Полупроводниковые материалы составляют основу современной электроники. В соответствии с ГОСТ 22622-77 (Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров) полупроводниковым материалом называется материал, предназначенный для использования его полупроводниковых свойств.
Полупроводник же, в соответствии с ГОСТ Р 52002-2003, - это вещество, основным электрическим свойством которого является сильная зависимость его электропроводности от воздействия внешних факторов. К таким веществам относятся углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, селен, индий, а также различные окислы и химические соединения с серой (сульфиды), с селеном (селениды), с теллуром (теллуриды) и др. Полупроводниковыми свойствами могут обладать и синтетические вещества – полимеры. Полупроводники могут иметь как кристаллическое строение, так и аморфное. Полупроводники, которые используются в электронике, как правило, имеют кристаллическое строение. По своим электрическим свойствам они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками: удельное сопротивление проводников составляет 10-2–10 мкОм·м, для диэлектриков эта величина равна 1014–1015 мкОм·м. Удельное же сопротивление полупроводников колеблется в очень широких пределах: от 1 до 1014 мкОм·м).
Полупроводники отличаются от проводников не только большой величиной сопротивления, но и характерной особенностью его изменения. Дело в том, что сопротивление и тех и других радиоматериалов зависит от температуры окружающей среды и от количества примесей в них, но проявляются эти зависимости по-разному. Так, в полупроводниках с понижением температуры сопротивление увеличивается и с приближением к абсолютному нулю они становятся диэлектриками (рисунок 1). Сопротивление проводников, наоборот, как уже говорилось раньше (Почему сопротивление проводников зависит от температуры?), с понижением температуры уменьшается и вблизи абсолютного нуля достигает очень малых величин, а проводимость стремится к весьма большим значениям и переходит в сверхпроводимость.
Рисунок 1 – Пример температурной зависимости сопротивления полупроводника
Кроме того, примеси в проводнике увеличивают его сопротивление, а примеси в полупроводнике, как будет показано дальше, уменьшают его сопротивление. Причём сопротивление полупроводника без примеси может быть увеличено в десятки-сотни раз за счёт введения небольшой концентрации примеси, например, 0,0001%. На сопротивление полупроводника также может оказать влияние облучение, электрическое или магнитное поля, давление и ускорение.
Так, в полупроводниках с понижением температуры сопротивление увеличивается и с приближением к абсолютному нулю они становятся диэлектриками. Сопротивление проводников, наоборот, с понижением температуры уменьшается и вблизи абсолютного нуля достигает очень малых величин, а проводимость стремится к весьма большим значениям и переходит в сверхпроводимость.
Полупроводники имеют аналогичное с диэлектриками строение энергетических зон и, по большому счёту, разделение твёрдых тел на полупроводники и диэлектрики является условным. С точки зрения зонной теории твёрдого тела (Что такое зонная теория твёрдого тела?) к полупроводникам относят твёрдые тела, у которых ширина запрещённой зоны лежит в пределах 0,1–3 эВ. Существуют различные виды полупроводников. Классификация полупроводников показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Классификация полупроводников
Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа называется полупроводник, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность. Т.е. это, как правило, «идеально» химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой. В зависимости от химического состава собственные полупроводники могут быть простыми или сложными. Состав простого полупроводника представлен атомами одного химического элемента. Сложный полупроводник образован атомами двух или большего числа химических элементов.
Примесный полупроводник, или же полупроводник N-типа (P-типа) называется полупроводник электропроводность которого определяется примесями. В зависимости от типа электропроводности примесный полупроводник может быть электронным или дырочным.
В электронном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном перемещением электронов проводимости, а в дырочном – дырок проводимости.
Электропроводность в примесном полупроводнике зависит от типа примеси и концентрации свободных носителей заряд. Если, электронная (дырочная) проводимость примесного полупроводника частично компенсирована дырочной (электронной) проводимостью примесей, то такой полупроводник называется частично компенсированным полупроводником. Примесный полупроводник, в котором в нормальных условиях концентрации электронов проводимости и дырок проводимости одинаковы называется скомпенсированным полупроводником.
В зависимости от положения уровня Ферми (что такое уровень Ферми поясняется в соседнем разделе) в энергетической диаграмме выделяют вырожденные и невырожденные полупроводники. В первом случае уровень Ферми расположен в зоне проводимости или в валентной зоне, или же в запрещённой зоне на расстоянии от границ указанных зон, меньшем kT. Во втором случае уровень Ферми расположен в запрещённой зоне на расстоянии от её границ, большем kT.