Просмотр кода страницы Полупроводник

[[Файл:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|thumb|125px|Монокристаллический [[кремний]] — полупроводниковый материал, наиболее широко используемый в промышленности сегодня]]
'''Полупроводни́к''' — [[материал]], по [[Электрическая проводимость|удельной проводимости]] занимающий промежуточное место между [[Проводник (электричество)|проводниками]] и [[диэлектрик]]ами, и отличающийся от проводников ([[Металлы|металлов]]) сильной зависимостью [[Электрическая проводимость|удельной проводимости]] от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов [[Излучение|излучения]]. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры<ref>{{книга|автор=Н. С. Зефиров (гл. ред.).|заглавие=Химическая энциклопедия|место=Москва|издательство=Большая Российская Энциклопедия|год=1995|том=4|страницы=55|МЫШистраниц=639|isbn=5-85270-092-4|тираж=20000}}</ref>.

Полупроводниками являются кристаллические вещества, [[ширина запрещённой зоны]] которых составляет порядка [[электрон-вольт]]а (эВ). Например, [[алмаз]] можно отнести к ''широкозонным полупроводникам'' (около {{num|5,47|эВ}})<ref>[https://www.gazeta.ru/tech/news/2024/03/27/22644451.shtml Создан первый в мире алмазный полупроводник, которому не нужно охлаждение:] {{Wayback|url=https://www.gazeta.ru/tech/news/2024/03/27/22644451.shtml |date=20240329171223 }} [[транзистор]] из алмаза сможет работать при температуре выше 300 °C // [[Газета.ru]] -  Advanced Science (AdvSci), 27 марта 2024</ref>, а [[арсенид индия]] — к ''узкозонным'' ({{num|0.35|эВ}}). К числу полупроводников относятся многие простые вещества ([[германий]], [[кремний]], [[селен]], [[теллур]], [[мышьяк]] и другие), огромное количество сплавов и [[Химическое соединение|химических соединений]] ([[арсенид галлия]], [[нитрид галлия]], сплав КРТ ([[кадмий]]-[[ртуть]]-[[теллур]]), [[теллурид кадмия]], [[Теллурид висмута(III)|теллурид висмута]], и др.).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, [[атом]] [[фосфор]]а, [[Бор (элемент)|бора]] и т. д. в кристалле кремния) называется [[примесь (химия)|примесью]]. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом [[электрон]] в кристалл (в вышеприведённом примере — фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют [[Донор (физика полупроводников)|донорными]] или [[Акцептор (физика полупроводников)|акцепторными]]. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом [[Кристаллическая решётка|кристаллической решётки]] она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

[[Электропроводность|Проводимость]] полупроводников зависит от температуры. Вблизи температуры [[абсолютный ноль|абсолютного нуля]] полупроводники имеют свойства [[диэлектрик]]ов.

== История ==
<!-- Изобретение транзистора, являющееся одним из важнейших достижений XX века<ref name="tr_ist">''Гуреева Ольга''. [http://cyberleninka.ru/article/n/tranzistornaya-istoriya-izobretenie-tranzistorov-i-razvitie-poluprovodnikovoy-elektroniki.pdf Транзисторная история]. Компоненты и технологии, № 9 2006</ref>, стало следствием длительного развития полупроводниковой электроники, которое началось -->В [[1833 год]]у английский физик экспериментатор [[Майкл Фарадей]] в своей работе «Экспериментальные исследования по электричеству» описал необычную [[Температурный коэффициент электрического сопротивления|температурную зависимость электропроводимости]] [[Сульфид серебра(I)|сульфида серебра]], которая увеличивалась при повышении температуры, в то время как [[Электропроводность|проводимость]] металлов при нагреве уменьшалась. К 1838 году Фарадей открыл ещё 5 веществ с подобными свойствами<ref>фторид свинца, «периодид» ртути, [[Хлорид ртути(II)|сулему]], «протоксид» сурьмы.</ref>. Позднее такие вещества назовут «полупроводниками».

В 1820—1900 годы, большой вклад в исследование различных свойств кристаллов внесла [[династия]] французских физиков Беккерелей: [[Беккерель, Антуан Сезар|Антуан Сезар Беккерель]], [[Беккерель, Александр Эдмон|Александр Эдмон Беккерель]] и [[Беккерель, Антуан Анри|Антуан Анри Беккерель]]. Были изучены [[Пьезоэлектричество|пьезоэлектрические]], [[термоэлектричество|термоэлектрические]] свойства кристаллов, в [[1851 год]]у Александр Эдмон Беккерель открыл [[фотогальванический эффект]] в переходе [[электролит]]-полупроводник.

== Механизм электрической проводимости ==
Полупроводники характеризуются свойствами как проводников, так и [[диэлектрик]]ов. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают [[ковалентная связь|ковалентные связи]] (то есть, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами) и электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76{{e|−19}} Дж против 11,2{{e|−19}} Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04{{e|−19}} Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

=== Свободное место в электронной оболочке атома ===
{{main|Дырка}}
Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют [[Дырка|дыркой]].

Обычно [[Подвижность носителей заряда|подвижность]] дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

=== Энергетические зоны ===
Между зоной проводимости Е<sub>п</sub> и валентной зоной Е<sub>в</sub> расположена [[Запрещённая зона|зона запрещённых значений]] энергии электронов Е<sub>з</sub>. Разность Е<sub>п</sub>−Е<sub>в</sub> равна ширине запрещенной зоны Е<sub>з</sub>. С ростом ширины Е<sub>з</sub> число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а [[удельное сопротивление]] возрастает.

=== Подвижность ===
{{main|Подвижность носителей заряда}}
[[Файл:Electron and Hole Mobiility in Si-ru.svg|thumb|Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в монокристаллическом кремнии в зависимости от концентрации атомов легирующих примесей]]
Подвижностью <math>\mu</math> называют коэффициент пропорциональности между [[Дрейфовая скорость|дрейфовой скоростью]] <math>\vec v</math> носителей тока и величиной приложенного [[Электрическое поле|электрического поля]] <math>\vec E:</math>

: <math>\vec v = \mu \vec E.</math>

При этом, вообще говоря, в [[Анизотропия|анизотропных кристаллах]] подвижность является [[тензор]]ом с компонентами <math>\mu_{\alpha\beta}:</math>

: <math>\ v_\alpha = \mu_{\alpha\beta} E_\beta.</math>

Подвижность [[электрон]]ов и [[Дырка (физика)|дырок]] зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей [[Электрический заряд|заряда]] [[вероятность]] столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности, но несмотря на снижение подвижности проводимость увеличивается при повышении степени легирования, так как снижение подвижности компенсируется увеличением концентрации носителей заряда.

[[Размерность физической величины|Размерность]] подвижности — [[квадратный метр|м²]]/([[Вольт|В]]·[[Секунда|с]]) в [[Международная система единиц|СИ]] или [[Сантиметр|см]]/(В·с)в системе [[СГС]].

== Собственная проводимость ==
При термодинамическом равновесии концентрация электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
: <math>\bar n=\frac{2}{h^3}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-\frac{E_C-E_F}{kT}}</math>
где:
: <math>h</math> — [[постоянная Планка]];
: <math>m</math> — масса [[электрон]]а;
: <math>T</math> — [[абсолютная температура]];
: <math>E_C</math> — уровень зоны проводимости;
: <math>E_F</math> — [[Энергия Ферми|уровень Ферми]].

Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
: <math>\bar p=\frac{2}{h^3}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-\frac{E_F-E_V}{kT}}</math>
где:
: <math>h</math> — [[постоянная Планка]].
: <math>m</math> — эффективная масса дырки;
: <math>T</math> — [[абсолютная температура]];
: <math>E_F</math> — [[Энергия Ферми|уровень Ферми]];
: <math>E_V</math> — уровень валентной зоны.

Собственная концентрация <math>n_i</math> связана с <math>\bar n</math> и <math>\bar p</math> следующим соотношением:
: <math>\bar n \bar p=n_i^2</math>

== Виды полупроводников ==

=== По характеру проводимости ===

==== Собственная проводимость ====
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе [[ионизация|ионизации]] атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной [[Электрическая проводимость|проводимостью]] концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:
: <math>\sigma = \frac{1}{\rho} = q(N_{\rm n} \mu_{\rm n}+N_{\rm p} \mu_{\rm p}) </math>

где <math>\rho</math> — удельное сопротивление, <math>\mu_{\rm n}</math> — [[Подвижность носителей тока|подвижность электронов]], <math>\mu_{\rm p} </math> — подвижность дырок, <math>N_{n,p}</math> — их концентрация, q — [[элементарный электрический заряд]] (1,602{{e|−19}} Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают, и формула принимает вид:
: <math>\sigma = \frac{1}{\rho}= qN(\mu_{\rm n} + \mu_{\rm p}) </math>

==== Примесная проводимость ====
Для создания [[Полупроводниковые приборы|полупроводниковых приборов]] часто используют кристаллы с [[Примесная проводимость полупроводников|примесной проводимостью]]. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

=== По виду проводимости ===

==== Электронные полупроводники (n-типа) ====
[[Файл:N type semiconductor.png|thumb|300px|<center>Полупроводник n-типа</center>]]
{{main|Полупроводник n-типа}}
Термин '''«n-тип»''' происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, [[кремний]]) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, [[мышьяк]]а). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в [[ковалентная связь|ковалентную связь]] с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются [[Донор (физика)|донорными]].

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:
: <math>\sigma \approx q N_{\rm n} \mu_{\rm n} </math>

==== Дырочные полупроводники (р-типа) ====
[[Файл:P type semiconductor.png|thumb|300px|<center>Полупроводник p-типа</center>]]
{{main|Полупроводник p-типа}}
Термин '''«p-тип»''' происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, [[индий|индия]]). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются [[Акцептор (физика)|акцепторными]].

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:
: <math>\sigma \approx q N_{\rm p} \mu_{\rm p} </math>

== Использование в радиотехнике ==

=== Полупроводниковый диод ===
[[Файл:PN diode with electrical symbol-ru.svg|thumb|250px|Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.]]
{{main|Диод}}
[[Полупроводниковый диод]] состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый [[P-n-переход|p-n переход]]. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:
: <math>\varphi = V_{\rm T}\ln \left(\frac{N_{\rm n}N_{\rm p}}{n_{\rm i}^2}\right)</math>

где <math>V_{\rm T}</math> — термодинамическое напряжение, <math>N_{\rm n}</math> — концентрация электронов, <math>N_{\rm p}</math> — концентрация дырок, <math>n_{\rm i}</math> — собственная концентрация<ref>Физические величины: справочник/ А. П. Бабичев Н. А. Бабушкина, А. М. Бартковский и др. под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5</ref>.

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость, диод пропускает максимальный электрический ток). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость, диод сопротивляется пропусканию электрического тока). Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но не равен нулю, так как в обеих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства [[односторонняя проводимость|односторонней проводимости]], что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления [[переменный ток|переменного тока]].

=== Транзистор ===
[[Файл:Структура NPN транзистора и его токи.svg|thumb|250px|Структура биполярного n-p-n транзистора.]]
{{main|Транзистор}}
Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода.

== Типы полупроводников в периодической системе элементов ==
В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:
* одноэлементные полупроводники IV группы [[периодическая система элементов|периодической системы элементов]],
* сложные: двухэлементные A<sup>III</sup>B<sup>V</sup> и A<sup>II</sup>B<sup>VI</sup> из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно.
Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="text-align:center"
|style="width:5em"| '''Группа'''
|style="width:4em"| '''IIB'''
|style="width:4em"| '''IIIA'''
|style="width:4em"| '''IVA'''
|style="width:4em"| '''VA'''
|style="width:4em"| '''VIA'''
|-
| '''{{color|red|Период}}'''
|-
| '''{{color|red|2}}'''
|
|bgcolor="#cccc99"| 5 [[бор (элемент)|B]]
|bgcolor="#a0ffa0"| 6 [[углерод|C]]
|bgcolor="#a0ffa0"| 7 [[азот|N]]
|-
| '''{{color|red|3}}'''
|
|bgcolor="#cccccc"| 13 [[Алюминий|Al]]
|bgcolor="#cccc99"| 14 [[Кремний|Si]]
|bgcolor="#a0ffa0"| 15 [[Фосфор|P]]
|bgcolor="#a0ffa0"| 16 [[Сера|S]]
|-
| '''{{color|red|4}}'''
|bgcolor="#ffc0c0"| 30 [[цинк|Zn]]
|bgcolor="#cccccc"| 31 [[галлий|Ga]]
|bgcolor="#cccc99"| 32 [[германий|Ge]]
|bgcolor="#cccc99"| 33 [[мышьяк|As]]
|bgcolor="#a0ffa0"| 34 [[селен|Se]]
|-
| '''{{color|red|5}}'''
|bgcolor="#ffc0c0"| 48 [[кадмий|Cd]]
|bgcolor="#cccccc"| 49 [[индий|In]]
|bgcolor="#cccccc"| 50 [[олово|Sn]]
|bgcolor="#cccc99"| 51 [[сурьма|Sb]]
|bgcolor="#cccc99"| 52 [[теллур|Te]]
|-
| '''{{color|red|6}}'''
|bgcolor="#ffc0c0"| 80 [[ртуть|Hg]]
|}

== Физические явления в полупроводниках ==
[[Файл:Band filling diagram-ru.svg|thumb|400px|Диаграмма заполнения электронных уровней энергии в различных типах материалов в равновесном состоянии. На рисунке по высоте условно показана энергия, а ширина фигур — [[плотность состояний]] для данной энергии в указанном материале.<br> Полутона соответствует [[Статистика Ферми — Дирака|распределению Ферми — Дирака]] (черный — все состояния заполнены, белый — состояние пустое).
<br>
В [[металл]]ах и [[Полуметалл (физика твёрдого тела)|полуметаллах]] [[Энергия Ферми|уровень Ферми]] <math>E_F</math> находится внутри, по меньшей мере, одной разрешённой зоны. В [[диэлектрик]]ах и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещённой зоны, но в полупроводниках зоны находятся достаточно близко к уровню Ферми для заполнения их электронами или [[дырка]]ми в результате теплового движения частиц.]]
Физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с [[металлы|металлами]] и [[диэлектрик]]ами. В немалой степени этому способствует огромное количество физических эффектов, которые не наблюдаемы ни в тех, ни в других веществах и связаны с устройством [[зонная структура|зонной структуры]] полупроводников и с достаточно узкой запрещённой зоной.

Основным стимулом для изучения полупроводниковых материалов является производство [[Полупроводниковые приборы|полупроводниковых приборов]] и [[Интегральная схема|интегральных микросхем]] — это в первую очередь относится к [[Кремний|кремнию]], но затрагивает и другие полупроводниковые материалы ([[Германий|Ge]], [[Арсенид галлия|GaAs]], [[фосфид индия|InP]], [[антимонид индия|InSb]]).

Кремний — [[Запрещённая зона|непрямозонный полупроводник]], оптэлектрические свойства которого широко используются для создания [[фотодиод]]ов и [[солнечные батареи|солнечных батарей]], однако на основе кремния трудно создать источник излучения и здесь используются прямозонные полупроводники — соединения типа A<sup>III</sup>B<sup>V</sup>, среди которых можно выделить [[Арсенид галлия|GaAs]], [[нитрид галлия|GaN]], которые используются для создания [[светодиод]]ов и [[полупроводниковый лазер|полупроводниковых лазеров]].

[[Собственный полупроводник]] при [[абсолютный нуль|температуре абсолютного нуля]] не имеет свободных носителей в [[зона проводимости|зоне проводимости]] в отличие от проводников и ведёт себя как [[диэлектрик]]. При сильном [[Легирование (полупроводники)|легировании]] ситуация может поменяться (см. [[Вырожденный полупроводник|вырожденные полупроводники]]).
<!--
В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для [[число Авогадро|числа Авогадро]].-->

=== Легирование ===
{{основная статья|Легирование полупроводников}}
Электрические свойства полупроводника могут сильно зависеть от [[дефекты кристалла|дефектов в кристаллической структуре]]. Поэтому стремятся использовать очень чистые вещества, в основном, для электронной промышленности.

Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко применяемый [[кремний]] можно легировать элементами V подгруппы периодической системы элементов — [[фосфор]]ом, [[мышьяк]]ом которые являются [[Донор (физика полупроводников)|донорами]] и получить кремний с электронным типом проводимости (n-Si). Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют элементы III подгруппы [[Бор (элемент)|бор]] или алюминий ([[Акцептор (физика полупроводников)|акцептор]]). Так же получают [[Компенсированный полупроводник|компенсированные полупроводники]] для расположения уровня Ферми в середине запрещённой зоны.

== Методы получения ==
Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ <!--?--> промышленного получения монокристаллического технологического кремния — [[метод Чохральского]]. Для очистки технологического кремния используют также [[метод зонной плавки]].

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки [[молекулярно-лучевая эпитаксия|молекулярно-лучевой эпитаксии]], позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

== Оптика полупроводников ==
Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая [[принцип запрета Паули]], электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния [[валентная зона|валентной зоны]] заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в [[зона проводимости|зону проводимости]]. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. [[Фотоны]] с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот <math> \omega <E_g / \hbar </math> , где <math> E_g </math> — ширина запрещённой зоны, <math> \hbar </math> — [[постоянная Планка]]. Эта частота определяет [[фундаментальный край поглощения]] для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике ([[кремний]], [[германий]], [[арсенид галлия]]) она лежит в [[инфракрасное излучение|инфракрасной]] области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают [[правила отбора]], в частности [[закон сохранения импульса]]. Закон сохранения импульса требует, чтобы [[квазиимпульс]] конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину [[импульс]]а поглощённого фотона. [[Волновое число]] фотона <math>2\pi/\lambda</math>, где <math> \lambda </math> — длина волны, очень мало по сравнению с волновым [[обратная решётка|вектором обратной решётки]] полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для [[запрещённая зона|прямозонных полупроводников]]. Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются ''прямыми'' или ''вертикальными''. Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, [[фонон]]. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются ''непрямыми переходами''.

Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как [[арсенид галлия]], начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в [[оптоэлектроника|оптоэлектронике]].

Непрямозонные полупроводники, например, [[кремний]], поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от [[температура|температуры]]. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в [[ультрафиолетовое излучение|ультрафиолетовой области]] спектра.

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные [[носители заряда]], а следовательно [[фотопроводимость]].

При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением [[экситон]]ов, электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решётки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют [[атом водорода|водородоподобную]] структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, [[акцептор (физика полупроводников)|акцепторы]] или [[донор электрона|доноры]], создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения.

== Список полупроводников ==
Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:
* '''''простые''''' [[полупроводниковые материалы]] — собственно простые вещества, образованные химическими элементами: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;
* в группу '''''сложных''''' полупроводниковых материалов входят химические соединения из двух, трёх и более химических элементов. Полупроводниковые материалы из двух элементов называют ''бинарными'', и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют ''арсенидами'', серу — ''сульфидами'', теллур — ''теллуридами'', углерод — ''карбидами''. Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы [[периодическая система элементов|Периодической системы элементов Д. И. Менделеева]], к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (A — первый элемент, B — второй и т. д.). Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение A<SUP>III</SUP>B<SUP>V</SUP>

Широкое применение получили следующие соединения:
;A<SUP>III</SUP>B<SUP>V</SUP>
* InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN
;A<SUP>II</SUP>B<SUP>V</SUP>
* CdSb, ZnSb
;A<SUP>II</SUP>B<SUP>VI</SUP>
* ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS
;A<SUP>IV</SUP>B<SUP>VI</SUP>
* PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe
а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния. Помимо окислов используются феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения.(A<SUP>I</SUP>B<SUP>III</SUP>C<SUB>2</SUB><SUP>VI</SUP>, A<SUP>I</SUP>B<SUP>V</SUP>C<SUB>2</SUB><SUP>VI</SUP>, A<SUP>II</SUP>B<SUP>IV</SUP>C<SUB>2</SUB><SUP>V</SUP>, A<SUP>II</SUP>B<SUB>2</SUB><SUP>II</SUP>C<SUB>4</SUB><SUP>VI</SUP>, A<SUP>II</SUP>B<SUP>IV</SUP>C<SUB>3</SUB><SUP>VI</SUP>).

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: (CdTe)<SUB>x</SUB>(HgTe)<SUB>1-x</SUB>, (HgTe)<SUB>x</SUB>(HgSe)<SUB>1-x</SUB>, (PbTe)<SUB>x</SUB>(SnTe)<SUB>1-x</SUB>, (PbSe)<SUB>x</SUB>(SnSe)<SUB>1-x</SUB> и других.

Соединения A<SUP>III</SUP>B<SUP>V</SUP>, в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на [[Микроволновое излучение|сверхвысоких частотах]].

Соединения A<SUP>II</SUP>B<SUP>V</SUP> используют в качестве [[люминофор]]ов видимой области, [[светодиод]]ов, [[Эффект Холла|датчиков Холла]], модуляторов.

Соединения A<SUP>III</SUP>B<SUP>V</SUP>, A<SUP>II</SUP>B<SUP>VI</SUP> и A<SUP>IV</SUP>B<SUP>VI</SUP> применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления [[фотоэлемент]]ов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.
{| class="wikitable"
|+ Физические свойства соединений типа A<SUP>III</SUP>B<SUP>V</SUP>
! Параметры || AlSb || GaSb || InSb || AlAs || GaAs || InAs
|-
|Температура плавления, К||1333||998||798||1873||1553||1218
|-
|Постоянная решётки, [[Ангстрем|Å]]||6,14||6,09||6,47||5,66||5,69||6,06
|-
|Ширина запрещённой зоны Δ''E'', эВ||0,52||0,7||0,18||2,2||1,41||0,35
|-
|Диэлектрическая проницаемость ε||8,4||14,0||15,9|| — || — || —
|-
|Подвижность, см²/(В·с):
|colspan="6"|
|-
|электронов||50||5000||60 000|| — ||4000||34000<ref name="xumuk-InAs">Индия арсенид // Химическая энциклопедия</ref>
|-
|дырок||150||1000||4000|| — ||400||460<ref name="xumuk-InAs" />
|-
|Показатель преломления света, n||3,0||3,7||4,1|| — ||3,2||3,2
|-
|Линейный коэффициент теплового<br>расширения, K<SUP>-1</SUP>|| — ||6,9·10<SUP>-6</SUP>||5,5·10<SUP>-6</SUP>||5,7·10<SUP>-6</SUP>||5,3·10<SUP>-6</SUP>|| —
|}

=== Группа IV ===
* собственные полупроводники
** [[Кремний]] — Si
** [[Германий]] — Ge
** [[Серое олово]] — α-Sn
* составной полупроводник
** [[Карбид кремния]] — SiC
** [[Кремний-германий]] — SiGe

=== Группа III-[[Подгруппа азота|V]] ===
* 2-компонентные полупроводники
** [[Антимонид алюминия]] — AlSb
** [[Арсенид алюминия]] — AlAs
** [[Нитрид алюминия]] — AlN
** [[Фосфид алюминия]] — AlP
** [[Нитрид бора]] — BN
** [[Фосфид бора]] — BP
** [[Арсенид бора]] — BAs
** [[Антимонид галлия]] — GaSb
** [[Арсенид галлия]] — GaAs
** [[Нитрид галлия]] — GaN
** [[Фосфид галлия]] — GaP
** [[Антимонид индия]] — InSb
** [[Арсенид индия]] — InAs
** [[Нитрид индия]] — InN
** [[Фосфид индия]] — InP
* 3-компонентные полупроводники
** Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As
** [[InGaAs]], In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As
** [[InGaP]]
** [[AlInAs]]
** [[AlInSb]]
** [[GaAsN]]
** [[GaAsP]]
** [[AlGaN]]
** [[AlGaP]]
** [[InGaN]]
** [[InAsSb]]
** [[InGaSb]]
* 4-компонентные полупроводники
** [[AlGaInP]], [[InAlGaP]], [[InGaAlP]], [[AlInGaP]]
** [[AlGaAsP]]
** [[InGaAsP]]
** [[AlInAsP]]
** [[AlGaAsN]]
** [[InGaAsN]]
** [[InAlAsN]]
** [[GaAsSbN]]
* 5-компонентные полупроводники
** [[GaInNAsSb]]
** [[GaInAsSbP]]

=== Группа II-[[Халькогены|VI]] ===
* 2-компонентные полупроводники
** [[Селенид кадмия]] — CdSe
** [[Сульфид кадмия]] — CdS
** [[Теллурид кадмия]] — CdTe
** [[Теллурид платины]] — PtTe
** [[Оксид цинка]] — ZnO
** [[Селенид цинка]] — ZnSe
** [[Сульфид цинка]] — ZnS
** [[Теллурид цинка]] — ZnTe
** [[Теллурид свинца]] — PbTe
* 3-компонентные полупроводники
** [[CdZnTe]], [[CZT]]
** [[HgCdTe]]
** [[HgZnTe]]
** [[HgZnSe]]

=== Группа I-[[Галогены|VII]] ===
* 2-компонентные полупроводники
** [[Хлорид меди(I)|Хлорид меди, CuCl]]

=== Группа IV-[[Халькогены|VI]] ===
* 2-компонентные полупроводники
** [[Селенид свинца]], [[PbSe]]
** [[Сульфид свинца]], [[PbS]]
** [[Теллурид свинца]], [[PbTe]]
** [[Моносульфид олова|Сульфид олова]], [[SnS]]
** [[Теллурид олова]], [[SnTe]]
* 3-компонентные полупроводники
** [[PbSnTe]]
** Tl<sub>2</sub>SnTe<sub>5</sub>
** Tl<sub>2</sub>GeTe<sub>5</sub>

=== Группа V-[[Халькогены|VI]] ===
* 2-компонентные полупроводники
** [[Теллурид висмута]], Bi<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>

=== Группа II—V ===
* 2-компонентные полупроводники
** [[Фосфид кадмия]], Cd<sub>3</sub>P<sub>2</sub>
** [[Арсенид кадмия]], Cd<sub>3</sub>As<sub>2</sub>
** [[Антимонид кадмия]], Cd<sub>3</sub>Sb<sub>2</sub>
** [[Фосфид цинка]], Zn<sub>3</sub>P<sub>2</sub>
** [[Арсенид цинка]], Zn<sub>3</sub>As<sub>2</sub>
** [[Антимонид цинка]], Zn<sub>3</sub>Sb<sub>2</sub>

=== Другие ===
** [[CuInGaSe]]
** [[Силицид платины]], [[PtSi]]
** [[Иодид висмута(III)]], BiI<sub>3</sub>
** [[Иодид ртути(II)]], HgI<sub>2</sub>
** [[Бромид таллия(I)]], [[TlBr]]
** [[Иодид меди(II)]], CuI<sub>2</sub>
** [[Дисульфид молибдена]], MoS<sub>2</sub>
** [[Селенид галлия]], [[GaSe]]
** [[Сульфид олова(II)]], [[SnS]]
** [[Сульфид висмута]], Bi<sub>2</sub>S<sub>3</sub>
* Разные оксиды
** [[Диоксид титана]], TiO<sub>2</sub>
** [[Оксид меди(I)]], Cu<sub>2</sub>O
** [[Оксид меди(II)]], [[CuO]]
** [[Диоксид урана]], UO<sub>2</sub>
** [[Триоксид урана]], UO<sub>3</sub>

=== [[Органические полупроводники]] ===
* [[Тетрацен]]
* [[Пентацен]]
* [[Акридон]]
* [[Перинон]]
* [[Флавантрон]]
* [[Индантрон]]
* [[Индол]]
* [[Alq3]]

=== [[Магнитные полупроводники]] ===
* [[Ферромагнетики]]
** [[Оксид европия]], [[EuO]]
** [[Сульфид европия]], [[EuS]]
** CdCr<sub>2</sub>Se<sub>4</sub>
** [[GaMnAs]]
** Pb<sub>1-x</sub>Sn<sub>x</sub>Te легированный Mn<sup>2+</sup>
** GaAs легированный Mn<sup>2+</sup>
** ZnO легированный Co<sup>2+</sup>
* [[Антиферромагнетики]]
** [[Теллурид европия]], [[EuTe]]
** [[Селенид европия]], [[EuSe]]
** [[Оксид никеля(II)|Оксид никеля]], [[NiO]]

== См. также ==
* [[Словарь терминов физики полупроводников]]
* [[Полупроводник p-типа]]
* [[Полупроводник n-типа]]
* [[p-n-переход]]
* [[Сверхрешётка]]
* [[Гетероструктура]]
* [[Полупроводниковые приборы]]
** [[Интегральная схема]]
* [[Полупроводниковая промышленность]]
** [[Полупроводниковые материалы]]
<!-- 
** [[Полупроводниковая пластина]]
** [[Подложка]]
-->

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* ''[[Тауц, Ян|Тауц Я.]]'' Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. — {{М.}}: Издательство иностранной литературы, 1962. — 256 с.
* ''[[Тауц, Ян|Тауц Я.]]'' Оптические свойства полупроводников. — {{М.}}: Мир, 1967. — 74 с.
* ''Киреев П. С.'' Физика полупроводников. — М.: Высшая школа, 1975. — 584 с. — 30 000 экз. 
* {{книга | автор = [[Горелик, Семён Самуилович|Горелик С. С.]], [[Дашевский, Вениамин Яковлевич|Дашевский В. Я.]]| часть = | заглавие = Материаловедение полупроводников и диэлектриков: Учебник для вузов| оригинал = | ссылка = | издание = | ответственный = | место = М.| издательство = МИСИС| год = 2003| том = | страницы = | страниц = 480| isbn = 5-87623-018-7| ref=Горелик, Дашевский}}
* ''[[Киселёв, Всеволод Фёдорович|Киселёв В. Ф.]]'' Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. — М.: Наука, 1970. — 399 с. — 7800 экз. 
* ''[[Анатычук, Лукьян Иванович|Анатычук Л. И.]], Булат Л. П.'' Полупроводники в экстремальных температурных условиях. — СПб.: Наука, 2001. — 223 с. — 1500 экз.
* {{книга | автор = Хенней И. Б.| часть = | заглавие = Полупроводники| оригинал = | ссылка = | издание = | ответственный = | место = М.| издательство = Иностранная литература| год = 1962| том = | страницы = | страниц = 668 | isbn = }}
* {{книга | автор = Смит Р.| часть = | заглавие = Полупроводники| оригинал = | ссылка = | издание = | ответственный = | место = М.| издательство = Иностранная литература| год = 1962| том = | страницы = | страниц = 467 | isbn = }}
* ''[[Жилич, Анатолий Георгиевич|Жилич А. Г.]], Монозон Б. С.'' Магнито- и электропоглощение света в полупроводниках. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1984.

== Ссылки ==
{{wiktionary|полупроводник}}
* [http://www.abc.chemistry.bsu.by/vi/Mott-Schottky.htm Получение зависимостей Мотта-Шоттки методом потенциодинамической электрохимической импедансной спектроскопии]
* [https://www.youtube.com/watch?v=hw87vFHvJTw Электрические явления, протекающих в кристаллах полупроводников]{{уточнить}}
* [https://www.youtube.com/watch?v=WnL4m4D5cXA Производство полупроводников]{{уточнить}}

{{Материалы по электропроводным свойствам}}

[[Категория:Полупроводники| ]]