3.2 Напівпровідникові сполуки

Прості напівпровідники не завжди відповідають вимогам сучасного виробництва напівпровідникових приладів. Для створення матеріалів із найрізноманітнішими властивостями широко використовують складні напівпровідникові сполуки як неорганічні, так і органічні.

Структура складних напівпровідників утворюється атомами різних хімічних елементів. Широке застосування знайшли неорганічні кристалічні напівпровідники.

Напівпровідникові сполуки типу А^IVB^IV. Єдиною сполукою елементів IV групи Періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва в твердій фазі є сполука кремнію (Si) із вуглецем (С) – карбід кремнію.

Карбід кремнію (SіС) – це крихкий матеріал полікристалічної будови з нелінійною залежністю між струмом і напругою (див.рис. 6.6). Він утворюється внаслідок хімічного сполучення кремнію і вуглецю. Вихідними матеріалами для його отримання є чистий кварцовий пісок і кам'яне вугілля. Щоб отримати домішкову електропровідність того чи іншого типу, у вихідний склад (шихту) вводять домішки – фосфор (Р), сурму (Sb), вісмут (Bi) або кальцій (Ca), магній (Mg), алюміній (Al), бор (В) та ін. Реакція утворення карбіду кремнію ведеться при кінцевій температурі приблизно 2000°С.

Карбід кремнію, легований фосфором, сурмою або вісмутом, має темно-зелене забарвлення, електропровідність n-типу; легований кальцієм, алюмінієм або бором, має темно-фіолетове забарвлення і електропровідність р-типу. Карбід кремнію існує у двох модифікаціях: кубічній -SiC та гексагональній -SiC.

Основні характеристики карбіду кремнію: щільність D = 3100…3200 кг/м³; температура плавлення Т_пл =2600°С; рухомість носіїв заряду: _n = 0,1 м²/(В с); _p = 0,02 м²/(В с).

Із-за великої енергії зв’язку атомів карбід кремнію має високу міцність, за твердістю він дещо поступається перед алмазом.

Як і кристалічний селен, карбід кремнію є домішковим напівпровідником, але при температурі 1400°С і вище у нього з'являється власна електропровідність.

Основною областю застосування найбільш чистих сортів карбіду кремнію є виробництво тунельних діодів, варисторів, які володіють нелінійною симетричною вольт-амперною характеристикою і можуть працювати в інтервалі температур від -50 до +80°С. Варистори використовують у пристроях автоматичного регулювання.

Із полікристалічного карбіду кремнію можуть бути отримані методом перегону (сублімації) в інертному газі монокристали карбіду кремнію, що відрізняються хімічною чистотою. Вони широко використовуються для виготовлення діодів і транзисторів на робочі температури до 500°С, а також для виробництва світлодіодів. Карбід кремнію також може використовуватися для механічної обробки різних матеріалів.

Напівпровідникові сполуки типу А^IІІB^IV – це хімічні сполуки металів ІІІ групи таблиці Мендєлєєва (бор (В), індій (In), галій (Ga), алюміній) із елементами V групи (азот (N), фосфор, сурма, миш’як (As)).

Арсенід галію (GaAs) – складний напівпровідник типу А^IIIВ^V. Має, як і всі сполуки такого типу, структуру сфалериту, тобто структуру аналогічну кристалічній решітці германію і кремнію в якій у вузлах знаходяться не нейтральні атоми, а розміщені по черзі позитивно заряджені іони миш’яку (Аs) та негативно заряджені іони галію (Ga). Такий вид зв’язку називається донорно-акцепторним.

Арсенід галію має наступні властивості: щільність D = 5400 кг/м³; температура плавлення Т_пл = 1237 ⁰С; рухомість електронів _n = 0,85м²/(В с); рухомість дірок _p = 0,1 м²/(В с); діелектрична проникність  = 11,1; робоча температура p-n- переходу Т_роб = 400 ⁰С.

Арсенід галію є основним матеріалом для виробництва напівпровідникових лазерів із довжиною хвилі випромінювання 0,83…0,92 мкм. Його використовують для виготовлення тунельних діодів, генераторів НДЧ (СВЧ) коливань із частотою до 100 ГГц, первинних перетворювачів світла, датчиків низьких температур та для виробництва інтегральних мікросхем.

У напівпровідниковому виробництві застосовуються такі складні сполуки типу А^IIIВ^V: антимонід галію (GaSb), фосфід галію (GaP), арсенід індію (InAs), антимонід індію (InSb), фосфід індію (InP) та ін.

Напівпровідникові сполуки типу А^ІІВ^VI (халькогеніди) – сполуки халькогенів (сірки (S), селену (Se), телуру (Те)) із цинком (Zn), кадмієм (Cd) та ртуттю (Hg). Всі халькогеніди володіють високою чутливістю до випромінювання від інфрачервоного до рентгенівського спектру, виражаючи при цьому сильно фоторезистивні та люмінесцентні властивості. Надлишок в сполуці металу А^ІІ веде до створення електронної провідності, а надлишок халькогену В^VI – до появи діркової провідності.

Сульфід цинку (ZnS) – володіє наступними властивостями: щільність D= 4080 кг/м³; температура плавлення Т_пл = 1830 ⁰С; рухомість електронів _n = 0, 014 м²/(В с); рухомість дірок _p = 0,0005 м²/(В с); питомий електричний опір  = 10⁶…10¹² Ом м (за шириною забороненої зони близький до діелектриків).

Монокристали сульфіду цинку використовують в якості оптичного матеріалу прозорого в інфрачервоній області спектра, для лазерів, та для п’єзопідсилювачів акустичних коливань. У вигляді кристалічного порошку сульфід цинку використовують для виготовлення люмінофорів різних приладів: телевізійних електронно-променевих трубок, люмінесцентних ламп.

Також використовують наступні напівпровідникові сполуки типу А^ІІВ^VI: селенід цинку (ZnSe), телурід цинку (ZnTe), сульфід кадмію (CdS), селенід кадмію (CdSe), телурід кадмію (CdTe) та ін.

При виготовленні напівпровідникових приладів використовують: сполуки типу А^IVB^VI (сульфід свинцю (PbS), селенід свинцю (PbSe), телурід свинцю (PbTe)); оксидні напівпровідники (закис міді (Cu₂O), оксид цинку (ZnO), діоксид титану (TiO₂), оксид заліза (Fe₂O₃), оксид нікелю (NiO₂) та ін.