Полупроводниковые материалы: свойства, классификация и применение

Свойства, классификация и применение полупродниковых материалов

Электроника, оптика и энергетика во многом опираются на особый класс веществ, чья проводимость послушно меняется под действием внешней среды. Именно эта управляемость делает полупроводниковые материалы основой для диодов, транзисторов, датчиков и фотоэлементов. Ниже разобрано, что относят к полупроводникам, чем они выделяются среди прочих твёрдых тел и как их систематизируют.

Как устроена проводимость полупроводников?

По составу все полупроводники распадаются на две категории. К простым относят вещества, построенные из атомов одного химического элемента, а к сложным — соединения, образованные атомами двух и более элементов.

Ток в таких материалах переносят два типа носителей заряда — электроны проводимости и дырки. Когда в веществе нет примесей, влияющих на его электропроводность, его называют собственным полупроводником. В равновесном состоянии его проводимость обеспечивают электроны и дырки, причём их концентрации совпадают. У примесного полупроводника картина иная: здесь проводимость задаётся составом введённых примесей. В дырочных материалах она определяется примесями и перемещением дырок проводимости, а в электронных чаще всего опирается на электроны проводимости.

Чем полупроводники отличаются от других твёрдых тел?

От металлов и диэлектриков этот класс веществ отделяет несколько характерных признаков:

• удельная проводимость у них ниже металлической, но выше, чем у изоляторов;
• температурный коэффициент электропроводности положителен — при нагреве проводимость растёт;
• термоэлектродвижущая сила заметно выше, чем у металлов;
• проявляется эффект выпрямления электрического тока;
• физические свойства резко меняются даже при малых концентрациях примесей.

На какие группы делят материалы по химическому составу?

Полупроводники образуют обширное семейство веществ, различающихся электрическими и физическими свойствами, а также химией. По составу их принято сводить к четырём основным группам:

1. Кристаллические из атомов одного элемента. Сюда входят кремний, германий, селен и карбид кремния, а также одноатомные вещества, которые вводят в основной материал как активные примеси: галлий, фосфор, олово, мышьяк, бор и индий.
2. Оксидные кристаллические. Их образуют оксиды металлов — закись меди, окись никеля, окись кадмия, окись цинка, двуокись титана. К этой же группе причисляют материалы на основе титаната бария, стронция и цинка, а также другие неорганические соединения с различными добавками.
3. Соединения элементов третьей и пятой групп. Это антимониды алюминия, галлия и индия — сочетания сурьмы с указанными металлами. Такие вещества нередко называют интерметаллическими соединениями.
4. Халькогенидные. С одной стороны здесь выступают кадмий, свинец и медь, с другой — селен, теллур и сера. Полученные вещества известны как сульфиды, селениды и теллуриды.

Как классифицируют материалы по кристаллической структуре?

По строению кристаллической решётки полупроводники разбивают на две группы.

Первую изготавливают в форме монокристаллов. Из них потом вырезают пластинки заданных размеров по определённым кристаллографическим направлениям, а затем ставят в фотоэлементы, усилители и выпрямители. Наиболее распространённые монокристаллические материалы — кремний и германий; сравнительно недавно освоили и получение монокристалла из карбида кремния.

Вторую группу составляют поликристаллические материалы — скопления множества мелких кристаллов, беспорядочно сросшихся между собой. К ним относят карбид кремния, селен, а также вещества, которые делают из оксидов по керамической технологии.

Где применяют полупроводниковые приборы?

Выпуск полупроводниковых приборов в последние годы неуклонно растёт. По масштабу производства их делят на две категории.

Такое разнообразие устройств прямо вытекает из главного достоинства полупроводников — их отклик на температуру, свет и электрическое поле можно тонко настраивать, а значит, из одного класса веществ рождаются приборы для самых разных задач.