
- •Строение вещества
- •Классификация электроматериалов
- •Проводниковые материалы
- •Материалы с высокой проводимостью
- •Медь и ее сплавы
- •Получение меди
- •Марки меди
- •Применение меди
- •Сплавы меди
- •Алюминий и его сплавы
- •Алюминиевые сплавы
- •Железо и его сплавы
- •Применение железа
- •Биметалл
- •Материалы с высоким сопротивлением
- •3) Материалы для термопар
- •1. Благородные металлы
- •2. Тугоплавкие металлы
- •3. Ртуть Hg
- •Полупроводниковые материалы
- •Свойства полупроводников
- •Методы определения типа электропроводимости полупроводников
- •Простые полупроводники Германий Ge
- •Метод зонной плавки
- •Метод вытягивания монокристалла (Метод Чохральского)
- •Свойства германия
- •Кремний (Si)
- •Безтигельная зонная плавка кремния
- •Свойства кремния
- •Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость
- •Основные виды поляризации диэлектриков
- •Классификация диэлектриков по виду поляризации
- •Электропроводность диэлектриков
- •Диэлектрические потери
- •Пробой диэлектриков
- •Основные характеристики магнитных материалов
- •Петля гистерезиса
- •Кривая намагничивания
- •Магнитная проницаемость
- •Потери энергии при перемагничивании
- •Классификация магнитных материалов
- •Магнитотвердые материалы
- •Магнитомягкие материалы
- •Специальные ферромагнетики
Метод зонной плавки
Рис. 4.11. Устройства для зонной плавки (1 – кварцевая трубка, 2 – витки контура высокочастотного генератора, 3 – слиток очищаемого германия, 4 – графитовая лодочка, 5 – каретка,, на которой укреплены витки, 6 – зоны плавления)
При зонной плавке слиток германия 3 обычно помещают в графитовую лодочку 4, заключенную в кварцевую трубу 7, по которой непрерывно проходит инертный газ (рис. 4.11). При помощи витка высокочастотного контура 2 получают узкую зону плавления 6, которая медленно перемешается вдоль очищаемого образца, так как виток двигается вместе с каретой 5.
Для ускорения процесса очистки используется не один виток, а несколько, что эквивалентно нескольким последовательным очисткам при одном нагревателе. В германии в небольших концентрациях обычно присутствуют Ni, Ca, Cu, Mn, As, Fe, Si. Большинство примесей обладает большей растворимостью в жидкой фазе германия, чем в твердой, и уносится с расплавленной зоной. Поэтому в результате очистки примеси концентрируются у одного конца слитка, от которого затем отрезается загрязненная часть длиной 20—25 мм. Удельное сопротивление в остальной части слитка после многократного прохождения его расплавленными зонами может быть выше 0.5 Омм. Удельное сопротивление германия зависит от концентрации носителей, определяемой степенью очистки.
Метод вытягивания монокристалла (Метод Чохральского)
Рис. 4.12. Установка для выращивания монокристаллов полупроводников из расплава
(1 – затравка, 2 – монокристалл, 3 – высокочастотный редуктор, 4 – расплав, 5 – тигель, 6 – графитовая оболочка)
При постепенном опускании штока в расплав медленно вводится монокристаллическая затравка, которая может быть ориентирована в определенном кристаллографическом направлении. Затравка выдерживается в расплаве, пока не оплавится с поверхности. Когда это достигнуто, затравку, вращая, начинают медленно поднимать. За затравкой тянется жидкий столбик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Попадая в область низких температур над поверхностью тигля, расплав затвердевает, образуя одно целое с затравкой.
Чтобы получить монокристаллы строго постоянного диаметра по всей длине, необходимо температуру расплава поддерживать постоянной с точностью до десятых долей градуса. Этим способом получают монокристаллы германия диаметром в десятки миллиметров. Слитки имеют неодинаковое сопротивление по длине (рис. 4.14), так как верхняя часть слитка содержит меньшее число примесей, чем нижняя, вытягиваемая из остатков расплавленного германия с повышенной концентрацией примесей. При вытягивании монокристалла в него вводят в строго контролируемом количестве примеси для получения германия с определенной величиной и типом.
Свойства германия
Кристаллический германий – твердый, хрупкий материал с характерным металлическим блеском. Кристаллизуется в виде кубической решетки типа алмаза. Ширина запретной зоны при комнатной температуре =0.75 эВ, при температуре 300 К =0.67 эВ. Рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия не превышает 80С. Концентрация собственных носителей заряда ni=2.51019 м-3. Собственное удельное электрическое сопротивление =0.68 Омм. Электропроводимость германия зависит от температуры. При низких температурах (Т<5.4 К) и высоких давлениях (Р>11 ГПа) германий переходит в сверхпроводящее состояние.
При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная с температуры 1100° С — падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5—6%.
Для производства полупроводниковых приборов используют германий электронного и дырочного типов с определенным удельным электрическим сопротивлением . Тип проводимости и удельное электрическое сопротивление германия определяется количеством введенных в исходный материал примесей. Монокристаллический германий различных марок, легированный сурьмой, мышьяком, галлием и золотом, обладает удельным электрическим сопротивлением от 0,0004 до 45 Омм. Легирующие примеси вводят в определенных количествах в рабочий объем расплавленного поликристаллического германия перед выращиванием монокристаллов.
Германий легируют нейтральными, донорными, акцепторными и создающими глубокие энергетические уровни примесями.
Нейтральные примеси не меняют тип электропроводности полупроводникового материала и количество носителей заряда в нем. К нейтральным примесям германия относят инертные газы, азот и аргон и элементы IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: кремний, свинец, олово.
Основными акцепторными примесями в германии являются элементы III группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: галлий, индий, алюминий.
Донорные уровни в германии создают элементы V группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева: мышьяк, сурьма, висмут, фосфор, а также элемент I группы - литий.
Глубокие энергетические уровни в запретной зоне германия образуют многие элементы I, II, VI, VII и VIII групп Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Однако растворимость этих элементов, как правило, значительно меньше растворимости акцепторов и доноров.
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, умножения двух величин в приборах вычислительной техники и т. д.. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров.
Рабочий диапазон температур германиевых приборов —. от —60 до +70° С, при повышении температуры до верхнего предела прямой ток, например у диодов, увеличивается почти в два раза, а обратный — в три раза. При охлаждении до —(50—60)° С прямой ток падает на 70—75%. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.
Использование монокристаллических слитков германия в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем связано с большими потерями материала при механической обработке (резке слитков на пластины, шлифовке и полировке пластин). Поэтому широко применяют эпитаксиальные пленки германия, которые получают осаждением монокристалического германия в виде монокристаллических пленок на подложки из различных материалов (германий, кремний, кварц, сапфир).