Напівпровідникові матеріали

Термістори  знаходять застосування в багатьох областях. Практично жодна складна  друкована плата не обходиться без  термісторів. Вони використовуються в температурних датчиках, термометрах, практично в будь-якій, зв'язаній з температурними режимами, електроніці.

Фоторези́стор — елемент електричного кола, який змінює свій опір при освітленні.Принцип дії фоторезистора оснований на явищі фотопровідності — зменшенні опору напівпровідника при збудженні носіїв заряду світлом.Найпопулярнішим напівпровідником, на основі якого виготовляються фоторезистори, є CdS.Фоторезистори застосовуються у фотоелементах, які автоматично включають вуличне освітлення в сутінках, у турнікетах метро тощо.

Основним  елементом фоторезистора являється  напівпровідниковий світлочутливий шар напівпровідника, який може бути виконаний у вигляді монокристалічної або полікристалічної пластини напівпровід-ника або у вигляді полікристалічної плівки, яка нанесена на діелектрич-ну підложку. В якості напівпровідникового матеріалу для фоторезисто-рів найчастіше використовують сульфід кадмію, селенід кадмію або сульфід свинцю. На поверхню світлочутливого шару наносять металіч-ні електроди. Іноді електроди наносять безпосередньо на діелектричну підложку перед осадженням  напівпровідникового шару. 
Поверхню напівпровідникового світлочутливого шару, який розташований між електродами називають, називають робочою площадкою. Фоторезистори виготовляють з робочими площадками у вигляді прямокутників, міандра та кільця. Площа робочих площадок різних фото резисторів найчастіше складає від десятих частин до десятків квадратних міліметрів. 
Пластину з нанесеною на неї напівпровідниковим світлочутливим шаром або пластину напівпровідника розміщують в пластмасовий або металічний корпус. Навпроти робочої площадки роблять вікно з прозорого матеріалу.

Світлодіо́д — напівпровідниковий пристрій, випромінюючий некоге-рентне світло при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежать від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати на довжині хвилі від інфрачервоної до близького ультрафіолету, та навіть існують методи поширення сму-ги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру рівномірно на всіх напрямках класичні світлодіоди випромінюють світ-ло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіод був розвине-ний до лазерних діодів, які працюють на тому ж принципі, але дозволя-ють направлене випромінювання когерентного світла.

Як і  в нормальному напівпровідниковому  діоді, в світлодіоді є p-n пере-хід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямі, носії за-ряду — електрони і дірки рекомбінують з випромінюванням фотонів.

Не всякі  напівпровідникові матеріали ефективно  випускають світло при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозоні на-півпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль від ультрафіолета (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди, зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC) світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи із створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом великі надії пов'язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

Застосування : Ефективність світлодіодів найліпше проявляється там, де потрібно генерувати кольорові світлові потоки (сигнали). Світло від лампи розжарювання доводиться пропускати через спеціальні оптичні фільтри, що виділяють певну частину спектру (червону, синію, зелену). Усі 100% випромінювання світлодіода є забарвленим світлом, лампа ж розжарювання втрачає близько 90% енергії світлового потоку при проходженні крізь світлофільтр. Більш того, від 80-90% споживаної потужності лампи розжарювання витрачається на нагрів лампи для досягнення потрібної колірної температури (шкала Кельвіна) для якої вони спроектовані.

Світлодіодні  лампи споживають приблизно від 3% до 60% потужності необхідної для звичайних ламп розжарювання аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів) дозволяє використовувати світлодіодні лампи при підвищених вібраціях, частих вмиканнях і вимиканнях (кидках струму) без помітного впливу на термін служби світлодіодної лампи — більше 100 000 годин (більше 11 років).

Використовуючи  світлодіоди можна одержати світло з високою насиченістю кольору. Світлодіоди застосовуються у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла — інформаційних табло, світлофорів, ліхтариків, гірлянд тощо.

Органі́чний світлодіо́д (або OLED) — світлодіод, в якому електролю-мінесценція відбувається в шарі органічного напівпровідника, розташо-ваного між двома електродами.

Випромінювання  світла в органічному світлодіоді відбувається в тонко-му люмінесцентному шарі органічного напівпровідника, в який із двох електродів інжектуються електрони й дірки. В межах люмінесцентного шару електрони й дірки рекомбінують, утворюючи екситони, частина з яких гине, випромінюючи фотон. Для інжекції електронів використову-ться метали з малою роботою виходу (Ca, Mg, Al). Для інжекції ді-рок — напівпрозорий електрод із InSnO. Люмінесцетний шар може складатися або з малих органічних молекул, наприклад, Alq3, або спряжених полімерів, наприклад, поліфенілінвініліну (PPV).

Для покращення характеристик діоду використовують також додаткові провідні шари для електронів і дірок. Застосування: Органічні світлодіоди забезпечують високу яскравість, покривають увесь видимий спектр і є дуже дешевими при виробництві. Вони відкривають перспективу створення телевізорів і моніторів товщиною кілька міліметрів. Яскравість органічних світлодіодів уже перевищила яскравість ламп розжарювання, що робить їх перспективними для використання в якості освітлювальних приладів. Недолік органічних світлодіодів — порівняно невеликий час експлуатації, який, проте, можна збільшити за рахунок надійної інкапсуляції. Наразі (вересень 2007) органічні світлодіоди використовуються в невеликих дисплеях мобільних телефонів, радіоприймачів тощо. Такі пристрої випускаються фірмами Піонер, Моторола, Sony Ericson і Samsung. 

Література [1.с. 231-267] 

Контрольні  запитання

1. Пояснити, які матеріали називаються напівпровідниковими.
2. Перелічіть основні властивості напівпровідникових матеріалів.
3. Укажіть, які енергетичні зони існують у напівпровідникових матеріалах.
4. Поясніть, що таке власний, домішковий і компенсований напівпровідник.
5. Перелічіть носії заряду, які забезпечують електропровідність напівпровідників.
6. Перелічить зовнішні фактори, які впливають на електропровідність напівпровідників.
7. Поясніть причини виникнення термоелектричних явищ у напівпровідниках.
8. Поясніть методику визначення типу провідності в напівпровідниках.
9. Поясніть у чому полягає ефект Холла і при яких умовах він виникає.
10. Перелічіть особливості режимів роботи p-n переходу.
11. Перелічіть, які матеріали застосовуються для виготовлення светлодіодів.
12. Перелічіть основні технологічні операції, які застосовуються у виробництві напівпровідників.
13. Поясніть, у чому полягає ефект Томпсона.
14. .Опишіть процес фотопровідності в напівпровідниках.
15. Поясніть, у чому полягає ефект Пельт’є.

До напівпровідників належить широкий клас речовин, питомий  електричний опір яких при нормальній температурі (20°) займає широкий проміжний інтервал між опором провідників і діелектриків 10-6-108Ом×м  (14 порядків).

На відміну  від металів, електропровідність напівпровідників зростає з підвищенням температури в широкому температурному інтервалі за законом, близьким до експоненціального:

g=g0exp(-eA/kT),                                           (3.1.)

де eA – так звана енергія активації провідності;

g0 – коефіцієнт, що змінюється з температурою, але значно слабше, ніж експоненціальний множник.

Залежність (3.1.) означає, що енергія зв’язку  електронів напівпровідника з атомами близька до εА. З підвищенням температури тепловий рух починає розривати зв’язки  електронів, і частина їх, пропорційна exp(-εА/кТ) стає вільними носіями заряду.

Зв’язок електронів може бути розірваним не лише тепловим рухом, але й іншим зовнішнім впливом: світлом, сильним електричним полем, іонізуючим випромінюванням тощо. Тому для напівпровідників характерна висока чутливість електропровідності до зовнішнього впливу, а також до вмісту домішок і дефектів в кристалах, оскільки в багатьох випадках енергія εА  для електронів, що локалізовані поблизу домішок та дефектів, істотно менша, ніж в ідеальному кристалі даного напівпровідника. Додавання в хімічно чистий германій 0,001% миш’яку збільшує його електропровідність в 104 раз. Можливість в широких межах керувати електропровідністю напівпровідника зміною температури, введенням домішок та ін. забезпечила широке і різноманітне застосування напівпровідників. Така керованість електропровідністю напівпровідників – в основі принципу дії терморезисторів (термісторів), фоторезисторів, нелінійних резисторів (варисторів), тензорезисторів  
та ін.

Наявність у напівпровідників двох типів електропровідності – електронної (n) та електронно-діркової (р) дозволяє створювати напівпровідникові  прилади з p-n переходом. До них належать різні типи як потужних, так і малопотужних випрямлячів, генераторів.

Напівпровідникові прилади з успіхом можна використати  для перетворення енергії випромінювання в електричну – сонячні батареї  та термоелектричні генератори. За допомогою напівпровідників можна знизити температуру на кілька десятків градусів (автомобільні холодильники та кріогенні прилади).

Напівпровідники можна використовувати і як нагрівальні  елементи (ксилітові стержні), як індикатори радіоактивного випромінювання, вимірники напруженості магнітного поля та ін.

Останнім  часом розроблені досконалі прилади, які використовують рекомбінаційне світіння при низькій напрузі постійного струму електроннодіркових переходів, придатних для виготовлення джерел світла (світлофорів) та пристроїв виведення інформації з обчислювальної техніки.

Залежність (3.1) характерна і для діелектриків, провідність яких може стати помітною при високих температурах. Різниця  між напівпровідниками і діелектриками скоріше кількісна, ніж якісна.

У вузькому значенні напівпровідники – сукупність кількох груп найтиповіших речовин, напівпровідникові властивості котрих чітко виявляються вже при кімнатній температурі.

Виготовлені з напівпровідникових матеріалів прилади  відзначаються важливими перевагами:

1) великий  строк служби;

2) малі  габарити та маса;

3) простота  і надійність конструкції, значна  механічна міцність (не бояться  трясіння та ударів);

4) відсутність  кіл розжарення – економність  за потужністю споживання;

5) економічність  (дешевизна) при масовому виробництві.

Розвиток електроніки твердого тіла та досягнення технології дозволили перейти від виготовлення окремих – дискретних приладів до створення монолітних вузлів електронної апаратури – мікросхем, яке сприяло подальшому зниженню маси, розмірів, енергоспоживання, вартості, підвищенню надійності.

Донори. Заповнені за відсутності зовнішніх енергетичних збуджень (тепло, світло) домішкові рівні розташовані в забороненій зоні біля “дна” зони провідності (рис. 3.2а.)

При цьому  енергія активації домішкових атомів значно менша, ніж ширина забороненої зони основного напівпровідника. Тому вже в умовах кімнатної температури перекидання електронів домішки буде випереджати збудження електронів решітки. Позитивні заряди, що виникають у віддалених один від одного домішкових атомів залишаються локалізованими, тобто не можуть переміщуватись кристалом і брати участь в електропровідності. Провідність забезпечується збудженими електронами домішки, напівпровідник називають напівпровідником n-типу, а домішки, завдяки яким утворюються вільні електрони, донорними. Для основних чистих напівпровідників (Ge, Si) таку роль відіграють речовини п’ятої групи таблиці Менделєєва (фосфор, миш’як, сурма).