5.4. Прості напівпровідники

Кремній – основний матеріал сучасного напівпровідникового виробництва. Для виготовлення дискретних напівпровідникових пристроїв він широко застосовується разом з іншими матеріалами, зокрема для виробництва діодів, транзисторів, фотоелементів, тензоперетворювачів, інтегральних мікросхем. Технічний кремній отримують в електричних печах відновленням його оксидів вуглецевмісними речовинами.

Кремній є одним з найпоширеніших матеріалів у земній корі (близько 29%). Але у вільному стані в природі він не зустрічається, а є присутнім тільки в з'єднаннях у вигляді окису й у солях кремнієвих кислот. Технічний кремній, який одержують шляхом відновлення природного діоксиду SiО₂ в електричній дузі між графітовими електродами, містить близько 1% домішок і як напівпровідник використовуватися не може. Він є вихідною сировиною для одержання кремнію ідеальної чистоти, в якому вміст домішок не повинен перевищувати 10^-6 %.

Об'ємні кристали кремнію одержують шляхом вирощування з розплаву при вертикальній зонній плавці. Перший метод застосовують для одержання великих монокристалів з відносно невеликим питомим опором ( ρ < 2,5 Ом·м). Другий метод використовують для одержання високоомних монокристалів кремнію з малим вмістом залишкових домішок. Кристали кремнію n- і p-типу одержують шляхом введення при вирощуванні відповідних домішок, серед яких найчастіше використовують фосфор і бор.

Питомий опір кремнію змінюється в широких межах залежно від концентрації в ньому домішок. Завдяки більш широкій заборо-неній зоні власний питомий опір кремнію більш ніж на три порядки перевершує власний питомий опір германію. При плавленні кремнію дещо збільшується його густина (на 8%) і стрибкоподібно зменшується питомий опір (в 30 разів). У розплавленому стані кремній має питомий опір порядку 10^-4 Ом·м і має такі ж властивості, що й рідкі метали.

Чистий германій має металевий блиск і характеризується високою твердістю і крихкістю. Температура його плавлення становить 937 ^оС , густина при температурі 25 ^оС складає 5,33 Мг/м³. У твердому стані германій є типовим ковалентним кристалом.

Кристалічний германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі. Роздрібнений у порошок при нагріванні на повітрі до температури ≈ 700 ^оС він легко утворює діоксид германію GeО₂ . Германій слабко розчинний у воді й практично нерозчинний в соляній і розведеній сірчаній кислотах. Активним розчинником германію в нормальних умовах є суміш азотної кислоти і розчину перекису водню. При нагріванні германій інтенсивно взаємодіє з галогенами, сіркою і сірчанокислими з'єднаннями.

Германій, який застосовується у напівпровідникових приладах, має питомий опір від мільйонних часток Ом·м до значень, близьких до питомого опору власного германію. На електричні властивості германію сильно впливає режим термообробки. Якщо зразок германію n-типу нагріти до температури порядку 550^оС , а потім різко охолодити, то відбудеться зміна типу електропровідності. Аналогічна термообробка германію р-типу приводить до зменшення питомого опору без зміни типу електропровідності. Відпалювання загартованих зразків при температурі 500-550^оС відновлює не тільки тип електропровідності, але й первісний питомий опір. При розплавленні германію його питомий опір стає близьким до питомого опору рідких металів.

Вміст германію в земній кулі невеликий, біля 7·10^-4 %. В результаті хімічної переробки вихідної сировини утворюється тетра-хлорид германію, який шляхом подальших операцій переводять в діоксид германію (GeO₂) – порошок білого кольору. Його піддають травленню в суміші кислот і сплавляють в зливки. Питомий опір германію залежить від концентрації носіїв, що визначається степеню очистки. Для отримання монокристалу за методом витягування з розплаву ретельно очищений від домішок германій розплавляють в спеціальних установках.

Основні властивості кремнію, германію, селену приведені в таблиці 5.1.

Табл.5.1.

Властивості	Германій	Кремній	Селен
Густина, Мгр/м3	5,3	2,3	4,8
ТКlcep., К-1	6·10-6	4,2·10-6	50·10-6
Теплопровідність γТ, Вт/м·К	55	80	4
Теплоємність С, Дж/кг·К	333	710	330
Тпл, оС	936	1414	220
Питомий опір ρ, Ом·м	0,47	2000	-
Концентрація основних носіїв n, м-3	2,5·1019	1016	-
Ширина забороненої зони ΔW, еВ	0,72	1,12	1,8
Робота виходу електронів, еВ	4,8	4,3	-
Діелектрична проникність ε	33	41	-

Щоб отримати монокристали строго постійного діаметру по всій довжині необхідно температуру розплаву підтримувати постійною з точністю до десятих долей градуса. Цим способом отримують монокристали германію діаметром в десятки міліметрів. Зливки мають неоднаковий опір по довжині, так як верхня частина зливку містить менше число домішок, ніж нижня, що витягується із залишків розплавленого германію з підвищеною концентрацією домішок. При витягуванні монокристалу в нього вводять в строго контрольованій кількості домішок для отримання германію з визначеною величиною і типом електропровідності.

Застосовують германій для виготовлення діодів, давачів Холла, тензодавачів, фотодіодів, модуляторів світла тощо.