «Полупроводники»), учебник С. М. Сивохина «Общая физика», В. С. Вольфсон «Физика полупроводников», материалы журнала «Природа».