Тема 4.2 Элементарные полупроводники

Раздел4

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Важным свойством полупроводников является зависимость элек­тропроводности от интенсивности внешнего энергетического воз­действия: электрического или магнитного поля, температуры, длины волны светового потока, освещенности, механического давления и т. д. Возможно и обратное действие — преобразование электриче­ской энергии в тепловую, световую или механическую. Используя эти и другие свойства полупроводниковых материалов, получены различные по назначению приборы и схемы в микроэлектронике, без которых немыслимы современные радио- и телевизионная аппа­ратура, электронные вычислительные машины, измерительная тех­ника в целом.

Тема 4.1 Физические процессы в полупроводниках

Классификация полупроводников:

Используемые в технике полу­проводниковые материалы подразделяются на три основные группы:

1. Элементарные (простые)полупроводники (кремний, германий...).

2. Сложные полупроводниковые соединения: различные фосфиды, арсениды, антимониды, (например: арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, антимонид индия InSb); различные сульфиды, селениды, теллуриды (например: сульфид свинца PbS, селенид ртути HgSe, теллурид кадмия CdTe).

3. Полупроводниковые комплексы (например: из карбида кремния, графита и т. п., сцепленных глинистой, стеклянной или другой связкой (тирит, вилит, лэтин, силит). Известны также полу­проводники органические (антрацен, полинафталин, полиацетилен и др.), стеклоообразные (халькогенидные стекла) и жидкие.

Собственные и примесные полупроводники

Величина и тип электропроводности полупроводников зависят от природы и концентрации примеси, в том числе специально введенной (легирующей).

Концентрация легирующей примеси обычно незначительна, на­пример у Ge она составляет один атом на 10¹⁰—10¹² атомов полупро­водника. В этой связи все полупроводники можно разбить на две группы: собственные и примесные.

Собственные полупроводникине содержат легирующие примеси; к ним относятся высокой степени чистоты простые полупроводники: кремний Si, германий Ge, селен Se, теллур Те и др. и многие полу­проводниковые химические соединения: арсенид галлия GaAs, анти-монид индия InSb, арсенид индия InAs и др.

Примесные полупроводникивсегда содержат донорную или ак­цепторную примесь. В производстве полупроводниковых приборов примесные полупроводники используют чаще, поскольку в них свободные носители заряда образуются при более низких темпера­турах (чем в собственных полупроводниках), которые отвечают рабо­чему интервалу температур полупроводникового прибора.

Тема 4.2 Элементарные полупроводники

Из простых полупроводников в приборостроении используют кремний Si, германий Ge и селен Se. Кремний по совокупности сво­их электрических свойств получил наибольшее применение в произ­водстве дискретных полупроводниковых приборов, а в производстве интегральных микросхем он остается пока единственным полупро­водниковым материалом.

Технология производства недо­рогих интегральных микросхем на основе кремния проще, чем из германия и др. полупроводников; кремний более распространен в природе, чем остальные полупроводники. Наиболее редкое применение в производстве полупроводниковых приборов имеет селен.

Кремний Si — химический элемент IV группы периодической сис­темы Д.И. Менделеева. Кристаллизуется Si с образованием кубиче­ской пространственной решетки типа алмаза (рис. 9.4); постоянная решетки а = 0,542 нм. В такой кристаллической решетке каждый атом Si находится на одинаковом расстоянии от четырех соседних атомов, которые расположены по отношению к нему подобно вершинам пра­вильного тетраэдра. Каждый атом образует с соседними атомами че­тыре равноценные ковалентные связи. Число атомов Si в единице объ­ема составляет 5-Ю²⁸ атом/м³. Кристаллический кремний тверд, хрупок, темно-серого цвета с характерным металлическим блеском. Температура плавления Si равна 1417 °С. Он имеет широкую запре­щенную зону (AW= 1,12 эВ при 20 °С), что позволяет из кремния соз­давать полупроводниковые приборы с относительно высокой рабочей температурой (до 120—200 °С). При комнатной температуре концен­трация собственных носителей заряда составляет 3-Ю¹⁶ м^-3, а удельное сопротивление, обусловленное собственной электропроводностью, равно примерно 2,3-10³ Омм. Собственную электропроводность Si можно наблюдать при концентрации примесей 10¹⁷ атом/м³ и менее (рис. 9.5). Такую высокую степень чистоты уже нельзя контролировать химическими методами. Поэтому о степени чистоты Si (так же, как и Ge) судят по электропроводности: чем чище кремний (германий), тем выше его удельное сопротивление. Для видимого света Si непрозрачен. Однако чистый Si в инфракрасном свете, начиная с длины волны 1,2 мкм, становится сравнительно прозрачным. С увеличением концентрации примесей увеличивается коэффициент поглощения электромагнитного излуче­ния.

Рис.9.4. Элементарная ячейка

По химическим свойствам кремний является металлоидом. Он устойчив на воздухе при нагревании до 900 °С. При температурах выше 900 °С Si интенсивно окисляется с образованием двуокиси кремния Si0₂.

В расплавленном состоянии Si обладает высокой хи­мической активностью и химически взаимодействует почти со всеми элементами, кроме инертных газов и чистого кварца.

Кремний является вторым по распространенности химическим элементом после кислорода. В земной коре массовая доля кремния составляет 27,6 %. В свободном виде в природе Si не встречается, на­ходится главным образом в виде кремнезема — двуокиси кремния Si0₂ и различных силикатов.

Германий Ge — это химический элемент IV группы периодиче­ской системы Д.И. Менделеева. Кристаллизуется с образованием ку­бической пространственной решетки типа алмаза (см. рис. 9.4); по­стоянная решетки а = 0,566 нм. Кристал­лический германий тверд, хрупок, серовато-белого цвета с характер­ным металлическим блеском. Ширина запрещен­ной зоны (AW= 0,72 эВ при 20 °С) меньше, чем у кремния. Поэтому рабочая температура полупроводниковых приборов на основе Ge ниже, чем на основе Si, и не должна превышать 70 °С. При комнат­ной температуре концентрация собственных носителей заряда со­ставляет 2,5-10¹⁹ м~³, а удельное сопротивление, обусловленное соб­ственной электропроводностью, равно ~ 0,68 Ом*м. Таким образом, у Ge концентрация собственных носителей заряда на три десятич­ных порядка больше, а собственная удельная электропроводность на четыре десятичных порядка выше, чем соответствующие характери­стики у Si. Собственную электропроводность Ge можно обнаружить при концентрации примесей ~ 10¹⁹ атом/м³ и менее (см. рис. 9.5). Из рис. 9.5 также видно, что с увеличением концентрации как донор-ной, так и акцепторной примеси удельное сопротивление Ge резко снижается. При температурах ниже 5,4 К и давлениях выше 11 ГПа германий переходит в сверхпроводниковое состояние. Для видимого света Ge непрозрачен.

Германий — один из первых полупроводниковых материалов, нашедший широкое применение в производстве дискретных полу­проводниковых приборов. Массовая доля германия в земной коре

Германий применяют для изготовления различных типов диодов, транзисторов и т. д., оптических и магниточувствительных приборов: фототранзисторов, фотодиодов, оптических фильтров, модуляторов света коротких радиоволн, датчиков ЭДС Холла и др. Рабочий ин­тервал температур этих приборов от -60 °С до +70 °С.