Элементы германий и кремний из группы IV (Ь) периодической таблицы (табл. 7.1), для которых = 0,7 и 1,1 эВ, - хорошо известные полупроводники. Имеются также несколько двойных соединений элементов групп III (Ь) и V (Ь) периодической таблицы, в частности, алюминий, галлий и индий из группы III и фосфор, мышьяк и сурьма из группы V. Для примера можно назвать арсенид галлия GaAs и фосфид индия 1пР.

Во всех этих полупроводниковых материалах преобладают кова-лентные межатомные связи, а материалы имеют тетраэдальную кристаллическую структуру, подобную показанной на рис. 7.2. Почти все элементы III и V групп способны к соединению в твердом состоянии. При этом образуются более сложные тройные и четверные твердые растворы, например Ga (Asi j,Py), (Gai , AU) As, (InjGa) (AsiyPy) и (Gai Ala,) (Asj,Sb, j,). Индексы xal - x, yal-у соответствуют долям элементов III или V групп. Условимся использовать обозначения л: и 1 - X для элементов III группы, а у н I -- у - для элементов

Рис. 7.2. Тетраэдальиая кристаллическая структура элементов IV группы и соединений AI4BV:

а - кристаллическая структура алмаза, характерная для С, Si, Ge; б - кристаллическая структура цинковой обманки (ZnS), характерная для GaAs и других соединений АВ"*. [Из книги [7.3].]

V группы. Кроме того, обозначения хну соответствуют долям материалов с более низким атомным весом.

Каждый из этих полупроводников имеет свои характерные свойства. К ним относятся ширина запрещенной зоны е, подвижность электронов и дырок и ц, постоянная кристаллической решетки

Таблица 7.2. Саойства полупроводников при комнатной температуре*

Материал

Запрещенная зона

Энергия, эВ

Тип»»

Граничная

длина волны, мкм

Постоянная решетки Оо, им

Эффективные массы

AlAs

AlSb

GaAs

GASb

In As

InSb

0,66 1.11 2,45 2,16 1,58 2,26 1.4Й 0,73 1,35 0,36 0,17

D D D D D

1,88 1,15 0,52 0,57 0,75 0,55 0,87 1,70 0,92 3,50 7,30

0,5657 0,5431 0,5451 0,5661 0,6135 0,5451 0,5653 0,6096 0,5870 0,6058 0,6479

0,22 0,97

0,15 0,12 0,82 0,07 0,04 0,08 0,02 0,014

0,30 0,50 0,70 0,79 0,98 0,60 0,48 0,44 0,64 0,40 0,40

* 3a исключением, конечно, точки плавления,

D - прямозонный материал; I - непрямозонный материал (см. § S.3).

Рнс. 7.3. Диаграмма, показывающая связь постоянной решетки Оо н шнрнны запрещенной зоны eg прн изменении состава тройных соединений AiiiBv. Штриховые линии соответствуют непрямозонным материалам

0,66

\0,62

3,0 2.0 1,5 1,0 0,8 0,6

Л, мнм

0,60

Щ0.58

Uq. Эти и другие параметры непрерывно меняются при изменении х и у. Поэтому изучение тройных и четверных соединений, поиск полупроводников с наилучшей комбинацией свойств играет важную роль в разработке источников и детекторов. С большой вероятностью четверное соединение InGaAsP 1ЮДХ0ДЯЩИМ для светоизлучающих диодов

0.5if

0,5 10 1,5

2,5 Ig,

оказывается и лазеров, в

наиболее то время

как тройное соединение InGaAs целесообразно использовать для изготовления детекторов.

Некоторые особенности полупроводников группы IV и бинарных соединений групп III-V приведены в табл. 7.2. Более подробную информацию и библиографию можно найти во втором томе книги X. Кейси и М. Паниша [7.1]. Зависимости и Оо от х и у представлены на диаграммах рис. 7.3 (тройные соединения) и рис.7.4 (четверные соединения InGaAsP и GaAlAsSb).

Класс полупроводниковых материалов может быть расширен при использовании элементов групп II, IV и VI периодической таблицы. Однако до сих пор они не используются в системах связи ни в качестве источников, ни в качестве детекторов, поэтому в книге они не рассматриваются.

7.2.2. Примесные полупроводники

Электрические свойства почти всех собственных полупроводников могут быть видоизменены добавкой небольших количеств примесей. В частности, примеси могут создать избыток электронов (л-тип) или дырок (;7-тип). До тех пор пока концентрация примеси не слишком велика, произведение концентраций электронов и дырок остается не зависящим от уровня легирования

npnf = K.e\pi~Zg/kT). (7.2.6)

Это означает, что в легированном материале имеются основные носители (свободные электроны в материале «-типа и дырки в материале р-тта) и неосновные носители (дырки в л-типе и свободные электро-