2.5 Продукция полупроводниковой электроники

Номенклатура полупроводниковых приборов исключительно широка, она насчитывает десятки тыс. типов приборов, в основном кремниевых. Мировая промышленность выпускает свыше 10 млрд. дискретных полупроводниковых приборов и более 1 млрд. интегральных микросхем в год. Развитие микроэлектроники не отразилось существенным образом на темпах роста выпуска дискретных полупроводниковых приборов; потребность в них, по-видимому, будет сохраняться ещё длительное время. Появление разнообразнейших полупроводниковых приборов позволило осуществить сложные, зачастую принципиально новые электронные устройства и создать самостоятельную отрасль электронной промышленности — промышленность, производящую дискретные полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Выпускаемые промышленностью изделия полупроводниковой электроники характеризуются высокими эксплуатационными свойствами: они могут работать в диапазоне температур от —60 до +200 °С, выдерживать значительные механические и климатические нагрузки (вибрации, удары, постоянные ускорения, циклические изменения температуры, воздействие влаги и т.д.); они характеризуются интенсивностью отказов ~10^-6—10^-9 отказа в час в реальных условиях эксплуатации.

Перспективы развития. Развитие полупроводниковой электроники происходит в направлении быстрого возрастания степени интеграции, которая часто достигает 10—20 тыс. полупроводниковых приборов на одном кристалле, а также в направлении повышения мощности и частоты электромагнитных колебаний, преобразуемых в одном полупроводниковым приборе (до сотен вт и десятков Ггц), в том числе создания полупроводниковых генераторов и усилителей миллиметрового диапазона. Наряду с интеграцией большого числа сходных приборов развивается также интеграция в одной микросхеме приборов, использующих различные физические принципы. При этом, помимо физических процессов в полупроводниках, используют процессы в диэлектриках, сверхпроводниках (например, Джозефсона эффект), магнитных плёнках и т.д. полупроводниковые элементы, например, холодные катоды с полупроводниковыми гетеропереходами, полупроводниковые аноды с p—n переходом, в которых происходит умножение тока, матричные мишени видиконов, содержащие 0,5—1 млн. фотодиодов, проникают также в вакуумную электронику, позволяя существенно усовершенствовать некоторые типы электровакуумных приборов.

Тема 3. Структура материалов твердотельной электроники

Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твердые, аморфные и жидкие.

3.1 Кристаллические полупроводниковые материалы

Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.

Развитие полупроводниковой опто- и микроэлектроники привело к широкому использованию полупроводниковых соединений. Взаимодействие различных соединений друг с другом приводит к образованию твердых растворов, что дает возможность путем изменения состава раствора получать материалы с наперед заданными свойствами.

Элементарные полупроводники: Ge, Si, С (алмаз и графит), В, α-Sn (серое олово), Те, Se. Важнейшие представители этой группы - Ge и Si имеют кристаллическую решетку типа алмаза (алмазоподобные). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твердых расплавов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.

Соединения типа A^IIIB^V элементов III и V группы периодической системы имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решетке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава), обладают достаточно узкой областью гомогенности, т.е. интервалом составов, в котором в зависимости от параметров состояния (температуры, давления и др.). Тип дефектов может меняться, а это приводит к изменению типа проводимости (n, р) и зависимости удельной электрической проводимости от состава. Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, GaN, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP, AlAs -- непрямозонные полупроводники. Многие полупроводниковые материалы типа А^IIIВ^V образуют между собой непрерывный ряд твердых расплавов - тройных и более сложных (Ga_xAl_1-xAs, GaAs_xP_1-x, Ga_xIn_1-xP, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y и т.п.), также являющихся важными.

Соединения элементов VI группы (О, S, Se, Те) с элементами I-V групп периодической системы, а также с переходными металлами. В обширной группе этих полупроводниковых материалов наибольший интерес представляют соединения типа A^IIB^VI с кристаллической структурой типа сфалерита или вюрцита, реже типа NaCl. Связь между атомами в решетке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45-60%). Имеют большую, чем у полупроводниковых материалов типа A^IIIB^V, протяженность области гомогенности. Для соединений типа A^IIB^VI характерен полиморфизм и наличие политипов кубической и гексагональной модификаций. Они являются в основном прямозонными полупроводниками. Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов - CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Многие соединения типа A^IIB^VI образуют между собой непрерывный ряд твердых расплавов, характерными представителями которых являются Cd_xHg_1-xTe, Cd_xHg_1-xSe, CdTe_xSe_1-x. Физические свойства соединений типа A^IIB^VI в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.

Тройные соединения типа A^IIB^IVC^V₂ кристаллизуются в основном в решетке халькопирита. Обнаруживают магнитное и электрическое упорядочение. Образуют между собой твердые расплавы. Во многом являются электронными аналогами соединений типа А^IIIВ^V. Типичные представители: CuInSe₂, CdSnAs₂, CdGeAs₂, ZnSnAs₂.

Карбид кремния SiC - единственное химическое соединение, образуемое элементами IV группы. Обладает полупроводниковыми свойствами во всех структурных модификациях: β-SiC (структура сфалерита); α-SiC (гексагональная структура), имеющая около 15 разновидностей. Один из наиболее тугоплавких и широкозонных среди широко используемых полупроводниковых материалов.