Полупроводники. Процессы в полупроводниках, их роль и применение

Полупроводники играют одну из ключевых ролей в современной высокотехнологичной промышленности. Эти материалы, обладающие уникальной способностью изменять свою электропроводность под воздействием внешних факторов, стали основой для создания большинства электронных устройств, которые мы используем в повседневной жизни. С учетом своего промежуточного положения между диэлектриками и металлами, полупроводники обладают не только исключительными электрическими свойствами, но и широкой областью применения, от бытовой электроники до высокотехнологичных систем, таких как спутниковая связь, медицины и энергетики.

История полупроводников начинается еще в XIX веке, однако значительный прорыв был сделан только в середине XX века. Одним из первых шагов стало открытие явления полупроводниковой проводимости. Еще в 1833 году британский ученый Майкл Фарадей впервые заметил изменения проводимости некоторых материалов при изменении температуры, что было позднее интерпретировано как начало понимания полупроводниковых явлений.

Но настоящим прорывом стало изобретение транзистора в 1947 году учеными Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Labs. Это открытие перевернуло мир электроники, так как транзисторы на основе полупроводниковых материалов стали альтернативой громоздким и ненадежным вакуумным лампам. Вскоре после этого, полупроводниковая технология пошла в массовое производство, обеспечив основу для развития интегральных схем, которые в свою очередь стали основой для создания микропроцессоров и современных компьютеров.

С развитием полупроводников, индустрия электроники претерпела значительные изменения. В 1970-х годах создание микросхем и процессоров с использованием кремния стало стандартом, а в 2000-х годах началась эра 3D-полупроводников и новых материалов, таких как углеродные нанотрубки и графен, что открыло новые горизонты для электроники.

Полупроводники представляют собой вещества, чья электропроводность существенно изменяется под воздействием внешней среды. Это качество делает их незаменимыми в ряде высокотехнологичных применений.

По величине удельного сопротивления, находящегося в диапазоне от 10^-6 до 10⁹ Ом·м при температуре около 20 °C, они занимают промежуточное положение между диэлектриками и металлами. Данный параметр сильно зависит от внешних условий, а также от количества и типа примесей, присутствующих в материале. Характерной особенностью является положительный температурный коэффициент удельной проводимости.

С точки зрения состава, к полупроводникам относят как простые элементы, такие как кремний Si, германий Ge, селен Se и другие, так и более сложные химические соединения. Последние включают бинарные соединения — от А^IB^V (например, KSb) до А^VIIIB^VI (такие как Fe₂О₃), а также тройные системы, например: А^IB^VB^VI₂ (типа CuSbS) и A^IVB^VB^VI₂ (вроде PbBiSe₂). Также применяются твердые растворы, например: GeSi, GaAs_1-xP_x и другие.

К категории многофазных полупроводников относят такие материалы, как карбид кремния, графит с керамическими связующими компонентами (например, тирит, силит и аналоги). Помимо этого, развиваются направления по созданию стеклообразных и даже жидких полупроводников.

Одним из главных факторов, определяющих ценность полупроводников, стало их широкое техническое применение. На основе этих материалов изготавливаются ключевые компоненты современной электроники: диоды, транзисторы, тиристоры, фотодетекторы, светодиоды, лазеры, а также сенсоры давления, температуры, магнитного поля, излучений и других величин.

Прорыв в области полупроводниковой электроники стал толчком к масштабной миниатюризации электронных устройств. Полупроводниковые приборы выгодно отличаются от ламповых аналогов: они компактны, надежны, не требуют накальных цепей, устойчивы к ударам и вибрациям, имеют низкое энергопотребление и обладают высокой механической прочностью. К тому же, при массовом производстве такие устройства становятся экономически выгодными.

По механизму генерации носителей заряда полупроводниковые материалы классифицируются на собственные и примесные. Собственные полупроводники представляют собой чистые вещества, не содержащие акцепторных либо донорных добавок.

1. Электропроводность полупроводников

Полупроводники подразделяются на собственные и примесные в зависимости от наличия в их составе посторонних атомов. Первые представляют собой кристаллы без добавления сторонних элементов, тогда как вторые содержат донорные или акцепторные примеси, изменяющие свойства материала.

Рассмотрим механизм генерации свободных зарядов в собственных полупроводниках на примере атома кремния (Si). У атома Si четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Эти электроны формируют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами в кристаллической решетке (см. рисунок 1, а).

Рисунок 1 – Si (а) и энергетическая зонная диаграмма собственного полупроводника (б)

При температуре, стремящейся к 0 К, или при отсутствии энергетического воздействия, все валентные электроны участвуют в ковалентных связях, свободных носителей тока нет, и материал по проводимости подобен диэлектрику. Однако при нагревании или подаче внешней энергии возможен разрыв ковалентной связи, в результате чего один электрон переходит в зону проводимости. Энергия, необходимая для такого перехода, называется энергией активации ΔW, и она равна ширине запрещенной зоны. Для кремния этот показатель составляет ΔW = 1,12 эВ (рисунок 1, б).

Если в кристаллическую решетку Si добавить мышьяк (As) — элемент V группы, имеющий пять валентных электронов, то один из них не участвует в формировании связей и удерживается ядром атома только кулоновской силой (рисунок 2, а).

Рисунок 2 – Плоская модель кристаллической решетки: полупроводника n–типа (а) (кремния Si, легированного мышьяком As) и энергетическая зонная диаграмма донорного полупроводника (б)

Такие примеси называют донорными, а материал с подобными добавками – n-типа, поскольку в нем появляется дополнительный электрон как носитель заряда. Электропроводность в таком полупроводнике обеспечивается именно электронами.

С другой стороны, при легировании кремния элементом III группы, например алюминием (Al), все три электрона Al участвуют в ковалентных связях, но для завершения всех связей одного электрона не хватает (рисунок 3, а).

Рисунок 3 – Плоская модель кристаллической решетки: полупроводника р-типа (а) (кремния Si, легированного алюминием Al) и энергетическая зонная диаграмма акцепторного полупроводника (б)

Такую примесь относят к акцепторным, поскольку она «принимает» электроны, оставляя в решетке «дырки» — свободные вакансии для перемещения электронов. Полупроводник с подобной структурой называют p-типа, и здесь основными носителями тока являются дырки.

Таким образом, электропроводность полупроводников напрямую зависит от температурного режима, структуры решетки и введённых примесей. В зависимости от их характера формируется n- или p-тип проводимости, что используется в создании современных полупроводниковых приборов.

2. Связь электропроводности полупроводника с концентрацией и подвижностью носителей заряда

Удельная электрическая проводимость полупроводников определяется не только концентрацией носителей, но и их подвижностью. В электронных полупроводниках она выражается суммой γ_пр и γ_соб — удельных проводимостей, вызванных примесями и собственными носителями:

(4)

где γ_пр = n_дeµ_n, а n_д — концентрация свободных электронов, вызванных донорными примесями.

В случае полупроводников с дырочной электропроводностью, зависимость аналогична:

(5)

где γ_пр = р_аeµ_p, а р_а — концентрация дырок, появляющихся за счет акцепторных примесей.

При наличии внешнего электрического поля через полупроводник протекает ток, плотность которого выражается следующим образом:

(1)

где n — концентрация электронов в зоне проводимости, e — заряд электрона, v_n — их скорость.

Полная плотность тока в полупроводниковом материале:

(2)  (3)

где µ_n и µ_p — это подвижности электронов и дырок соответственно.

3. Зависимость электропроводности полупроводников от воздействия внешних факторов

С увеличением температуры полупроводниковый материал изменяет свои электрические свойства в зависимости от степени активации носителей заряда. На начальном участке температурной шкалы (1–2), при Т → 0 K, концентрация носителей определяется исключительно неуправляемыми факторами: технологическими дефектами, нарушениями решетки и случайными примесями (рисунок 4, а).

Рисунок 4 – Зависимость концентрации свободных носителей зарядов от температуры: Т полупроводника (а); зависимость проводимости от температуры Т полупроводника (б)

С повышением температуры (область 2–3) электроны начинают покидать донорные уровни и переходить в зону проводимости. Аналогично дырки возникают, когда электроны покидают валентную зону и переходят на акцепторные уровни. Этот процесс активируется тепловой энергией, и число носителей возрастает.

На участке 3–4 все примесные уровни оказываются исчерпанными. Электроны с донорных уровней уже полностью перешли в зону проводимости, а акцепторные атомы максимально захватили электроны из валентной зоны. Концентрация носителей в это время стабилизируется, но электропроводность слегка снижается из-за теплового рассеяния носителей на колеблющихся атомах кристаллической решетки.

С дальнейшим ростом температуры (участок 4–5) тепловой энергии становится достаточно для активации собственных носителей заряда — происходят массовые переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, что значительно увеличивает электропроводность материала.

График зависимости электропроводности от обратной температуры (рисунок 4, б) подтверждает аналогичное поведение, включая фазу истощения примесей и зону преобладания собственных носителей.

4. Термоэлектрические эффекты в полупроводниковых материалах

В полупроводниках и проводниках наблюдаются уникальные физические явления, при которых происходит преобразование тепловой энергии в электрическую и наоборот — это так называемые термоэлектрические эффекты. Основные из них — эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона.

Эффект Зеебека проявляется в том, что в замкнутой электрической цепи, образованной двумя различными по составу полупроводниками, на контактах с разной температурой (∆T ≠ 0) возникает ток — термоэлектрический ток. В незамкнутой цепи возникает разность потенциалов U_т, называемая термоЭДС. Её величина зависит от материала и определяется коэффициентом α:

(6)

где α — коэффициент термоЭДС, зависящий от состава термопары и температурного диапазона.

Рисунок 5 – Схема, иллюстрирующая термоэффект в полупроводниках

Эффект Пельтье заключается в тепловом воздействии на контакт разнородных полупроводников при прохождении через него электрического тока. В зависимости от направления тока контакт либо нагревается, либо охлаждается. Количество теплоты, связанное с этим процессом, рассчитывается по формуле:

(7)

где П — коэффициент Пельтье, I — сила тока, t — время.

Связь между эффектами Пельтье и Зеебека выражается равенством: α = П/Т.

Эффект Томсона проявляется в выделении или поглощении тепла в однородном полупроводнике, по которому протекает ток вдоль температурного градиента. Количество теплоты Томсона выражается следующим образом:

(8)

где τ — коэффициент Томсона.

Все три упомянутых явления термоэлектрической природы тесно взаимосвязаны и могут быть описаны единой системой уравнений:

(9)

Полупроводниковые приборы, основанные на термоэлектрических свойствах

Терморезистор — это элемент, сопротивление которого существенно зависит от температуры. Используются следующие типы терморезисторов:

• на основе кобальта и марганца;
• медно-марганцевые;
• медно-кобальто-марганцевые сплавы.

Варистор — устройство, в котором электропроводность изменяется под воздействием внешнего электрического поля. Варисторы производятся из таких материалов, как карбид кремния и селен.

Ключевая характеристика варистора — критическая напряженность поля E_КР, при которой заметно возрастает подвижность и концентрация носителей заряда. Закон Френкеля описывает эту зависимость:

Рисунок 6 – Электропроводность полупроводника при разных значениях напряженности: участок 1–2 — зона действия закона Ома, участок 2–3 — увеличение концентрации носителей под воздействием поля.

(10)

(11)

Гальваномагнитные явления: эффект Холла

Эффект Холла — гальваномагнитное явление, при котором в полупроводнике с протекающим током I, помещённом в перпендикулярное магнитное поле B, возникает поперечное электрическое поле E. Это приводит к появлению так называемой ЭДС Холла.

Рисунок 7 – Генерация ЭДС Холла U_Х в полупроводниковом образце

(12)

Для различных типов полупроводников выражения эффекта Холла будут следующими:

Для n-типа:

(13)

Для p-типа:

(14)

Для собственного полупроводника:

(15)

5. Контакт между электронным и дырочным полупроводниками (p-n переход)

Когда полупроводник имеет область с электронной электропроводностью и область с дырочной электропроводностью, граница между ними называется p-n переходом. Этот переход разделяет две области, каждая из которых имеет свои уникальные свойства проводимости.

Модели полупроводников с электронной и дырочной проводимостью представлены на рисунке 8, где показана полупроводниковая пластина. На начальном этапе, когда части пластины еще не соприкасаются, обе области находятся в электрическом равновесии, без избыточного заряда. В n-области концентрация свободных электронов выше, чем в p-области, в то время как в p-области концентрация дырок больше, чем в n-области. В границе этих областей возникает диффузионное электрическое поле E_д (рисунок 8, а), которое ограничивает дальнейшее перемещение зарядов и препятствует их диффузии.

Если приложить внешнее электрическое поле Е, напряжение которого будет совпадать с диффузионным полем E_д, то переход между областями будет заблокирован, и ток через него не будет проходить (рисунок 8, б).

Рисунок 8 – Принцип работы полупроводникового выпрямителя: а – идеальная ситуация без внешнего напряжения; б – заблокированный переход при приложении внешнего напряжения; в – через переход проходит прямой ток при изменении направления электрического поля

Когда полярность приложенного электрического поля изменяется, оно начинает действовать противоположно диффузионному полю E_д. В этом случае переход в полупроводнике насыщается носителями заряда, что приводит к «открытию» перехода и протеканию тока в прямом направлении (рисунок 8, в).

6. Классификация и область применения полупроводников

Простые полупроводники

Германий является одним из первых полупроводников, который нашел широкое применение в изготовлении полупроводниковых приборов. Он используется в производстве выпрямительных диодов, импульсных диодов, транзисторов, фотодиодов, фоторезисторов, тензометров, тиристоров и других устройств.

Кремний относится к элементам IV группы периодической таблицы Менделеева. В производственном процессе кремний представляет собой более сложный материал, чем германий, поскольку имеет высокую температуру плавления 1420°C и активен в расплавленном состоянии. В применении кремний используется для создания различных типов диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, стабилитронов, датчиков Холла, интегральных схем и других полупроводниковых компонентов.

Для производства полупроводниковых приборов также используют элементы группы VI, такие как селен (Se) и теллур (Te).

Таблица 1 – Электрическая активность легирующих примесей в германии и кремнии

Сложные полупроводники

Карбид кремния SiC представляет собой соединение кремния и углерода из группы IV элементов, с химической формулой SiC_х (где х=1). В составе этого соединения 70% кремния и 30% углерода по массе. Карбид кремния получают в дуговых электропечах методом спекания кварцевого песка SiO₂ и кокса (С). Кристаллы SiC, полученные в чистом виде, бесцветны, однако наличие примесей или преобладание одного из элементов придает им различные окраски. Электропроводность этих кристаллов при температуре 20°C является примесной и может значительно варьироваться в зависимости от состава.

С увеличением приложенного напряжения электропроводность SiC значительно возрастает, что приводит к нелинейной вольт-амперной характеристике (ВАХ) этого материала. Это свойство используется для создания варисторов.

SiC активно используется в области электротехники, в частности:

• для резисторов в вентильных разрядниках, предназначенных для защиты линий электропередачи (ЛЭП) от перенапряжений;
• для нагревательных элементов высокотемпературных электропечей;
• для поджигателей в игнитронных устройствах и других приложениях.

В варисторах SiC зерна материала связываются с использованием различных связующих веществ, таких как глина, ультрафарфор или жидкое стекло.

Интересные факты

1. Без полупроводников не было бы интернета. Каждый компьютер, смартфон, сервер и маршрутизатор построен на основе микросхем, содержащих миллиарды транзисторов.
2. Кремний — король полупроводников. Кремний занимает около 90% рынка полупроводников благодаря доступности, устойчивости и удобству легирования.
3. Солнечные панели — детище полупроводников. Фотоэлектрический эффект в полупроводниках, открытый Альбертом Эйнштейном (за что он получил Нобелевскую премию в 1921 году), лежит в основе солнечных элементов.
4. Галлий и индий — ценные металлы. Многие современные полупроводниковые устройства (например, светодиоды и лазеры) создаются на основе арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP), обладающих особыми оптоэлектронными свойствами.
5. Графен и новые горизонты. Современные исследования фокусируются на двумерных материалах, таких как графен и переходные металлы дихалькогениды, которые могут превзойти традиционные полупроводники по скорости и энергоэффективности.

Заключение

Полупроводники стали неотъемлемой частью нашей жизни и основой для прогресса в таких областях, как электроника, связь, медицина и энергетика. Их способность изменять электропроводность под воздействием внешней среды открыло возможности для создания множества устройств, от простых диодов до сложных интегральных схем.

Полупроводниковая индустрия продолжает развиваться, предлагая все новые и более совершенные решения для технологических и экологических задач. В будущем можно ожидать еще большего прогресса в области полупроводников, благодаря чему мы сможем создавать более эффективные и компактные устройства, улучшая качество жизни и решая ключевые проблемы человечества.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Современные смазочные материалы: их классификация, характеристики и применение - 03.05.2025
• Современные методы и средства измерения влажности древесины и древесных материалов - 03.05.2025
• Автономные установки для удаления пыли и стружки: преимущества и перспективы применения - 03.05.2025