§1.3. Сравнение зонных энергетических моделей твердых материалов (диэлектриков, полупроводников и металлов)

рис 1.

Зонная энергетическая модель характеризует энергию электронов в материале, она отложена в каком-то масштабе вверх по оси W. OX откладывается расстояние, в данном случае от поверхности в глубину материала.

Валентная Зона характеризует энергии, которыми обладают электронв в ковалентной связи и максимальная из этих энергий - Ev - энергия потолка валентной зоны. Чтобы оторвать электрон из ковалентной связи необходимо наполнить его энергией, равной ширине запрещенного зоны, после чего он начнет двигаться по кристаллу, т.е. энергетически окажется в зоне проводимости и будет участвовать в переносе электрического тока. Наименьшая энергия у электронов проводимости - Ec - дно зоны проводимости. У диэлектриков ширина запрещенной зоны больше, чем 3,5 эВ. У полупроводников ширина запрещенной зоны меньше, чем 3,5 эВ. У металлов запрещенного зоны нет, т.к. металлическая связь сформирована облаком движущихся, т.е. уже оторванных от каждого атома электронов. Ширина запрещенной зоны характеризует оптические свойства диэлектриков и полупроводников. И на вопрос, почему стекло прозрачно, примитивней отВет - энергия квантов видимого нам диапаЗона длин волн меньше ширины запрещенной зоны стекла и свет, приходящий в стекло, не может поглотиться ни одним электроном, переводя его на другую энергетическую орбиту или состояние. Энергия связи электронов в стекле (стекло - смесь окислов, ионная связь в которых крепко держит электроны) велика и кванты света проходят сквозь него, не поглощаясь.

§2. Полупроводниковые материалы.

§2.1. Классификация полупроводников и способы выращивания их монокристаллов.

Классифицируют по сложности состава. Полупроводники - это неметаллические проводники с электронным механизмом проводимости тока. Ширина запрещенного зоны <3,5 эВ, удельное объемное сопротивление 10(^-3). Их электрических свойства сильно зависят от присутствия электрических примесей.

По сложности состава это:

1. Простые вещества (Германий, кремний, селен, бор, фосфор)

2. Химические соединения элементов разных групп таблицы Менделеева: п.2.

3. Многофазные полупроводники. В них есть кристаллы кремния, карбида кремния кремния, графита, сцепленные керамической или другой связкой.

По структуре полупроводники - кристаллические твёрдые вещества с упорядоченной решеткой типа алмаза. Это модификация гранецентрированной кубической решетки, состоящая как бы из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых в диагональном направлении относительно друг друга на четверть постоянной решетки. Основную роль играют здесь тетраэдрические связи. Каждый атом скреплен с соседними четырьмя атомами ковалентными связями, которые формируют четыре внешних валентных электрона. Ориентированы ковалентные связи по направлениям в тетраэдрах. Рис. 2. Полупроводниковые материалы должны быть чистыми от примесей и идеально монокристаллическими. Способов выращивания монокристаллов четыре группы.

По Чохральскому.

Это способ вытягивания монокристаллического слитка из расплавленного полупроводникового кремния, используя монокристаллическую затравку.

Затравку изготавливают методом капиллярной трубки. Внутрь тонкой длинной кварцевой трубки заливают расплавленный кремний При температуре выше t плавления, а затем охлаждают с одного конца. В точке охлаждения затвердевает кристалл, ориентированный произвольно. При дальнейшем охлаждения трубки на грани кристалла нарастают последующие слои и к концу трубки формируется одинаково ориентированный монокристалл. Его кристаллографическую ориентация контролируют рентгенографическими методами, срезают и полируют грань <111>, которую потом погружает в расплав при вытягивании слитка по методу Чохральского. При выращивании слитка затравка покружена в расплав кремния, вращается и с малой скоростью поднимается вверх. Ее интенсивно охлаждают, чтобы к ней примерзали слои кремния из жидкой ванны. На границе раздела твердых кремний - жидкость, к затравке достраиваются только атомы кремния, а все остальные, отличающиеся ионным радиусом и электроотрицательностью от кремния выталкиваются в жидкую ванну. Рис1. Растущий слиток увеличивается по диаметру, после достижения нужного диаметра (сегодняшний стандарт 30 см) скорость вытягивания увеличиваем, он перестает увеличиваться по диаметру. Высота вытягиваемых слитков методом Чохральского разных материалов более 1 м.