Простые полупроводники и их свойства

Кремний — основной материал современного полупроводни­кового производства. Применяется для производства интегральных микросхем. Технология массо­вого производства дешевых интегральных микросхем на основе кремния значительно проще, а сам кремний распространен в при­роде гораздо шире других полупроводниковых материалов.

Основные свойства кремния. Кремний Si — элемент IV группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, кристалли­зуется в виде кубической решетки типа алмаза в которой все атомы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга; постоянная решетки а=0,542 нм. Число атомов кремния в единице объема равно 5·10²⁸ в 1 м³. На внешней валентной обо­лочке атома кремния расположены 4 электрона.

Основной параметр полупроводниковых материалов — ширина запрещенной зоны ∆W для кремния при 20°С составляет 1,12 эВ. Это позволяет создавать кремниевые полупроводниковые приборы с относительно высокой рабочей температурой до 125°С. Концент­рация собственных носителей заряда при комнатной температуре 3·10¹⁶ м^-3; удельное сопротивление кремния с собственной элект­ропроводностью около 2,3·10³Ом·м и резко уменьшается при увеличении концентрации примесей. При низких темпе­ратурах (T<6,7 К) и высоких давлениях (р>12 ГПа) кремний переходит в сверхпроводящее состояние, т. е. ρ кремния уменьша­ется практически до нуля.

Кремний непрозрачен для видимого света, но для инфракрасных лучей с длиной волны более 1,2 мкм чистый кремний становится сравнительно прозрачным. Наличие примесей ведет к увеличению коэффициента поглощения электромагнитного излучения.

Внешне кремний представляет собой темно-серый материал с металлическим блеском, довольно твердый и хрупкий. Плотность кремния 2320 кг/м³, температура плавления 1414° С. В чистых кис­лотах он не растворяется, но легко растворяется в смеси азотной и плави­ковой кислот, а также в щелочах. При нагревании активность кремния резко возрастает. При температурах выше 200°С он соединяется с галогенами, образуя галогениды (SiCl4, SiJ₄ и др.). При температурах выше 900° С крем­ний окисляется до оксида кремния (IV), т. е. двуокиси кремния SiO2.

При очень высоких температурах — более 2000°С кремний взаимодействует с водородом, образуя силаны. Основные соединения кремния. Кроме самого кремния в полу­проводниковом производстве находит применение ряд его соеди­нений.

Метод вытягивания из расплава, или метод Чохральского, состоит в том, что очищенный поликристаллический кремний расплавляют в тигле из особо чистого кварца в высоковакуумной печи (рис. 17.3). Затем с помощью штока в расплав вводят монокристаллическую затравку, ориентированную в нужном кристаллографическом направлении от­носительно поверхности расплава. После того как затравка оплавится, ее начина­ют медленно поднимать, одновременно поворачивая для лучшего перемешива­ния и выравнивания температуры. За затравкой тянется столбик расплава, удерживаемый силами поверхностного натяжения. По мере подъема столбик расплава остывает и кристаллизуется, причем с той же ориентацией, что и затравка.

В настоящее время по методу Чох­ральского выращивают монокристаллические слитки диаметром до 150 мм, ориен­тированные в направлениях [111], [110], [100], с удельным сопротивлением 5-10-⁵— 0,5 Ом-м и малым временем жизни не­основных носителей заряда (до 10 мкс).

Германий – элемент IV группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, кри­сталлизуется в виде кубической решетки типа алмаза с постоянной а=0,566 им; количество атомов в единице объема составляет 4,45·10²⁸ м^-3. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре        ∆W=0,75 эВ. Следовательно, рабочая тем­пература полупроводниковых приборов на основе германия ниже, чем на ос­нове кремния, и не превышает 80°С. Концентрация собственных носителей заряда 2,5·10¹⁹ м^-3, собственное удель­ное сопротивление 0,68 Ом·м. По­движность носителей заряда в слаболе-гированном германии при комнатной температуре сравнительно высока и составляет 0,39 м²/(В·с) для электронов и 0,19 м²/(В·с) для дырок. Это позволяет использовать германий для создания высокочастотных диодов и транзис­торов.

Электрические свойства германия очень "сильно зависят от ко­личества содержащихся в нем примесей.

Кристаллический германий представляет собой твердый и хруп­кий материал с характерным металлическим блеском и плотностью 5360 кг/м³. Температура плавления германия ниже, чем кремния, и составляет 937°С. Это во многих случаях упрощает технологиче­ские процессы.

На воздухе кристаллический германии устойчив до температу­ры 600°С, выше которой он окисляется до двуокиси германия GeO₂. Германий хорошо растворяется в смеси соляной и азотной кислот (царской водке), перекиси водорода, в кипящих щелочах. Преимуществом германия перед кремнием является то, что даже в расплавленном состоянии он практически не взаимодействует с углеродом и кварцем. Это позволяет при технологических про­цессах использовать тигли, изготовленные из графита и кварца. С галогенами и серой германий бурно реагирует при высокой тем­пературе. Германий может образовывать и двухвалентные соеди­нения, например моноокись GeO, но они не устойчивы.