Элементы, обладающие свойствами полупроводников

Германий.Содержание германия в земной коре невелико, около 7·10-4%. В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в диоксид германия (GеО₂) — порошок белого цвета. Диоксид германия восстанавливается в водородной печи при температуре 650—700°С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. В некоторых случаях порошок германия получают непосредственно из GеС₁₄ путем разложения этого соединения при высокой температуре в атмосфере паров цинка. Порошок германия подвергают травлению в смеси кислот и сплавляют в слитки. Слитки германия используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же для непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из расплава (метод Чохральского).

Германий, использующийся в производстве полупроводниковых приборов, подразделяется на марки, отличающиеся легирующими примесями, значением удельного сопротивления и диффузионной длины не основных носителей заряда. Для изготовления полупроводниковых приборов слитки германия распиливаются на пластинки, поверхность которых протравливается для устранения дефектов обработки.

При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная от температуры 1100°С — падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5—6%.

Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности и т. д. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн. Внутренний фотоэффект в германии наблюдается и при поглощении средних и быстрых электронов, а также при торможении элементарных частиц больших масс. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Кремний, как и германий, относится к ковалентным кристаллам четвертой группы таблицы Менделеева и имеет кубическую решетку типа алмаза. Это один из наиболее распространенных элементов земной коры (около 30%). Технический кремний (около одного процента примесей) получают в электрических печах восстановлением его оксидов углеродсодержащими веществами. Затем химическим путем образуют легколетучие хлористые соединения кремния, например, трихлорсилан (SiHС₁₃), представляющий собой жидкость с температурой кипения около 32°С. После тщательной дополнительной очистки трихлорсилан с потоком водорода поступает в камеру восстановления, в которой на нагретые электрическим током до 1250°С кремниевые стержни — затравки оседает чистый поликристаллический кремний. Процесс ведут до получения нужного диаметра стержня (в настоящее время до 300 мм). Выращивание объемных монокристаллов кремния осуществляют методами вытягивания из расплава и бестигельной зонной плавки. При этом имеются трудности. Температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия и близка к температуре размягчения труб, изготовленных из кварцевого стекла. Из этих труб в стержень может попасть кислород и другие примеси. Кроме того, кремний реагирует с углеродом, а потому зонную плавку стержня приходится вести без графитовой лодочки и не в кварцевых трубах, а в камерах из тугоплавких металлов. При вертикальном расположении стержня в процессе бестигельной зонной плавки узкая расплавленная зона удерживается вследствие большого поверхностного натяжения расплавленного кремния и малой плотности этого вещества. Коэффициент диффузии различных примесей в кремнии возрастает с повышением температуры. Электропроводность кремния, как и германия, очень сильно зависит от концентрации примесей. Температурная зависимость удельного сопротивления для кремния n-типа аналогична кремнию р-типа.

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлектроники. При использовании кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материала 120—200°С, что значительно выше, чем для германия.

Селен— элемент шестой группы таблицы Менделеева. Его получают на заводах при электрической очистке меди. Селен существует в нескольких разновидностях — как аморфных, так и кристаллических, разных цветов.

Удельное сопротивление селена изменяется в очень широких пределах 1—10¹¹ Ом·м и зависит от рода и концентрации примесей, температуры, освещенности. Селен обычно является дырочным полупроводником.

Примеси галогенов (хлор, бром, йод) уменьшают удельное сопротивление селена, если концентрация этих примесей меньше 5·10-4 % по массе. При дальнейшем увеличении содержания этих примесей сопротивление возрастает. Примеси теллура, ртути и ряда других металлов увеличивают сопротивление технически чистых образцов селена. Из селена изготовлялись фотоэлементы и выпрямители. В настоящее время применение селена существенно сократилось.

Бинарные соединения

Комментарии к рис. 3.6, 3.7, 3.8

Карбид кремния - бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны 2.8-3.1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния одно из наиболее твердых веществ, полупроводниковые приборы из которого могут работать при высоких температурах вплоть до 700°С. Карбид кремния устойчив против окисления до температуры свыше 1400°С. При комнатной температуре он не взаимодействует ни с какими кислотами.

Карбид кремния применяется для изготовления варисторов (нелинейных резисторов), светодиодов, высокотемпературных диодов, транзисторов, тензорезисторов, счетчиков частиц высоких энергий, способных работать в химически агрессивных средах. В электротехнике карбид кремния применяется для изготовления вентильных разрядников, предназначенных для защиты от перенапряжений аппаратуры и линий передачи высокого напряжения. Карбид кремния применяется для изготовления силитовых стержней для электрических печей на максимальную температуру до 1500°С.

Бинарные соединения - соединения А³В⁵ классифицируют по металлоидному элементу. Различают нитриды, фосфиды и антимониды. Особое место среди них занимает арсенид галлия, отличающийся большой шириной запрещенной зоны (1.4 эВ) и высокой подвижностью электронов (0.85 м²/(в·с)). Он используется для изготовления приборов, работающих при высоких температурах и высоких частотах, для инжекционных лазеров, светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Широко применяются антимонид индия, фосфид галлия, антимонид галлия.

Соединения А²В⁶, к которым относятся халькогениды цинка, кадмия, ртути, сульфиды, селениды, теллуриды применяются для изготовления фоторезисторов, высоковольтных датчиков Холла, в инфракрасной технике, для создания промышленных люминофоров и другие.

Наибольший интерес представляют бинарные алмазоподобные полупроводники. Они образуют так называемые изоэлектронные ряды Si, Ge.

Характерной особенностью практически всех бинарных соединений переходных металлов является наличие вырождения энергетических уровней при низких температурах. Так, даже такие ярко выраженные полупроводники, как CrSi₂ , ReSi₂ , Mn₄Si₇ , обнаруживают положительный температурный коэффициент электропроводности только при высоких температурах. Это связано не столько с наличием легко ионизируемых примесей, сколько с дополнительной возможностью ионизации атомов остова переходного металла, обусловленной его поливалентностью. В некоторых случаях этот процесс затягивается вплоть до температуры плавления материала, который так и не становится собственным полупроводником.

Оксиды. Закись меди — вещество малинового цвета, является полупроводником только р-типа [подвижность дырок примерно 0,01 м²/(В·с)]. Закись меди кристаллизуется в кубической системе. Проводимость закиси меди в сильной степени зависит от инородных примесей, термической обработки и температуры. К другим полупроводниковым оксидам относятся окись цинка (ZnО) с избытком цинка по сравнению со стехиометрическим составом, являющаяся примесным полупроводником только n-типа, и частично восстановленная двуокись титана.

Тесты к главе 3

 Вопрос 1 (мт=0,1)

Укажите пределы изменения удельного сопротивления полупроводников

1: r = 10^-8…10^-6 Ом ×м;

2: r = 10^-6…10⁺⁸ Ом × м;

3: r = 10⁺⁶…10²⁰ Ом × м.

Вопрос 2 (мт=0,3)

Укажите все простые полупроводники среди приведенных химических элементов

1: Бор

2: Кремний

3: Йод

4: Литий

5: Тантал

Вопрос 3 (мт=0,6)

Какая величина численно характеризует изменение удельной проводимости полупроводников при механической деформации

1: Энергия активации

2: Ширина запрещенной зоны

3: Тензочувствительность

4: Температурный коэффициент удельного сопротивления

5: Концентрация носителей заряда

Вопрос 4 (мт=0,7)

Каков температурный интервал работы селеновых выпрямителей?

1: –40 – +60⁰С

2: –60 – +75⁰С

3: –60 – +120⁰С

4: –40 – +100⁰С

5: –50 – +40⁰С

Вопрос 5 (мт=0,4)

Укажите материалы, изготавливаемые с применением карбида кремния

1: Вилит

2: Фарфор

3: Стеатит

4: Тирит

5: Миканит

Вопрос 6 (мт=0,5)

Укажите верхний предел рабочей температуры кремниевых выпрямителей

1: +50 – +70⁰С

2: +120 – +200⁰С

3: +400 –+450⁰С

Вопрос 7 (мт=0,5)

Укажите верхний предел рабочей температуры полупроводниковых приборов из арсенида галлия

1: +75⁰С

2: +450⁰С

3: +200⁰С

Вопрос 8 (мт=1)

Укажите основные причины нелинейности вольт-амперных характеристик связанных зерен порошка карбида кремния SiC

1: Замыкание контактных зазоров между зернами при нарастании приложенного напряжения и увеличении площади сечения образца

2: Увеличение проводимости и частичный пробой оксидных пленок, которые могут покрывать зерна при сильных электрических полях

3: Микронагрев контактирующих точек между зернами

4: Последовательно-параллельное включение большого числа р-n переходов

5: Крупность помола зерен и степень их сжатия

Вопрос 9 (мт=0,1)

Какая из приведенных ниже диаграмм соответствует полупроводникам?

1:                    2:                              3:

Вопрос 10

Какой тип электропроводности наиболее характерен для полупроводников

1: Электронный

2: Дырочный

3: Ионный

4: Электрофоретический

Вопрос 11(мт=0,2)

 Какой способ применяют для получения чистых полупроводников

1: Метод Чохральского

2: Метод Бринелля

3: Метод Мартенса

Вопрос 12 (мт=0,3)

Для определения типа электропроводности полупроводников применяют:

1: Метод Холла

2: Правило правой руки

3: Правило левой руки

4: Метод Чохральского

Вопрос 13 (мт=0,1)

Увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения называется…

1: Фотопроводимость

2: Электропроводность

3: Рекомбинация

4: Ионизация

Вопрос 14 (мт=0,4)

К гальваномагнитным эффектам в полупроводниках относятся:

1: Эффект Холла

2: Эффект Зеебека

3: Эффект Эттинсгаузена

4: Эффект Томпсона

Вопрос 15 (мт=0,4)

К термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся:

1: Эффект Холла

2: Эффект Зеебека

3: Эффект Пельтье

4: Эффект Томпсона

Вопрос 16 (мт=0,3)

 Перемещение электронов в одном направлении, а дырок – в противоположном определяет:

1: Собственную электрическую проводимость полупроводника;

2: Дырочную электропроводность полупроводника;

3: Дырочную и электрическую проводимость полупроводника.

Вопрос 17 (мт=0,3)

Чтобы получить полупроводник, обладающий только электронной проводимостью, в него вводят вещество, состоящее из атомов, валентность которых характеризуется следующим:

1: Она на единицу меньше валентности атомов основного полупроводника;

2: Она на единицу больше валентности атомов основного полупроводника;

3: Для нее не справедливы предыдущие ответы.

Вопрос 18 (мт=0,2)

Место плотного соприкосновения двух полупроводников с различными типами электрической проводимости называется:

Электронным переходом;

1: – n переходом;

2: p - n переходом;

3: n - переходом.

Вопрос 19 (мт=0,4)

В случае собственной электрической проводимости полупроводника между его электронами и дырками существует следующее соотношение:

1: Число электронов равно числу дырок;

2: Дырок больше, чем электронов;

3: Дырок меньше, чем электронов.