Материаловедение Методичка для заочников (стр. 2 из 11)
2. НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ - АКТИВНІ СЕРЕДОВИЩА ПРИЛАДІВ БІОМЕДИЧНОЇ ТЕХНІКИ
Найважливіша роль напівпровідників в електронній техніці обумовлена насамперед тим, що вони є основою активних приладів, спроможних посилювати потужність або перетворювати один вид енергії в інший (але не в тепло) у малому об'ємі твердого тіла без істотних витрат. В даний час не існує жодного приладу біомедичної електронної техніки, де б не грали свою головну роль напівпровідники.
Найбільш очевидною ознакою напівпровідника є його менша, ніж у металів, але більша, ніж у діелектриків, електропровідність. На практиці прийнято вважати, що при кімнатній температурі напівпровідники можуть мати питомий опір в інтервалі 10~3 -107Ом • см. Проте не всі матеріали, що
потрапляють по аналізованому параметру в зазначений діапазон, є напівпровідниками. Для конкретизації матеріалів цього класу необхідно вводити додаткові обмеження. Перше з такихобмежень - сильна залежність електропровідності від температури, освітлення, опромінення і т.д. Ця вимога як би служить межею в класифікації (рис. 1.1) між діелектриками і напівпровідниками.
Ознакою напівпровідників, що явно відрізняє їх від металів, є функціональна залежність їх електропровідності від температури. Якщо питомий опір напівпровідників із зростанням температури падає, то в металах чітко спостерігається обернена тенденція. Таким чином приведені властивості напівпровідників цілком достатні для їх відокремлення від металів і діелектриків.
2.1 ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
До основних характеристик напівпровідникових матеріалів згідно головній класифікації у першу чергу ставиться електропровідність. Роздивимося цей параметр докладніше. Істотно, що електропровідність будь-якого матеріалу визначається концентрацією вільних носіїв заряду і їх спроможності переміщуватися під дією електричного поля. Раніше відзначалося, що однією з найважливіших відмітних властивостей напівпровідників є сильна залежність цього параметра від зовнішніх умов.
Найбільш чітко напівпровідникові властивості матеріалу виявляються в температурній залежності їх електропровідності. Для розгляду фізичних процесів, що відповідають за експериментальні залежності електропровідності від температури, скористаємося взаємозв'язком між провідністю, концентрацією вільних носіїв заряду і їх спроможністю переміщуватися в електричному полі:
у=еп^+ер^^, (2.1)
де р , п та /^„, /^ - концентрації і рухливості електронів і
дірок в напівпровіднику; е - заряд електрону.
Якщо поняття концентрації вільних носіїв заряду досить очевидне, то опис переміщення зарядів в електричному полі потребує деяких пояснень.
Для кількісного опису цього кінетичного явища вводиться поняття рухливість носіїв заряду. Рухливість - це швидкість спрямованого руху, що одержується носієм заряду, у полі одиничної напруженості:
^~Е-де у^ - швидкість спрямованого руху (дрейфу) носія, Е -
напруженість електричного поля, що викликає переміщення заряду.
Рухливість є надзвичайно складною функцією практично будь-яких характеристик напівпровідникового матеріалу. Дійсно, рух носіїв заряду в полі кристалічної ґратки, як частки або в квантово-механічному уявленні як хвилі, визначається присутністю в середовищі розповсюдження будь-яких неоднорідностей останньої. Іншими словами, розсіювання або, те ж саме зміна характеру руху, пов'язана з тепловими коливаннями ґратки, наявністю домішок, механічними деформаціями ґратки, концентрацією носіїв заряду і т.д. Таким чином можна стверджувати, що цей параметр містить у собі практично весь комплекс фундаментальних мікроскопічних властивостей матеріалу, необхідний для вибору його в якості активного середовища приладу.
Рис. 2.1. Типові залежності концентрації носіїв заряду в напівпровіднику від температури при різних концентраціях донорної домішки: N д^ < Nд^ < Nд•^.
Відповідно до виразу (2.1) електричний опір матеріалу пов'язаний з концентрацією вільних носіїв заряду. Експериментальні і теоретичні розробки показують, що залежність концентрації носіїв заряду від температури практично у всіх легованих напівпровідників має вигляд, приведений на рис. 2.1. Характерними є три ділянки на поданій залежності. Низькотемпературна область, де відбувається виснаження домішки, і провідність визначається фізичними процесами взаємодії домішки з кристалічною граткою. Область виснаження домішки, коли концентрація вільних носіїв практично не залежить від температури і діапазон власної провідності, обумовлений генерацією електронно-діркових пар через заборонену зону. Кутові коефіцієнти на кожній з ділянок визначаються або енергією іонізації домішки, або шириною забороненої зони матеріалу. Залежність концентрації носіїв заряду від температури має досить просте пояснення з точки зору зонної квантово-механічної теорії твердого тіла. Дійсно в міру зростання температури вільні носії заряду утворюються тільки за рахунок іонізації домішки аж до області повного її виснаження. Виснаженню домішки відповідає положиста ділянка залежності. При подальшому підвищенні температури наступає область власної провідності, коли енергетичне дозволена генерація злектронно-діркових пар через заборонену зону. Провідність напівпровідників відображає по своїй формі температурну залежність концентрації носіїв заряду, хоча температурна залежність рухливості вносить свої, але в цілому не дуже істотні корективи в аналізовану функцію.
Що стосується рухливості, то експерименти показують, що при переносі електричного заряду в напівпровідниках електрони і дірки найбільш інтенсивно взаємодіють з подовжніми акустичними фононами (довгохвильовими коливаннями ґратки) в елементарних напівпровідниках або з поперечними оптичними фононами (миттєво виникаючими при коливаннях ґратки електричними диполями) у складних напівпровідникових композиціях, що пов'язано з частково іонним характером хімічного зв'язку атомів в кристалах сполук. На рис. 2.2. в якості прикладу наведені довідникові дані по залежності електропровідності Ое від температури для різних концентрацій домішок. В координатах //!=/— виразно відокремлюютьсяописані області, де діють різні жерелапостачання вільних носіїв заряду в зону провідності.
Рис. 2.2. Залежності питомої провідності германію п-типу від температури. Штриховою лінією показано власну провідність. Концентрація домішки миш'яку: 1 - 8-Ю18 лГ3;
2- В.ІО19^-3;^- 7-Ю21м-з;4- З.ІО23^-3.
Високочастотні й імпульсні параметри напівпровідникових матеріалів прийнято характеризувати часом життя носіїв заряду. У реальному напівпровіднику, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з навколишнім середовищем, відбуваються безупинні процеси теплової генерації і рекомбінації електронно-діркових пар. Це явище є відповідальним за процеси рівноважної електропровідності матеріалу. Вказані процеси протікають у часі з кінцевою швидкістю, яка відповідає їх імовірності протікання у заданих умовах. Час життя неосновних носіїв заряду звичайно оцінюється при аналізі часу наростання або спаду електропровідності при малому збудженні матеріалу імпульсами току, випромінювання і т.п. При цьому часом життя вважається час, за який концентрація носіїв заряду змінився в е разів.Цілком очевидно, що для різноманітних застосувань необхідні матеріали як із малими тривалостями життя носіїв заряду, так і з досить великими. Так, для приладів НВЧ-техніки необхідний матеріал із малою тривалістю життя носіїв, тоді як оптоелектронні прилади часто припускають використання матеріалу з великою тривалістю життя. Відзначимо, що часом життя носіїв у напівпровіднику, як і електропровідністю, можна керувати введенням у матеріал спеціальних домішок. Ця домішка створює глибокі рівні-пастки в забороненій зоні і тим самим відчиняє ефективний канал для генерації і рекомбінації нерівноважних носіїв заряду.
Серед відзначених параметрів напівпровідників найбільш просто вимірювати електропровідність. Тому поряд із типом домішки цей параметр ліг в основу сучасних Держстандартів і технічних умов на виробництво напівпровідникових матеріалів практично будь-якого хімічного складу від елементарних напівпровідників до складних композицій. Природно, що вимоги Держстандарту накладаються і на частотний параметр -тривалість життя неосновних носіїв заряду.
2.2 КЛАСИФІКАЦІЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
При аналізі властивостей конкретних напівпровідників раніше розглянуту основну класифікацію доцільно дещо деталізувати. Це дозволить виділити найбільш типові параметри матеріалів і полегшити вибір конкретних зразків для технічного використання. Найбільш раціонально на цьому етапі розділити матеріали за їх хімічним складом і структурою. Це неминуче відіб'ється на електронних властивостях напівпровідника.
Класичними напівпровідниками, що цілком задовольняють цьому класу матеріалів, є германій і кремній. До цієї ж групи матеріалів іноді відносять ще ряд елементів типу В , С, 5п, Р і т.д. Проте технічного застосування вони не знаходять і навряд чи складуть конкуренцію кремнію і германію - головним матеріалам сучасної електроніки.
До другої групи напівпровідників звичайно відносять ковалентно-іонні з'єднання А^5 та іонно-ковалентні з'єднання типу А^6, А^6 і деякі інші. Найбільш розроблені і перспективні матеріали цього класу - арсенід і фосфід галію, фосфід і антимонід індію. Особливі надії дослідники пов'язують із розробкою твердих розчинів на основі цих матеріалів, коли відкриваються широкі перспективи безперервного і незалежного керування декількома параметрами напівпровідника.