Широкозонные полупроводники

Широкозонные полупроводники характеризуются большим значением ширины запрещённой зоны (обычно Eg > 2 эВ), что определяет их уникальные электрические, оптические и тепловые свойства. Такие материалы находят применение в высокотемпературной электронике, УФ-оптоэлектронике и электронике высокой мощности.

Электронная структура В широкозонных полупроводниках проводящая и валентная зоны сильно разделены по энергии. Это приводит к низкой концентрации термически возбуждённых носителей при комнатной температуре, а также к повышенной устойчивости к электрическим пробоям. Примерами материалов являются SiC (карбид кремния), GaN (нитрид галлия), AlN (нитрид алюминия), ZnO (оксид цинка).

Ключевые моменты:

  • Большая ширина запрещённой зоны → низкая тепловая генерация носителей.
  • Высокая энергия пробоя → устойчивость к высоким напряжениям.
  • Необходимость легирования для увеличения проводимости.

Электропроводность и легирование

Присущая широкозонным полупроводникам низкая собственная проводимость обусловлена малой концентрацией электронов и дырок при нормальных температурах. Для достижения управляемой проводимости применяют легирование:

  • n-тип: донорные примеси (например, азот в ZnO, кремний в SiC) создают энергетические уровни близкие к зонной границе, обеспечивая образование электронов в зоне проводимости.
  • p-тип: акцепторные примеси (например, магний в GaN, бор в SiC) создают уровни, способствующие образованию дырок в валентной зоне.

Особенностью широкозонных полупроводников является сложность получения стабильного p-типа из-за глубоко расположенных акцепторных уровней.

Температурная зависимость проводимости

Проводимость σ(T) описывается законом:

$$ \sigma(T) = \sigma_0 \exp\left(-\frac{E_a}{k_B T}\right) $$

где Ea — энергия активации носителей, k_B — постоянная Больцмана. В широкозонных материалах Ea обычно высока (0.3–1 эВ и выше), что делает проводимость чувствительной к нагреву.

Оптические свойства

Широкозонные полупроводники обладают уникальными оптическими характеристиками, связанными с их широкой запрещённой зоной:

  • Поглощение и пропускание: поглощение начинается при энергии фотонов, превышающей Eg, что позволяет использовать их для УФ-детекторов и лазеров.
  • Люминесценция: высокая энергия зоны способствует свечению в УФ- и синей области спектра, что используется в LED-технологиях.
  • Прозрачность в видимом диапазоне: многие материалы, такие как AlN и ZnO, прозрачны для видимого света, что делает их подходящими для прозрачной электроники и солнечных элементов.

Тепловые и механические свойства

Широкозонные полупроводники отличаются высокой прочностью и термостойкостью:

  • Теплопроводность: высокая для SiC (~370 Вт/м·К) и умеренная для GaN (~230 Вт/м·К), что обеспечивает эффективное рассеивание тепла.
  • Твердость и химическая устойчивость: карбиды и нитриды проявляют высокую прочность, устойчивы к коррозии и агрессивным средам.
  • Термическая стабильность: материалы способны работать при температурах свыше 600–1000 °C, где кремний уже становится непригодным.

Электронные приборы на основе широкозонных полупроводников

Широкозонные полупроводники применяются в:

  1. Высоковольтных устройствах: MOSFET, диоды Шоттки, тиристоры — благодаря высокой энергии пробоя.
  2. УФ-детекторах и лазерах: GaN и AlN обеспечивают излучение в диапазоне 200–400 нм.
  3. Светоизлучающих диодах (LED) и лазерных диодах: эффективная люминесценция в синих и ультрафиолетовых диапазонах.
  4. Солнечных элементах: ZnO и GaN применяются в солнечных панелях для улучшения прозрачности и долговечности.

Ключевые преимущества для приборостроения:

  • Высокая рабочая температура.
  • Повышенная мощность и напряжение.
  • Широкий спектральный диапазон работы.

Особенности дефектной структуры

В широкозонных полупроводниках дефекты играют критическую роль:

  • Вакансии и междоузельные атомы: влияют на проводимость и уровни примесей.
  • Комплексные дефекты: могут создавать глубокие уровни в запрещённой зоне, препятствующие эффективному p-типа легированию.
  • Поверхностные состояния: сильно влияют на электронные приборы, требуя пассивации и применения гетероструктур.

Эффективное управление дефектами позволяет создавать устройства с высоким КПД и долгим сроком службы.

Оглавление