СЛОЖНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

ТЕМА 4.1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

 МАТЕРИАЛАХ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА

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.

Классификация полупроводников.

Используемые в технике полу­проводниковые материалы подразделяются на три основные группы.

I. Простые полупроводники. Это девять химических элементов (табл. 8.2).

Таблица 8.2 Простые полупроводники

Примечание. Свойствами полупроводников обладают некоторые модифика­ции олова (серое) Sn, сурьмы Sb и углерода С.

II. Полупроводниковые химические соединения с общими форму­лами A^m_xBⁿ_y

Буквы А и В — химические элементы, а показатель степени m,n —номер группы таблицы Менделеева, x,y - количество атомов. 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 (см. гл. 8.2.3). 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. ПРОСТЫЕ (ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ)  ПОЛУПРОВОДНИКИ и

                СЛОЖНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

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.

Кремний

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.

Рис.9.4. Элементарная ячейка кремния

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.

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

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. Его 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.

СЛОЖНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

В настоящее время в производстве эпитаксиальных структур и полупроводниковых приборов наряду с простыми полупроводника­ми нашли широкое применение полупроводниковые химические со­единения. А в производстве таких приборов, как варисторы, термо­резисторы, фоторезисторы и некоторые другие преимущественно используются полупроводниковые химические соединения и ком­плексы на их основе (многофазные материалы).

Полупроводниковые химические соединения обладают самыми разнообразными электрофизи-ческими свойствами.

                                   Химические соединения типа A^IVB^IV

Единственным полупроводниковым бинарным химическим со­единением типа A⁴B⁴ является карбид кремния SiC. В стехиометрический состав SiC входит 70,045% кремния и 29,95 % углерода (по массе). По типу химической связи SiC относится к ковалентным кристаллам. Его ионная связь не превышает 10—12%. Карбид крем­ния кристаллизуется в двух модификациях: кубической и гексагональной.

Большие значения ширины 33 SiC (AW= 2,39—2,72 эВ) позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняю­щие работоспособность при температурах до 600°С. Собственная электропроводность из-за большой ширины 33 наблюдается лишь при температурах выше 1400°С. Подвижность носителей заряда низ­кая: для электронов не более 0,1 м²/(В-с), а для дырок — 0,02 м²/(Вс).

Карбид кремния имеет высокую твердость (немного уступает ал­мазу), высокую термическую, химическую и радиационную стойкость. Заметно окисляется при температурах выше 800°С. При комнатной температуре химически взаимодействует только с расплавленными щелочами, а также с расплавленной ортофосфорной кислотой Н₃Р0₄ и смесью азотной и фтористоводородной кислот (HN0₃ и HF). Чис­тый карбид кремния стехиометрического состава бесцветен. Техниче­ский SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет SiC зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется примесью атомов как чужеродных элемен­тов, так и собственных, являющихся превышением над стехиометрическим составом.

Монокристаллический SiC используют для изготовления свето-диодов. Светодиоды на основе SiC по сравнению со светодиодами на основе химических соединений типа A^mB^v обладают очень высо­кой надежностью и стабильностью работы. Они могут выдерживать 100-кратные токовые перегрузки, циклические перегревы до 400°С, они обладают исключительно высокой радиационной стойкостью. Монокристаллический карбид кремния можно использовать для изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков частиц высокой энергии, терморезисторов, фоторезисторов и дру­гих изделий.

Поликристаллический SiC используют в производстве нелиней­ных резисторов (варисторов), в которых сопротивление нелинейно снижается с ростом приложенного электрического напряжения (см. гл. 8.7.2). Для этих целей изготавливают многофазные материалы на основе порошкообразного SiC, скрепленного связующим веществом. Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят высоко­температурные нагреватели, игнитронные поджигатели и волноводные поглотители, а на основе пленок аморфного SiC — светодиоды и солнечные элементы.