Электрические свойства полупроводников: ключевые параметры и их влияние на работу устройств

Какие основные электрические свойства характеризуют полупроводники. Как время жизни носителей заряда влияет на работу полупроводниковых приборов. Почему удельное сопротивление и подвижность носителей важны при разработке устройств. От чего зависит диффузионная длина в полупроводниках.

Ключевые электрические параметры полупроводников

Электрические свойства полупроводников играют решающую роль в работе полупроводниковых приборов и интегральных схем. Рассмотрим основные параметры, определяющие поведение полупроводников:

• Время жизни неосновных носителей заряда
• Удельное сопротивление
• Подвижность носителей заряда
• Диффузионная длина
• Свойства дефектов

Время жизни неосновных носителей заряда

Время жизни неосновных носителей заряда — один из важнейших параметров полупроводникового материала. Оно определяется как среднее время, в течение которого избыточный неосновной носитель существует до рекомбинации.

От чего зависит время жизни носителей заряда?

• От количества примесей и дефектов в полупроводнике
• От уровня инжекции (концентрации избыточных носителей)
• От концентрации легирующей примеси

Более длительное время жизни носителей обычно свидетельствует о более высоком качестве материала. Для кремния время жизни может достигать 1 мс, а для прямозонных полупроводников вроде GaAs — порядка нс-мкс.

Удельное сопротивление полупроводников

Удельное электрическое сопротивление — ключевой параметр, напрямую зависящий от концентрации носителей заряда в полупроводнике. Почему удельное сопротивление так важно?

• Позволяет контролировать профиль распределения легирующей примеси
• Дает информацию об однородности полупроводникового материала
• Влияет на время жизни и диффузионную длину носителей заряда

Удельное сопротивление часто измеряется бесконтактным методом вихревых токов. Чем выше электропроводность образца, тем больше индуцированные вихревые токи и их противодействие внешнему магнитному полю.

Подвижность носителей заряда в полупроводниках

Подвижность носителей заряда характеризует скорость их дрейфа в приложенном электрическом поле. От чего зависит подвижность?

• От процессов рассеяния носителей на дефектах кристаллической решетки
• От рассеяния на примесях
• От уровня легирования полупроводника
• От уровня инжекции носителей

Подвижность носителей заряда напрямую влияет на быстродействие полупроводниковых приборов. Более высокая подвижность обеспечивает более высокое быстродействие устройств.

Диффузионная длина носителей заряда

Диффузионная длина — это среднее расстояние, которое проходят избыточные носители до рекомбинации. Как связана диффузионная длина с другими параметрами?

Диффузионная длина L определяется формулой:

L = √(Dτ)

где D — коэффициент диффузии, τ — время жизни носителей.

Диффузионная длина важна по следующим причинам:

• Ограничивает разрешающую способность электрических измерений
• Влияет на эффективность работы солнечных элементов и фотоприемников
• Определяет ширину базы биполярных транзисторов

Свойства дефектов в полупроводниках

Дефекты кристаллической структуры оказывают существенное влияние на электрические свойства полупроводников. Какие основные параметры характеризуют дефекты?

• Энергия активации
• Сечение захвата носителей заряда
• Концентрация дефектов

Знание свойств дефектов необходимо для:

• Оценки качества полупроводниковых материалов
• Прогнозирования деградации параметров приборов
• Разработки методов улучшения характеристик полупроводников

Моделирование электрических свойств полупроводников

Для лучшего понимания поведения полупроводников и оптимизации приборов на их основе широко применяется компьютерное моделирование. Какие задачи решает моделирование?

• Расчет профилей распределения носителей заряда
• Анализ влияния различных факторов на время жизни носителей
• Оптимизация параметров полупроводниковых структур
• Прогнозирование характеристик приборов

Современные средства моделирования позволяют учитывать множество физических эффектов и проводить комплексный анализ работы полупроводниковых устройств.

Влияние электрических свойств на работу полупроводниковых приборов

Электрические свойства полупроводников напрямую определяют характеристики и эффективность работы полупроводниковых приборов. Как конкретные параметры влияют на устройства?

• Время жизни носителей влияет на быстродействие переключающих приборов
• Подвижность носителей определяет частотные свойства транзисторов
• Удельное сопротивление важно для работы силовых полупроводниковых приборов
• Диффузионная длина влияет на эффективность солнечных элементов

Тщательный контроль и оптимизация электрических свойств позволяют создавать высокоэффективные полупроводниковые приборы для различных применений.

Методы измерения электрических свойств полупроводников

Для определения электрических параметров полупроводников применяются различные методы измерений. Какие основные методы используются?

• Метод Ван дер Пау для измерения удельного сопротивления
• Эффект Холла для определения концентрации и подвижности носителей
• Метод фотопроводимости для измерения времени жизни носителей
• Емкостные методы для анализа профиля легирования

Современные методики позволяют проводить высокоточные измерения параметров как объемных полупроводников, так и тонких пленок и наноструктур.

Заключение

Электрические свойства полупроводников играют ключевую роль в работе полупроводниковых приборов и интегральных схем. Понимание физических процессов, определяющих эти свойства, и умение управлять ими позволяет создавать высокоэффективные устройства для различных применений — от микроэлектроники до солнечной энергетики.

Дальнейшее изучение электрических свойств полупроводников, разработка новых методов их контроля и модификации остаются важными задачами современной физики и технологии полупроводников.

Электрические свойства полупроводников

Производительность полупроводниковых устройств в основном зависит от электрических параметров исходного материала, а также от наличия тех или иных электрических дефектов. С развитием усовершенствованного MDP метода анализа стало возможным измерение ключевых электрических свойств полупроводников с высокой чувствительностью, разрешением и скоростью.

Время жизни неосновных носителей заряда

Данный параметр является одним из наиболее важных и значимых параметров материала. Он чрезвычайно чувствителен к наименьшему количеству примесей или собственных дефектов материала и, следовательно, является идеальным параметром для онлайн анализа качества материала и технологического процесса. Время жизни неосновных носителей заряда имеет важное значение для производительности многих полупроводниковых приборов. Время жизни носителя определяется как среднее время, которое требуется избыточному неосновному носителю для рекомбинации, и также сильно зависит от величины и типа рекомбинационных процессов в полупроводнике.

Основными типами рекомбинационных процессов являются:

• рекомбинация ⇒ через дефекты
• рекомбинация Оже
• собственная или излучательная рекомбинация ⇒ через зоны (межзонная)

Для кремния SRH рекомбинация («Шокли-Рида-Холла») часто является доминирующим механизмом рекомбинации. Время жизни неосновных носителей заряда в объеме (τ

bulk) зависит соответственно от количества присутствующих дефектов и их рекомбинационных свойств. В кремнии время жизни может достигать 1 мс, тогда как в прямозонном полупроводнике, таком как GaAs, где доминирующей является излучательная рекомбинация, время жизни находится в диапазоне нс…мкс.

Рис. 1. Энергетическая схема различных типов рекомбинации.

Помимо дефектов, время жизни неосновных носителей зависит от уровня инжекции (концентрации избыточных носителей) и концентрации легирующей примеси. На рисунках 2 и 3 отображены зависимости времени жизни от двух последних параметров.

Рис. 2. Зависимость типов рекомбинации от уровня инжекции.

Рис. 3. Зависимость типов рекомбинации от концентрации легирующей примеси.

Измеренное эффективное время жизни носителей (τ

eff) определяется объемным (τ_bulk) и поверхностным (τ_surface) временем жизни, зависящим от свойств поверхности материала, и может быть выражено через следующую формулу:

Следовательно, поверхность должна быть пассивирована, если требуется измерение объемных свойств по образцу. Если же необходимо исследовать качество пассивации поверхности, то рекомендуется проводить анализ, на примере кремния, на Fz-si, поскольку объемной рекомбинацией можно пренебречь. Также не стоит забывать, что измеренное эффективное время жизни носителей зависит от измерительного метода.

Фотопроводимость

Когда свет достаточной энергии поглощается полупроводником, число свободных электронов и дырок в нем изменяется и повышает его электропроводность. Это увеличение называется фотопроводностью, зависит от концентрации избыточных электронов и дырок и их подвижности и может быть выражено через следующие уравнения:

G_opt – это скорость оптической генерации, которая зависит от интенсивности падающего света, диаметра пятна на поверхности образца и длины волны излучения:

Из уравнения (2) следует, что фотопроводимость пропорционально произведению времени жизни τ и подвижности μ носителей заряда. Следовательно, она также пропорциональна квадрату диффузионной длины L, определяющейся по формуле (4):

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление напрямую зависит от плотности полупроводника и, следовательно, является полезным параметром для контроля профиля распределения легирующей примеси и однородности. Время жизни и диффузионная длина также зависят от концентрации легирующей примеси. Поскольку легирование смещает уровень Ферми, то в большинстве случаев увеличивается скорость SRH рекомбинации.

Кроме того, поскольку при сильном легировании более вероятна рекомбинация Оже, сам процесс рекомбинации также усиливается.

Часто удельное сопротивление измеряется бесконтактным методом вихревых токов. Вихревой ток возникает, когда образец подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля из-за изменений поля во времени, например, если в катушке, расположенной в непосредственной близости от образца, протекает переменный ток. Это вызывает ток в объеме образца, а циркулирующие вихри тока создают индуцированные магнитные поля, которые противодействую изменению исходного магнитного поля. Чем выше электропроводность образца, тем больше развивающиеся токи и тем больше будет противоположное поле. Другими словами, измеряются электрические потери в материале, напрямую связанные с удельным сопротивлением образца.

Стоит также учитывать, что измерение зависит и от расстояния от катушки до образца и, следовательно, от геометрических особенностей образца.

Подвижность носителей заряда

Подвижность – это величина, связанная со скоростью дрейфа электронов или дырок в приложенном электрическом поле через материал. Подвижность зависит от различных процессов рассеяния, которые могут замедлять свободные носители, таких как столкновения с решеткой (lattice) или рассеяние на кристаллических дефектах и примесях (impurities) и определяется по следующей формуле:

Следовательно, подвижность носителей заряда зависит от уровня легирования и плотности дефектов, а также от уровня инжекции. Обычно при моделировании и измерениях применяется модель Dorkel-Leturcq.

Рис. 4. Зависимость подвижности электронов и дырок от инжекции для разных концентраций легирующей примеси.

Диффузионная длина

Данный параметр представляет собой среднее расстояние, которое избыточные носители могут пройти, прежде чем они рекомбинируют. Диффузионная длина зависит от времени жизни носителей τ и их подвижности μ и определяется по следующей формуле:

где D – это диффузионный коэффициент, зависящий от подвижности носителей заряда:

Диффузионная длина служит своеобразным ограничением, влияющим на разрешающую способность для каждого электрического измерения. Например, при измерении образцов кремния высокого качества может быть достигнуто максимальное разрешение в 1 мм.

Свойства дефектов

Анализ данных свойств имеет особое значение для понимания эффективности и оценки качества материалов. Любой электрический дефект в полупроводнике определяется следующими параметрами:

• Энергия активации
• Поперечное сечение захвата σ_p и σ_n
• Плотность дефектов

Рис. 5. Энергетическая схема дефекта и его важных параметров.

Все эти свойства для оценки дефектов являются частью используемых имитационных моделей.

Имитационная модель времени жизни

Чтобы лучше понять измерения времени жизни и добиться более хорошей сопоставимости результатов между различными методами измерения, необходимо моделирование.

Обобщенные уравнения скорости для моделирования времени жизни

Данная модель основана на обобщенной системе уравнений скорости, которая решается для всех возможных переходов между уровнями дефектов в запрещенной зоне и зонами полупроводника. Единственное приближение состоит в том, что никакие взаимодействия между уровнями дефекта не включены в рассмотрение. Это является правильным приближением, так как плотность дефектов, например, в кремнии обычно низкая.

Применяемая система уравнений скорости описывает зависящее от времени изменение концентрации носителей в зоне проводимости и валентной зоне, а также на энергетических уровнях дефектов. В эту систему уравнений включены скорости оптической (G_opt) и тепловой (G_th) генерации, скорости межзонной рекомбинации (R_bb) и рекомбинации Оже (R_Aug), а также скорости захвата и излучения носителей от всех дефектов (C_j, D_j, E_j, F_j).

Рис. 6. Энергетическая схема всех скоростей перехода, которые учитываются при моделировании.

Скорости перехода без приближений могут быть описаны по следующим формулам:

Из смоделированной зависимости от времени изменения концентрации носителей с помощью модели подвижности Dorkel-Leturcq может быть рассчитана фотопроводимость. Далее время жизни неосновных носителей заряда может быть извлечено из переходного процесса фотопроводимости при принятии G_opt = 0.

Данная имитационная модель имеет ряд преимуществ по сравнению с SRH или PC1D:

• Время жизни не параметр, а прямой результат
• Может быть смоделировано нестационарное состояние
• Может быть включено произвольное число уровней

Инструмент численного моделирования подходит для моделирования измерений, связанных с инжекцией и температурой, для исследования влияния захвата на время жизни и фотопроводимость, а также для сравнения MDP и µ-PCD или других методов измерений. Подводя итог можно сказать, что данный тип моделирования позволяет сделать измерения времени жизни более сопоставимыми и добиться лучшего понимания результатов.

Рис. 7. Изменение параметра E_T (энергия активации).

Рис. 8. Изменение параметра N_T (плотность дефектов).

Рис. 9. Изменение параметра σ_p (поперечное сечение захвата).

Имитационная модель профилей носителей заряда

Профиль глубины носителя заряда, который развивается в образце, сильно влияет на измеренное время жизни – именно поэтому необходимо учитывать этот эффект.

Симуляция профилей носителей заряда в толстых образцах

Измерение толстых образцов в виде брусков и слитков всегда приводит к новым вопросам и проблемам. Одним из таких вопросов заключается в том, как профили носителей заряда, которые развиваются в образце, влияют на измерения времени жизни. Чтобы решить эту проблему, был разработан инструмент моделирования для симуляции профилей носителей заряда. Этот инструмент состоит из системы дифференциальных уравнений в частных производных из уравнений переноса для электронов и дырок и уравнения Пуассона:

Примеры симуляции для измерений с длинным (типовое состояние для MDP) или очень коротким (типовое состояние для µ-PCD) световым импульсом на толстых непассивированных образцов показаны на рисунках 10 и 11. Становится ясно, что профиль носителя длинного светового импульса расширяется через большой объем образца, тогда как профиль светового импульса длиной всего в 200 нс находится очень близко к поверхности. Это оказывает прямое влияние на измеренное время жизни, поскольку поверхностная рекомбинация оказывает гораздо более сильное влияние на измерения методом µ-PCD.

Рис. 10. Симуляция профиля носителя заряда для типового состояния MDP: длительность импульса 200 мкс; сильное влияние объема образца на результат – профиль уширяется по объему.

Рис. 11. Симуляция профиля носителя заряда для типового состояния µ-PCD: длительность импульса 200 нс; сильное влияние поверхности образца на результат – профиль вблизи поверхности.

На рис. 12 показано количественное влияние поверхностной рекомбинации на эффективное время жизни для обоих методов измерения. Измерения методом MDP менее подвержены поверхностному воздействию, поэтому больше подходят для исследования объемных свойств. Тогда как метод µ-PCD является идеальным методом для исследования свойств поверхности образца.

Рис. 12. Оценка эффективного времени жизни как функции общего времени жизни для обоих методов.

Электрические свойства полупроводников. » Журнал практической электроники Датагор

Эта статья в основном предназначена для тех, кто только-только начал первые шаги в области радиотехники, но может быть полезна и опытным радиолюбителям или студентам.
В первой части статьи разъясняются процессы, происходящие в полупроводниках на атомном уровне, расписываются такие понятия, как валентная зона

,
зона проводимости
,
собственная электропроводность
и другие. Остальные пять частей будут постепенно выкладываться в раздел «Начинающим».

↑ Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника

К полупроводниковым относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характерной чертой полупроводников, отличающей их от других веществ, является сильная зависимость их сопротивления от температуры и концентрации примесей.
В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе таблицы Менделеева.

Все вещества состоят из атомов. Атом включает положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам с определенным радиусом.

Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 3.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут обладать лишь значениями энергий, равными W1

,
W2
,
W3
,
W4
, и не могут иметь промежуточных уровней.

Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются валентными. Установлено, что в атоме любого вещества одинаковая энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, вследствие их взаимодействия энергетические уровни электронов, вращающихся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме. В результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называют валентной зоной

(рис. 3.1,б).

Производство

Исследование и первые попытки создания полупроводниковых приборов проводились в СССР еще в 1920-30-х годах. В 1924 году в Нижегородской радиолаборатории учёный О. В. Лосев создал полупроводниковый детектор-усилитель и детектор-генератор электромагнитных излучений на частоты до десятков МГц. На этой основе впервые в мире было создано детекторное приемопередаточное устройство — кристадин.

Позже в СССР для развития отрасли были созданы научно-исследовательские институты и центры. В 1956 году введен в эксплуатацию Завод полупроводниковых приборов. Среди продукции завода на то время — пальчиковые лампы широкого применения и сверхминиатюрные стержневые лампы, первые полупроводниковые диоды Д2, диоды Д9, Д10, Д101-103А, Д11, стабилитроны Д808-813.

В 2014 году на Заводе полупроводниковых приборов была запущена новая линия производства для разработки и освоения современных сложных корпусов для интегральных микросхем.

Среди крупных производителей интегральных микросхем в СССР и РФ — ОКБ «Искра». Среди продукции предприятия — сильноточные транзисторы, транзисторные модули и силовые быстровосстанавливающиеся диоды. В настоящее время предприятие выпускает микросхемы для нужд российского флота, армии, космоса и атомной энергетики.

На данный момент оба предприятия входят в холдинг «Росэлектроника».

> См. также

• Полупроводник
• Полупроводниковые материалы

↑ Образование свободных электронов и дырок в полупроводнике

При абсолютном нуле (абсолютный нуль — наиболее низкая возможная температура —273,16 °С; в настоящее время достигнуты температуры, отличающиеся от абсолютного нуля на ничтожные доли градуса) все валентные электроны находятся на орбитах и прочно связаны с атомами. Поэтому в таком полупроводнике нет свободных электронов и он представляет собой идеальный изолятор (диэлектрик). С ростом температуры валентные электроны получают дополнительную энергию и могут оторваться от атома. Оторвавшийся электрон становится «свободным». Энергетические уровни свободных электронов образуют зону проводимости, расположенную над валентной зоной и отделенную от нее запрещенной зоной шириной ΔW (рис. 3.1, в). Свободные электроны могут перемещаться по полупроводнику и участвовать таким образом в образовании электрического тока. Чем больше свободных электронов в единице объема вещества, тем меньше его сопротивление.

Между атомами в кристалле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращения двух электронов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис. 3.2, а). Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, и их атомы имеют по 4 валентных электрона. В результате образования парных ковалентных связей все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плоские модели кристаллических решеток чистого германия Ge и кремния Si изображены на рис. 3.2, б. На этом рисунке парные ковалентпые связи показаны двумя параллельными линиями, соединяющими два соседних атома, а электроны, образующие эти связи,— в виде черных точек.

При сообщении электрону дополнительной энергии ковалентная связь может нарушиться и он станет свободным. Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон, называют дыркой. На энергетической диаграмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне, с которого электрон перешел в зону проводимости (рис. 3.2, г).

Образование свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне называют генерацией подвижных носителей заряда, или генерацией пар электрон — дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровождается появлением дырки в валентной зоне.

Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, из зоны проводимости перейти в валентную зону, заполнив собой одну из имеющихся в ней дырок. При этом восстанавливается ковалентная связь. Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбинация всегда сопровождается потерей пары электрон—дырка.

↑ Электронный и дырочный токи в полупроводниках

При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, т. е. некоторое количество свободных электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны под действием образовавшегося электрического поля будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать другие — разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупроводнике могут перемещаться не только электроны, но и дырки, и электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.
Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок,— собственной электропроводностью.

Полупроводниковые приборы

Термисторы

Электрическое сопротивление полупроводников в значительной степени зависит от температуры. Это свойство используют для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Такие приборы называют терморезисторами

или
термисторами
. Полупроводниковое вещество помещается в металлический защитный чехол, в котором имеются изолированные выводы для включения терморезистора в электрическую цепь.

Изменение сопротивления терморезисторов при нагревании или охлаждении позволяет использовать их в приборах для измерения температуры, для поддержания постоянной температуры в автоматических устройствах — в закрытых камерах-термостатах, для обеспечения противопожарной сигнализации и т. д. Существуют термисторы для измерения как очень высоких (Т

≈ 1300 К), так и очень низких (
Т
≈ 4 — 80 К) температур.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) термистора приведено на рисунке 14.

• а
• б

Рис. 14

Фоторезисторы

Электрическая проводимость полупроводников повышается не только при нагревании, но и при освещении. Электрическая проводимость возрастает вследствие разрыва связей и образования свободных электронов и дырок за счет энергии света, падающего на полупроводник.

Приборы, в которых учитывается зависимость электрической проводимости полупроводников от освещения, называют фоторезисторами

.

Материалами для изготовления фоторезисторов служат соединения типа CdS, CdSe, PbS и ряд других.

Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяют использовать их для регистрации и измерения слабых световых потоков. С помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т. д.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) фоторезистора приведено на рисунке 15.

• а
• б

Рис. 15

Читайте также:  SMD светодиоды: типы, виды, маркировка, размеры, и их хаpaктеристика, основные технические параметры светодиодных смд ламп для внешнего освещения

Полупроводниковый диод

Способность p-n-перехода пропускать ток в одном направлении используется в полупроводниковых приборах, называемых диодами

.

Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ.

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический металлический корпус. Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока (если точнее, служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток постоянного направления.)

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) полупроводникового диода приведено на рисунке 16.

• а
• б

Рис. 16

Светодиоды

Светодиод

или
светоизлучающий диод
— полупроводниковый прибор с p-n-переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

Применение светодиодов

: в освещении, в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло), как источник света в фонарях и светофорах, в качестве источников оптического излучения (пульты ДУ, светотелефоны), в подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры) и т. д.

Схематическое изображение (рис. а) и фотография (рис. б) светодиода приведено на рисунке 17.

• а
• б

Рис. 17

См. так же

1. Wikipedia: Диод
2. Wikipedia: Светодиоды
3. Wikipedia: Термистор
4. Wikipedia: Фоторезистор

↑ Примесные полупроводники n-типа

Для придания полупроводниковым приборам необходимых свойств в полупроводники добавляют примеси других элементов. В качестве таковых используются пяти- и трехвалентные элементы, расположенные в V и III группах таблицы Менделеева.
При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.) четыре валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электроны примесных атомов оказываются как бы лишними, они слабо связаны с атомами, и достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они смогли оторваться от атомов и стать свободными. При этом примесный атом превращается в положительный ион.

Появление свободных электронов не сопровождается дополнительными разрушениями ковалентных связей, а наоборот, некоторые дырки «исчезают», рекомбинируя (восстанавливая связь) со свободными электронами. Следовательно, в таких полупроводниках свободных электронов значительно больше, чем дырок, и протекание тока через полупроводник будет в основном определиться движением электронов и в очень малой степени — движением дырок. Это полупроводники n-типа (от латинского слова negative—отрицательный), примеси же называют донорами. Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа приведена на рис. 3.3, а.

↑ Примесные полупроводники р-типа

Если в германий или кремний ввести трехвалентные атомы бора В, индия In, алюминия Аl, галлия Ga и др., то три валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с тремя рядом расположенными атомами основного вещества. Для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону. Эти электроны они получают вследствие разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества. Причем на месте ушедшего электрона образуется дырка, а примесные атомы, принявшие по электрону, превращаются в отрицательные ионы. Таким образом, в полупроводнике образуется дополнительное количество дырок, а число свободных электронов не увеличивается. Электрический ток в таком полупроводнике создается главным образом за счет перемещения дырок в валентной зоне и в незначительной степени — при движении свободных электронов в зоне проводимости. Это полупроводники р-типа (от латинского positive- положительный). Примеси называют акцепторами.
Энергетическая диаграмма примесного полупроводника р-типа приведена на рис. 3.3, б. Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные — неосновными. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки, в полупроводнике р-типа, наоборот, дырки — основные носители, а электроны — неосновные.

Источник:

В. И. Галкин, Начинающему радиолюбителю. М., 1983.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 300-308.
2. Буров Л.И., Стрельченя В.Μ. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. — Мн.: Парадокс, 2000. — С. 219-228.
3. Мякишев Г. Я. Физика: Электродинамика. 10 – 11 кл.: учебник для углубленного изучения физики/ Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. — М.: Дрофа, 2005. — С. 309-320.
4. Яворский Б. М., Селезнев Ю. А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования. — М.: Наука, 1984. — С. 165-169.

Что такое полупроводники — свойства полупроводников

Детектор кремниевых полосок Источник: micronsemiconductor.co.uk примеси. Название полупроводник происходит от того факта, что эти материалы имеют электрическую проводимость между металлом, таким как медь, золото и т. д., и изолятором, таким как стекло. У них есть 9энергетическая щель 0003 менее 4 эВ (около 1 эВ). В физике твердого тела эта энергетическая щель или запрещенная зона представляет собой диапазон энергий между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников электроны в полупроводниках должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы понять полупроводник, мы должны определить эти термины.

Свойства полупроводников

Чтобы понять разницу между металлами , полупроводниками, и электрическими изоляторами , мы должны определить следующие термины из физики твердого тела:

• Валентная полоса .4 . В физике твердого тела валентная зона

  и зона проводимости являются зонами, ближайшими к уровню Ферми , и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела. В электрических изоляторах и полупроводниках валентная зона представляет собой самый высокий диапазон энергий электронов, в котором электроны обычно присутствуют при температуре абсолютного нуля. Например, 9Атом кремния 0003 имеет четырнадцать электронов. В основном состоянии они располагаются в электронной конфигурации [Ne]3s ² 3p ² . Из них четыре являются валентными электронами , занимающими 3s-орбиталь и две из 3p-орбиталей. Различие между валентной зоной и зоной проводимости в металлах не имеет смысла, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
• Проводящая лента . В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, ближайшими к уровню Ферми, и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела. Зона проводимости представляет собой нижний диапазон вакантных электронных состояний в электрических изоляторах и полупроводниках. На графике электронной зонной структуры материала валентная зона расположена ниже уровня Ферми, а зона проводимости — выше него. В полупроводниках электроны могут достигать зоны проводимости, когда они находятся на расстоянии возбуждают , например, ионизирующим излучением (т. е. они должны получить энергию выше, чем E _зазор ). Например, алмаз представляет собой широкозонный полупроводник (E _{ширина запрещенной зоны} = 5,47 эВ) с высоким потенциалом использования в качестве материала электронных устройств во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E _{ширина запрещенной зоны} = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах. Различие между валентной зоной и зоной проводимости в металлах не имеет смысла, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
• Ширина запрещенной зоны . В физике твердого тела энергетическая щель или запрещенная зона представляет собой диапазон энергий между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников электроны в полупроводниках должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Ширина запрещенной зоны , естественно, различна для разных материалов. Например, алмаз является широкозонным полупроводником (E _{промежутка} = 5,47 эВ) с высоким потенциалом в качестве материала для электронных устройств во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E _{ширина запрещенной зоны} = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах.
• Уровень Ферми . Термин «уровень Ферми» происходит из статистики Ферми-Дирака , которая описывает распределение частиц по энергетическим состояниям в системах, состоящих из фермионов (электронов), которые подчиняются принципу запрета Паули. Поскольку они не могут существовать в одинаковых энергетических состояниях, уровень Ферми — это термин, используемый для описания вершины набора из уровня энергии электрона при температуре абсолютного нуля. Уровень Ферми — это поверхность моря Ферми при абсолютном нуле, где ни у одного электрона не будет достаточно энергии, чтобы подняться над поверхностью. В металлах уровень Ферми лежит в гипотетической зоне проводимости, дающей свободные электроны проводимости. В полупроводниках положение уровня Ферми находится внутри запрещенной зоны, примерно в середине запрещенной зоны.
• Пара электрон-дырка . В полупроводниках свободных носителя заряда — это электрона и электрона дырки (пары электрон-дырка). Электроны и дырки создаются возбуждающими электронами из валентной зоны в зону проводимости. Электрон-дырка (часто называемая дыркой) — это отсутствие электрона в положении, в котором он мог бы существовать в атоме или атомной решетке. Это один из двух типов носителей заряда, ответственных за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Поскольку в нормальном атоме или кристаллической решетке отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом атомных ядер, отсутствие электрона оставляет чистый положительный заряд в месте расположения дырки. Когда электроны покидают свои позиции, положительно заряженные дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах. Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. Рекомбинация означает, что электрон, который был возбужден из валентной зоны в зону проводимости, возвращается в пустое состояние в валентной зоне, известное как дырки.

Проводимость полупроводника может быть смоделирована в терминах зонной теории твердых тел . Зонная модель полупроводника предполагает, что при обычных температурах существует конечная вероятность того, что электроны могут достичь зоны проводимости и внести свой вклад в электрическую проводимость. В полупроводнике свободные носители заряда (электронно-дырочные пары) создаются путем возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это возбуждение оставило дырку в валентной зоне, которая ведет себя как положительный заряд, и создается электронно-дырочная пара. Дырки иногда могут сбивать с толку, поскольку они не являются физическими частицами, как электроны. Скорее, это отсутствие электрона в атоме. Дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах по мере того, как электроны покидают свои позиции.

Электронное возбуждение в полупроводниках

Энергия для возбуждения может быть получена различными способами.

Тепловое возбуждение

Электронно-дырочные пары также постоянно генерируются из тепловой энергии без какого-либо внешнего источника энергии. Тепловое возбуждение не требует никакой другой формы пускового импульса. Это явление имеет место и при комнатной температуре. Это вызвано примесями, неровностями структурной решетки или легирующими примесями. Сильно зависит от Е _зазор (расстояние между валентной зоной и зоной проводимости), так что для меньшего E _зазора количество термически возбужденных носителей заряда увеличивается. Поскольку тепловое возбуждение приводит к шуму детектора, для некоторых типов полупроводников (например, германия) требуется активное охлаждение. Детекторы на основе кремния имеют достаточно низкий уровень шума даже при комнатной температуре. Это вызвано большой шириной запрещенной зоны кремния (Egap = 1,12 эВ), что позволяет нам работать с детектором при комнатной температуре, но для снижения шума предпочтительнее охлаждение.

Оптическое возбуждение

Обратите внимание, что энергия одного фотона видимого спектра света сравнима с этими запрещенными зонами. Фотоны с длинами волн 700–400 нм имеют энергию от 1,77 до 3,10 эВ. В результате видимый свет также может возбуждать электроны в зону проводимости, что является принципом работы фотогальванических панелей, генерирующих электрический ток.

Возбуждение ионизирующим излучением

Электроны могут достигать зоны проводимости, когда они возбуждаются ионизирующим излучением (т.е. они должны получить энергию выше Egap). Как правило, тяжелые заряженные частицы переносят энергию в основном за счет:

• Возбуждения. Заряженная частица может передавать энергию атому, поднимая электроны на более высокие энергетические уровни.
• Ионизация. Ионизация может произойти, когда заряженная частица имеет достаточно энергии, чтобы удалить электрон, что приводит к созданию ионных пар в окружающем веществе.

Удобная переменная, описывающая ионизационные свойства окружающей среды, равна тормозная способность , а классическим выражением, описывающим удельные потери энергии, является формула Бете. Для альфа-частиц и более тяжелых частиц тормозная способность большинства материалов очень высока для тяжелых заряженных частиц, и эти частицы имеют очень короткие пробеги.

В дополнение к этим взаимодействиям бета-частицы теряют энергию в результате радиационного процесса, известного как тормозное излучение . Из классической теории, когда заряженная частица ускоряется или замедляется, он должен излучать энергию, и излучение торможения известно как тормозное излучение («тормозное излучение») .

Фотоны (гамма-лучи и рентгеновские лучи) могут ионизировать атомы напрямую (несмотря на то, что они электрически нейтральны) за счет фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона, но вторичная (косвенная) ионизация гораздо более значительна. Хотя известно много возможных взаимодействий, есть три ключевых механизма взаимодействия с материей.

• Фотоэлектрический эффект
• Комптоновское рассеяние
• Рождение пар

Во всех случаях частица ионизирующего излучения отдает часть своей энергии на своем пути. Частица, проходящая через детектор, ионизирует атомы полупроводника, создавая электронно-дырочных пары . Например, типичная толщина кремниевого детектора составляет около 300 мкм. Следовательно, число электронно-дырочных пар, генерируемых минимальной ионизирующей частицей (МИЧ), проходящей перпендикулярно детектору, составляет около 9.0003 3,2 х 10 ⁴ . Это значение незначительно по сравнению с общим числом свободных носителей в собственном полупроводнике с поверхностью 1 см ² и такой же толщиной. Обратите внимание, что образец чистого германия при 20 °C содержит около 1,26 × 10 ²¹ атомов, но также содержит 7,5 × 10 ¹¹ свободных электронов и 7,5 × 10 ¹¹ дырок, постоянно генерируемых тепловой энергией. Как видно, отношение сигнал/шум (S/N) будет минимальным. Добавление 0,001% мышьяка (примесь) дает дополнительные 10 ¹⁵ свободных электронов в том же объеме, а электропроводность увеличивается в 10 000 раз. Отношение сигнал/шум (S/N) в легированном материале будет еще меньше. Охлаждение полупроводника — один из способов снизить это отношение.

Улучшение может быть достигнуто за счет подачи напряжения обратного смещения на P-N переход для истощения детектора свободных носителей, что является принципом большинства кремниевых детекторов излучения. При этом к p-стороне приложено отрицательное напряжение, а ко второй положительное. Дырки в p-области притягиваются от соединения к p-контакту и аналогично для электронов и n-контакта.

Ссылки:

Радиационная защита:

1. Нолл, Гленн Ф., Обнаружение и измерение излучения, 4-е издание, Wiley, 8/2010. ISBN-13: 978-0470131480.
2. Стабин, Майкл Г., Радиационная защита и дозиметрия: введение в физику здоровья, Springer, 10/2010. ISBN-13: 978-1441923912.
3. Мартин, Джеймс Э., Физика радиационной защиты, 3-е издание, Wiley-VCH, 4/2013. ISBN-13: 978-3527411764.
4. U.S.NRC, КОНЦЕПЦИИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
5. Министерство энергетики, контрольно-измерительных приборов и контроля США. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 of 2. June 1992.

Ядерная и реакторная физика:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. WSC Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
6. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
7. Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988 г.
8. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. 19 января.93.
9. Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

См. выше:

Полупроводниковые детекторы

Добро пожаловать в Bentham Science Publisher

Journals Impacting Science

Current Neuropharmacology

Импакт-фактор: 7,708
5-летний импакт-фактор: 9,589

Подписаться

Текущая медицинская химия

Импакт-фактор: 4,740
5-летний Импакт-фактор: 5,046

Подписаться

Текущая генная терапия

Импакт-фактор: 3,956
5-летний Импакт-фактор: 3,492

Подписаться

Предыдущий Следующий

---

Просмотр подробно >>

Новые журналы

Текущие социальные науки

ISSN (Print): 2772-316x
ISSN (онлайн): 2772-3178

Текущий пробиотики

: 2666-668

.