5.4. Полупроводниковые материалы.

Практически в каждом электронном устройстве, используемом человеком, имеется полупроводниковый материал.

Полупроводниками называют класс материалов с электронной проводимостью, характеризующихся большей удельной электропроводностью, чем металлы, но меньшей, чем диэлектрики. Важнейшей особенностью полупроводников в отличие от металлов является положительный температурный коэффициент электрической проводимости (т.е. повышение электропроводности с повышением температуры). При нулевой абсолютной температуре полупроводник становится изолятором.

Физические свойства полупроводников (теплопроводность, фотопроводность, ширина запрещенной зоны, подвижность носителей и др.) определяются химическими связями ячейки твердого тела. В большинстве полупроводников преобладают ковалентные связи. Появление электрического тока связано с переходом носителей зарядов в зону проводимости.

В полупроводниковых элементах с ковалентной связью прохождение электрического тока осуществляется за счет движения электронов (n-проводимость) и дырок (p-проводимость). Проводимость химически чистого полупроводника, обусловленная разрушением ковалентных связей, называется собственной.

По степени очистки полупроводниковые материалы относятся к классу C - веществам ультравысокой чистоты с содержанием примесей 10^-10 – 10^-7 %. Получение ультрачистых веществ - сложный и трудоемкий процесс, включающий комплекс физико-химических методов очистки веществ, обеспечение мер защиты продукта от случайных загрязнений на всех этапах его получения и переработки, специальные методы сборки полупроводниковых приборов.

Наиболее распространенными методами получения полупроводниковых материалов являются зонная плавка, вытягивание монокристалла по Чохральскому, бестигельная зонная очистка, поверхностное легирование и др.

Полупроводниковые материалы могут быть классифицированы по нескольким основным признакам, которые отражены на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Классификация полупроводниковых материалов. Буквы с римскими цифрами обозначают химические элементы соответствующих групп периодической системы. Например, A^IV = Si, Ge, Sn.

Согласно химической классификации полупроводниковых материалов их разделяют на несколько классов:

1. простые полупроводники, имеющие в своем составе один элемент (В, С, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, S, Se, Те, I);

2. бинарные полупроводники, содержащие в своём составе два элемента (Сu₂Se, ZnO, Ag₂Se, PbS и другие);

3. алмазоподобные полупроводники, образованные двумя элементами равноудалёнными от 4 группы периодической системы (GaAs, GaP, InSb, InP, ZnS, CdSe и другие);

4. сложные полупроводники, являющиеся химическими соединениями, содержавшими в своём составе три и более элемента периодической системы (CuFeS₂, AgFeTe₂, CuLnS₂, CaСr₂Se₄, ZnSiAs₂, CuAlS₂, CuGe₂P₃ ферриты, оксидные полупроводниковые вещества, халькогенидные полупроводниковые вещества, органические полупроводники).

Основных полупроводниковых материалов три: кремний, германий, арсенид галлия. Основные требования к полупроводниковым материалам — высокая химическая чистота и максимально возможное совершенство кристаллической решетки. Только при соблюдении данных требований обеспечивается необходимая воспроизводимость электрофизических свойств материалов в различных партиях продуктов. Технология получения полупроводниковых материалов включает два важнейших этапа: очистку полупроводников от примесей и выращивание легированных бездефектных монокристаллов.

Химические элементы четвёртой группы периодической системы кремний и германий применяют в легированном и нелегированном состояниях. Легирование производят для получения полупроводников с заданным удельным электросопротивлением и типом проводимости.

Электропроводность полупроводника, обусловленная введением строго определенного количества примесных легирующих атомов, называется примесной проводимостью. В зависимости от характера проводимости легированного полупроводника различают донорные и акцепторные примеси.

Примеси (легирующие элементы), которые отдают электроны в зону проводимости, называют донорными, а полупроводники электронными или n-типа. Такими свойствами по отношению к германию и кремнию обладают элементы V группы периодической системы: As, Sb, P.

Элементы III группы образуют в кристалле незаполненные электронные вакансии, что приводит к появлению в валентной зоне дырок. Такие примеси, способные принимать электроны из валентной зоны, называют акцепторными, а полупроводники, их содержащие, дырочными.

Для изготовления полупроводниковых приборов используют как монокристаллы, так и поликристаллические материалы. Монокристаллы представляют собой более простые системы, с более совершенным строением, чем поликристаллические материалы. Они наиболее глубоко изучены, физические явления в них лучше поддаются расчетам, и они обеспечивают большую надежность и идентичность параметров полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые приборы на основе кремния работоспособны до температур 120 – 150°C, что определяет возможность создания на их основе мощных силовых выпрямителей, стабилизаторов напряжения, транзисторов. Из кремниевых монокристаллических пластинок изготавливаются электронные преобразующие элементы чипов электронных устройств. Из напылённого на подложку кремния изготавливают солнечные батареи земного и космического назначения.

Германий (легированный и нелегированный) используют для изготовления выпрямителей, транзисторов, фотодиодов, линз для инфракрасных лучей и др.

Арсенид галлия явился первым полупроводником, на котором в 1962г. Был создан инжекционный лазер, т.е. осуществлена генерация когерентного излучения с помощью p-n - перехода. На основе арсенида галлия созданы фотодиоды и фотоэлементы, генераторы СВЧ – колебаний, другие электронные приборы.

Прогресс современной техники обусловливает интенсификацию разработки и применения новых материалов с полупроводниковыми свойствами.