Вопрос 9.1.2 Гетероядерные полупроводниковые материалы различных типов.

Большую группу сложных полупроводников составляют нитриды, фосфиды, стибиды и арсениды р-элементов III группы (бор, алюминий, индий и галлий) типа А^IIIB^V. Эти соединения изоэлектронны таким простым веществам, как кремний и германий. В большинстве из них элементы находятся в состоянии sр³-гибридизации, т. е. в тетраэдрической координации друг относительно друга. Основные типы таких кристаллических структур получили свое название от соответствующих модификаций сульфида цинка ZnS цинковой обманки или сфалерита (кубическая) и вюрцита (гексагональная). В узлах кристаллической решетки данных соединений поочередно расположены катионы А^III и анионы B^V. Межъядерное расстояние в кристаллах фосфида алюминия А1Р (0,235 нм), арсенида галлия GaAs (0,243 нм) и стибида индия InSb (0,280 нм) практически равно таковым в изоэлектронных им кристаллах Si (0,235 нм), Ge (0,245 нм) и -Sn (0,280 нм). Как в ряду простых веществ С - Si - Ge - Sn - Pb, в последовательности изоэлектронных им соединений нитрид бора BN - фосфид алюминия А1Р - арсенид галлия GaAs - стибид индия InSb - висмутид таллия TlBi прочность ковалентной связи уменьшается, а возможность ее делокализации возрастает. Соответственно падают температура плавления и твердость, уменьшается ширина запрещенной зоны, а при переходе от InSb к висмутиду таллия TlBi (как и от Sn к Рb) изменяется и тип кристаллической решетки. Внешний вид соединений: нитрид бора похож на алмаз, фосфид алюминия представляет собой желтовато-серую массу, арсенид галлия вещество темно-серого цвета со смолистым блеском; стибид индия имеет вид светло-серого сплава с металлическим блеском; висмутид таллия является металлическим сплавом со структурой интерметаллида. Арсенид галлия GaAs. Он обладает следующими свойствами: кристаллизуется в структуре сфалерита; молекулярная масса равна 164,63; плотность твердого и жидкого состояния соединения соответственно достигает 5,4 и 5,9 г/см³; ширина запретной зоны равна 1,4 эВ; подвижность электронов при 300 К составляет 0,85 м²/(В·с); температура плавления стехиометрического состава достигает 1237 °С при давлении паров мышьяка примерно 760 мм рт. ст.; показатель преломления 3,2; диэлектрическая проницаемость составляет 11,1/

Класс полупроводниковых материалов типа A^IIB^VI составляют соединения серы, селена и теллура с d-металлами II группы: цинком, кадмием и ртутью, именуемые соответственно сульфидами, селенидами и теллуридами. Общее их название халькогениды. Соединения типа A^IIB^VI используют в виде поликристаллов (пленки и прессованные таблетки) и монокристаллические. Технология их получения довольно проста. Поликристаллические сульфиды и теллуриды производят чаще всего осаждением из водных растворов солей с серной кислотой. Для синтеза теллурида кадмия и селенидов используют непосредственное сплавление исходных компонентов. Поликристаллические пленки получают чаще всего методом катодного распыления в вакууме с последующей рекристаллизацией отжигом. Монокристаллы получают выращиванием из расплава и направленной кристаллизацией. Эпитаксиальные пленки производят осаждением из паровой фазы на ориентированные подложки. Группу полупроводниковых материалов типа представляют сульфид сурьмы Sb₂S₃, селенид Bi₂Se₃ и теллурид висмута Bi₂Тe₃, относящиеся к ковалентным кристаллам, в которых увеличивается в основном доля металлической связи. Эти материалы кристаллизуются в ромбическую и ромбоэдрическую структуры низкой симметрии. Они обладают сильной анизотропией свойств даже в пленочных образцах, а также электропроводностью, очень чувствительной к отклонениям от стехиометрического состава. Их синтезируют сплавлением исходных компонентов при пониженном давлении в запаянных кварцевых ампулах.

Вопрос 9.1.3 Полупроводники (ПП)- это вещества промежуточной тонкой структуры, основным свойством которых является зависимость их электропроводности от воздействия внешних факторов (температура, электрическое поле, излучения и т. д.).

При нормальных условиях полупроводники имеют весьма большое удельное сопротивление и практически являются изоляторами, но с увеличением температуры данный параметр резко уменьшается, а при нагревании становится весьма малым. Удельное сопротивление этих материалов находится в диапазоне 10^-3 - 10¹⁰ - 10¹² Ом∙м. Основное отличие полупроводников от других материалов, в частности металлических проводников, связано с различием в их электронной структуре, с характером заполнения валентными электронами зон разрешенных энергий.

Свойства полупроводниковых материалов определяются их особыми характеристиками. Это собственная и примесная проводимость, различные виды электропроводности, оптические, фотооптические и контактные явления и др.

Полупроводниковыми свойствами могут обладать все кристаллы с неметаллическими связями, хотя они наиболее отчетливо выражаются у веществ с ковалентными связями малой энергии.

Полупроводниковыми свойствами обладают оксиды d-металлов, в частности цинка Zn, меди Cu, никеля Ni, кобальта Со, марганца Mn, хрома Cr, ванадия V и титана Ti.

Электропроводность стехиометрических оксидов данных металлов всегда больше таковой простых полупроводников (кремния и германия). Так, способность проводить ток окcидов Cr₂O₃, MnO, Fe₂O₃, NiO, CoO, Cu₂O изменяется от 10⁷ до 10¹¹ Ом∙см. На электрические свойства оксидных полупроводниковых материалов существенно влияют примеси.

Наибольшее применение получили оксиды меди(I) Сu₂О, цинка ZnO, титана(IV) TiO₂, железа(III) Fe₂O₃ и никеля(II) NiO.

Преимущество оксидных полупроводников состоит в том, что технология их изготовления сравнительно проста. В производстве применяют поликристаллические оксиды в виде спеченных образцов, которые легко получают методами керамической технологии.

Смеси оксидов используют для изготовления терморезисторов (термисторов) с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления ТК, фоторезисторов, варисторов, сопротивление которых сильно зависит от приложенного напряжения.