4. Напівпровідникові матеріали

Прості напівпровідники

Германій – елемент IV групи періодичної системи Д.І. Менделєєва. Хоча вміст германію в земній корі незначний – близько 7×10^-4%, він є одним з найкраще вивчених напівпровідникових матеріалів. Саме германій історично визначив науково-технічну революцію в напівпровідниковій електроніці, хоча згодом і поступився першим місцем кремнію.

Одержують германій з відходів переробки поліметалевих сульфідних руд, золи кам’яного вугілля. Германієвий концентрат розкладають соляною кислотою. Чотирьоххлористий германій GeCl₄ служить сировиною для одержання чистого германію: гідролізом одержують двоокис германію GeО₂, який при нагріванні до 600–800° в водневому середовищі відновлюється до германію. Технічний германій надалі очищають зонною плавкою або вирощуванням монокристалів в вакуумі. Ступінь очищення германію досягає 109 атомів германію на один атом домішки.

При кімнатній температурі германій стійкий до дії повітря, води, розведених кислот і лугів, реагує з азотною кислотою. При нагріванні вступає в реакцію з киснем, сіркою, галогенами.

Германій непрозорий для видимого світла, але прозорий для інфрачервоного випромінювання l=1,5^-20мкм. Фізичні властивості германію наведені в таблиці 4.1. Електричні характеристики германію дуже сильно залежать від концентрації домішок.

Германію властиві істотні недоліки, які обмежують його застосування: він непридатний для виготовлення мікросхем, оскільки на ньому неможливо створити ізоляцію активних областей оксидом; через відносно вузьку заборонену зону температурний діапазон роботи германієвих приладів істотно вужчий, ніж у кремнієвих (від –60 до +70 °С).

Проте германій зберіг своє значення для виготовлення обмеженої номенклатури діодів та транзисторів, зокрема деяких типів лавинно-прольотних, тунельних, точкових високочастотних та імпульсних діодів, датчиків Холла, детекторів іонізуючого випромінювання та ін.

Поки що поза конкуренцією залишаються дві області застосування германію: виготовлення оптичних деталей інфрачервоного діапазону та у вигляді діоксиду для виготовлення волоконнооптичних ліній зв’язку.

Кремній – також елемент IV групи періодичної системи Д.І. Менделєєва, проте один з найпоширеніших елементів земної кори (27,6%). У вільному стані кремній в природі не зустрічається.

Кремній одержують відновлюючи чотирьоххлористий кремній цинком або воднем з наступним очищенням зонною плавкою. Легують кремній під час зонної плавки або витягування з розплаву.

За звичайних умов кремній досить інертний (проте взаємодіє з HF та F₂), але при нагріванні взаємодіє з багатьма речовинами. Фізичні властивості кремнію наведені в таблиці 4.1. Електричні властивості кремнію дуже залежать від складу та концентрації домішок. Кремній непрозорий для видимої частини спектру електромагнітного випромінювання, але прозорий для інфрачервоного випромінювання l=1^-9 мкм.

Кремній – домінуючий матеріал напівпровідникової електроніки та мікроелектроніки. Завдяки його унікальним фізико-хімічним властивостям кремнієві прилади стабільно працюють в широкому діапазоні температур від –40 до +180 °С. На базі кремнію виготовляють найрізноманітніші діоди, транзистори та інтегральні мікросхеми, тиристори, фоточутливі прилади, сонячні батареї для безпосереднього перетворення енергії випромінювання в електричну. Технічний кремній застосовується у виробництві легованої електротехнічної сталі.

Проте слід відзначити, що кремнієва електроніка на сьогодні досягла частотної границі 15–25 ГГц, що не задовольняє сучасні вимоги. Тому НВЧ-елементна база формується приладами на основі напівпровідникових сполук (переважно GaAs), а також на основі кремнію, модифікованого певним вмістом германію. Останні значно дешевші, переважають перші за рядом важливих характеристик і вже знайшли широке застосування.

Селен – елемент IV групи таблиці Д.І. Менделєєва, рідкісний і розсіяний елемент; вміст в земній корі 5×10^-6% за масою; супутний сірці. Утворює кілька модифікацій, які нагріванням до 180–220 °С можна перевести в найстійкішу гексагональну – кристалічний сірий селен.

Одержують селен з відходів (шлаків), які утворюються при електролізі у виробництві міді. Технічний селен піддається очищенню хімічними та фізичними методами. Вміст неконтрольованих домішок в селені, придатному для виготовлення приладів, не перевищує (2–8)×10^-3%. Іноді застосовують ректифікований селен з вмістом домішок 10^-5 – 10^-6%.

За звичайних умов селен стійкий: кисень, вода, соляна і розведена сірчана кислота на нього не діють; добре розчиняється в концентрованій азотній кислоті і «царській воді», в лугах розчиняється з окисленням. При нагріванні селен досить активно вступає в реакції з багатьма речовинами.

Всі сполуки селену отруйні, пара подразнює слизові оболонки (ГДК 0,1 мг/м³).

Фізичні властивості селену наведено в таблиці 4.1. Електричний опір селену залежить від способу одержання, характеру структури і кількості домішок; зниження питомого опору досягається додаванням акцепторних домішок – хлору, брому, йоду. З ними селен завжди має дірковий тип електропровідності. Температурний інтервал роботи селенових приладів від –60 до + 75 °С.

Селен застосовується для виготовлення фоторезисторів та фотоелементів, оскільки їх спектральні характеристики дуже близькі до таких людського ока. Завдяки прозорості в інфрачервоному спектрі застосовуються в приладах інфрачервоного діапазону.

Таблиця 4.1.

Напівпровідникові сполуки

Прості напівпровідники не завжди відповідають вимогам сучасного виробництва напівпровідникових приладів та сучасної радіотехніки. Тому для створення матеріалів з певними властивостями широко використовуються неорганічні та органічні напівпровідникові сполуки. Вони утворені атомами різних хімічних елементів. Склад найважливіших сполук відповідає формулам A^mBⁿ, де m і n позначають номери груп періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва. Розглянемо основні властивості найважливіших матеріалів.

Карбід кремнію SiC – подвійна сполука елементів IV групи періодичної системи хімічних елементів типу А^IVB^IV.

Полікристалічний карбід кремнію одержують в електричних печах при температурах 2200–2500 °С, відновлюючи кремнезем вуглецем:

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO.

Полікристалічний карбід кремнію використовується для вирощування монокристалів і одержання порошку SiC в процесі подрібнення.

Карбід кремнію відзначається високою твердістю, вогнетривкістю, теплопровідністю. Хімічно стійкий, на нього діють тільки суміш азотної і плавикової кислот, а також фосфорна кислота при температурі 230 °С.

Завдяки великій ширині забороненої зони (див. таб. 4.1) цей матеріал можна використовувати для виробництва напівпровідникових приладів, здатних працювати при температурах аж до 700 °С і стійких до дії проникаючого випромінювання.

В електроніці застосовується одна з двох модифікацій – високотемпературна гексагональна модифікація a – SiC. Легуючи азотом, фосфором, миш’яком, сурмою, вісмутом, створюється в матеріалі електронна провідність; використовуючи бор, алюміній, галій, індій, вирощують кристали з дірковою електропровідністю.

Карбід кремнію застосовується для виробництва варисторів (нелінійних опорів), світлодіодів, високотемпературних діодів, дзеркал потужних лазерів.

Сполуки типу А^ІІІВ^V характеризуються хорошими електричними властивостями, значною хімічною стійкістю та механічною міцністю, фотоелектричними та люмінесцентними властивостями. Широке застосування в техніці знайшли арсенід галію – GaAs, антимонід індію – InSb, фосфід індію – InP та деякі інші.

Ширина забороненої зони знаходиться в межах від 0,18 еВ для антимонідів до 2,45 еВ для фосфіду алюмінію. Висока рухливість електронів (0,4–7,7 м²/(B×c)) дозволяє створювати на основі сполук А^ІІІВ^V високочастотні напівпровідникові прилади.

Арсенід галію GaAs займає серед цих сполук особливу позицію. Широка заборонена зона та висока рухливість електронів (див. таб. 4.1) дозволяють створювати на основі GaAs прилади, здатні працювати при високих температурах (до 400°) і високих частотах.

Застосовується для виготовлення світлодіодів, параметричних та тунельних діодів, діодів Ганна, лазерів, польових транзисторів, сонячних батарей, а також деяких інтегральних мікросхем.

Антимонід індію InSb найкраще вивчений з усіх сполук А^ІІІВ^V завдяки простоті його одержання. Через вузьку заборонену зону вже при кімнатній температурі його провідність стає не домішковою, а власною. Фотопровідність охоплює широкий інтервал інфрачервоного спектру з максимумом фотопровідності на l=6,7 мкм.

Застосовується для виготовлення датчиків Холла, оптичних фільтрів, термоелектричних генераторів та холодильників, детекторів інфрачервоного випромінювання та фоторезисторів.

Сполуки типу А^IIВ^VI утворюються металами II групи періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва – цинком, кадмієм, ртуттю та так званими халькогенами – сіркою, селеном та телуром. Сполуки відповідно називають халькогенідами. Це – кристалічні речовини; міцність зв'язку атомів в кристалічній решітці зменшується при збільшенні сумарного атомного номера. Температури плавлення складають від 1830 (ZnS) до 670 °C (HgTe).

Халькогеніди розрізняються між собою шириною забороненої зони ΔW, котра складає від 3,7 еВ для ZnS до 0,02 еВ у HgTe. Всі сполуки відзначаються високою чутливістю до випромінювання від інфрачервоного до рентгенівського спектру, яскраво виявляючи фоторезистивні та люмінесцентні властивості.

Залежно від співвідношення компонент сполуки можуть виявляти електронну або діркову електропровідність: надмір металу викликає електронну, а халькогену – діркову електропровідність. Деякі сполуки легують елементами I групи.

Технологія одержання сполук типу А^IIВ^VI проста; вони використовуються як кристали та плівки. Останні відзначаються високим п'єзомодулем і застосовуються в перетворювачах електромагнітних коливань в акустичні у ВЧ та НВЧ-діапазонах. Сполуки використовуються також як люмінофори та матеріали для фоторезисторів, для виготовлення дозиметрів ультрафіолетових, рентгенівських та гамма-променів.

Практичне значення мають і халькогеніди свинцю. Сульфід свинцю PbS поширений в природі як мінерал галеніт, селенід PbS та телурид PbTe зустрічаються рідко. Полікристали сполук одержують сплавленням компонентів, а також реакціями осадження з розчинів. Монокристали вирощують напрямленою кристалізацією та витягуванням з розплаву.

Халькогеніди свинцю дуже чутливі до порушень стехіометричного складу: надмір свинцю 0,003% викликає електронну електропровідність, такий же надмір халькогену призводить до діркової електропровідності. Заміна атомів свинцю одновалентними металами Na, Ag або Cu означає введення акцепторної домішки; заміщення атомів халькогена галогеном еквівалентне введенню донора.

Ці сполуки – вузькозонні матеріали (0,26–0,39еВ). Використовуються для виготовлення фоторезисторів, інфрачервоних лазерів, тензометрів та термогенераторів.

Оксиди. Напівпровідникові властивості характерні для оксидів деяких металів, зокрема елементів перехідного ряду періодичної системи хімічних елементів (Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Ti). Вони мають відносно широку заборонену зону (Cu₂O-1,9eB, ZnO – 3,2eB, TiO2 – 3eB, Fe₂O₃ – 2,2eB, NiO₂ – 1,2eB).

Перевага оксидних напівпровідників в порівняно простій технології їх виготовлення – методами керамічної технології.

Напівпровідникові оксиди використовуються, в основному, для виготовлення терморезисторів з великим від'ємним температурним коефіцієнтом електричного опору, а також варисторів.

Підсумовуючи, можна відзначити, що на сучасному етапі розвитку електроніки близько 80% всіх електронних засобів складають напівпровідникові прилади. Отже, розвиток всієї елементної бази сучасної електроніки тісно пов'язаний з дослідженнями фізичних процесів в напівпровідникових структурах та досягненнями в матеріалознавстві і технологіях.

Технічне креслення

1.Кре́слення — дисципліна зі створення стандартизованих технічних малюнків, що виконуються фахівцями інженерами, архітекторами тощо.

Застосовують також термін технічне креслення — курс креслення, в якому розглядаються прийоми і правила виконання та оформлення креслеників машин та їх деталей, конструкцій, будівель та інших технічних об'єктів.

Зображення у кресленні — це графічне відображення предмета на площині кресленика, отримане методами паралельного (переважно) або центрального проекціювання.

Зображення деталей на креслениках повинні давати повне уявлення про їх форму, розміри та інші дані, необхідні для їх виготовлення та контролю. При паралельному проекціюванні вони поділяються на зображення, отримані методом ортогональногоі зображення, отримані методом аксонометричного проекціювання.