Относительная диэлектрическая проницаемость.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ

Важнейшая роль полупроводников в радиоэлектронике обусловлена тем, что они служат основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать одни виды энергии в другие (но не в тепло) в малом объеме твердого тела без существенных потерь [8].

Приведем признаки полупроводниковых материалов.

1. Основным признаком полупроводника является большая, чем у металлов, но меньшая, чем у диэлектриков, электропроводность.

2. Полупроводники при комнатной температуре могут иметь удельное сопротивление 10^-4¸10⁹Ом×см, удобное для технических применений.

3. Удельное сопротивление любого полупроводника можно изменять в широких пределах (на несколько порядков значений r), варьируя концентрацией электрически активных примесей - донорных и акцепторных. По этому признаку полупроводники отличаются от диэлектриков, удельное сопротивление которых слабо зависит от состава, поскольку электрически активных примесей для диэлектриков не существует.

4. При неизменном составе и структуре удельное сопротивление полупроводников может изменяться за счет подвода внешней энергии: тепловой, электромагнитной, радиационной, ядерной, механической.

5. Удельное сопротивление полупроводников падает при нагревании, так как растет число свободных электронов за счет увеличения числа перебросов электронов (3) из валентной зоны (2) в зону проводимости (1) (рис. 1.1).

6. Ширина запрещенной зоны полупроводников лежит в пределах 0<_З<3 эВ.

7. В широком диапазоне значений электрические параметры полупроводников строго однозначны и предсказуемы благодаря высокой чистоте и совершенной, как правило, монокристаллической структуре.

 

Классификация.

По агрегатному состоянию полупроводниковые материалы используются в твердом виде. По структуре бывают монокристаллические, поликристаллические и аморфные. По химическому составу полупроводниковые материалы делятся на простые и сложные, а также органические и неорганические. Большее применение получили неорганические. Простые полупроводники состоят из одного химического элемента: кремний (Si), германий (Ge). Сложные - из нескольких химических элементов, это могут быть двойные и тройные соединения, например, арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия – алюминия (GaAl_xAs_(1-x)), x – % содержание компонента.

В зависимости от типа проводимости полупроводники делятся на собственные, электронные и дырочные.

1.3. Параметры полупроводниковых материалов:

1. Ширина запрещенной зоны. (j_з, эВ) – энергия, которая необходима, чтобы вырвать электрон из связи. j_з – не является константой материала, т. к. меняется с ростом температуры. Поэтому в справочниках указывают температуру, при которой измерено j_з. Она является структурно не чувствительным параметром до тех пор, пока полупроводник не становится вырожденным. Она определяет и многие другие свойства полупроводниковых материалов, например верхнюю рабочую температуру полупроводниковых приборов. Чем больше j_з, тем больше эта верхняя рабочая температура полупроводникового материала. Значение верхних рабочих температур приведено в таблице 1.1

 

Таблица 1.1

	jз, эВ	T, °C	ni, см-3
Ge	0,71		1013
Si	1,12		1010
GaAs	1,43		106

 

Ширина запрещенной зоны (j_з) определяет концентрацию собственных зарядов полупроводника (n_i) и чем больше j_з, тем больше концентрация собственных зарядов. Соотношение j_з и n_i приведено в таблице 1.1. Она так же определяет длину волны света, испускаемого полупроводником при излучательной рекомбинации, так называемую красную границу (l_кр) испускания. Значение l_кр определяется выражением:

Чем больше j_з, тем меньше l_кр. Значение l_кр определяет оптическую прозрачность полупроводника. Для кремния с j_з = 1,12 эВ красная граница лежит за пределами видимого спектра, фосфид индия имеет j_з = 0,6 эВ, поэтому l_кр находится в пределах видимого света, и он прозрачный материал жёлтого цвета.

2. n_i-концентрация собственных носителей заряда (cм^-3, м^-3).

Значение n_i указывается при строго определенной температуре, т. к. сильно зависит от нее. Эта зависимость носит экспоненциальный характер и определяется выражением:

 

Графическая зависимость изображается, как функция lnn_i от 1/Т и представлена на рис.1.2

 

 

3. Подвижность свободных носителей заряда (m_n и m_p)

Подвижность равна дрейфовой скорости свободных зарядов в поле напряженностью 1в/м или 1в/см. Единицей измерения подвижности являются (см²/В×с; м²/В×с). Подвижность определяет быстродействие полупроводниковых приборов. Поскольку, m_n>m_p, то приборы на электронных полупроводниках являются более высокочастотными, чем на дырочных. Подвижность является структурночувствительным параметром и, с увеличением концентрации примеси, подвижность падает. Значение подвижности так же зависит от температуры, и эта зависимость приведена на рис.1.3.

 

4. Эффективная масса электронов и дырок m_n, m_p приводится в соотношении к массе покоя частиц.

 

Относительная диэлектрическая проницаемость.

 

Плотность материала.