FTF 4 semestr.SOKOLOV / 2

Твердотельная электроника — раздел электроники, изучающий физические принципы работы, функциональные возможности электронных приборов, в которых движение электронов или иных носителей заряда, обуславливающих электрический ток, происходит в объёме твёрдого тела. 

Разделы ТЭ:

• изучение свойств полупроводниковых материалов, влияние примесей на эти свойства;

• создание в кристалле областей с различной проводимостью методами эпитаксиального выращивания, диффузии, ионного внедрения (имплантации), воздействием радиации на полупроводниковые структуры;

• нанесение диэлектрических и металлических плёнок на полупроводниковые материалы, разработка технологии создания плёнок с необходимыми свойствами и конфигурацией;

• исследование физических и химических процессов на поверхности полупроводников;

• разработку способов и средств получения и измерения элементов приборов микронных и субмикронных размеров.

Основные направления полупроводниковой электроники связаны с разработкой и изготовлением различных видов полупроводниковых приборов: полупроводниковых диодов (выпрямительных, смесительных, параметрических, стабилитронов), усилительных и генераторных диодов (туннельных, лавинно-пролётных, диодов Ганна), транзисторов (биполярных и униполярных), тиристоров, оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов, светодиодных и фотодиодных матриц), интегральных схем.

К направлениям твердотельной электроники относятся также:

• диэлектрическая электроника, изучающая электронные процессы в диэлектриках (в частности, в тонких диэлектрических плёнках) и их использование, например для создания диэлектрических диодов, конденсаторов;

• магнитоэлектроника, использующая магнитные свойства вещества для управления потоками электромагнитной энергии с помощью ферритовых вентилей, циркуляторов, фазовращателей и т. д. и для создания запоминающих устройств, в том числе на магнитных доменах;

• акустоэлектроника и пьезоэлектроника, рассматривающие вопросы распространения поверхностных и объёмных акустических волн и создаваемых ими переменных электрических полей в кристаллических материалах и взаимодействия этих полей с электронами в приборах с полупроводниково-пьезоэлектрической структурой (кварцевых стабилизаторах частоты, пьезоэлектрических фильтрах, ультразвуковых линиях задержки, акустоэлектронных усилителях и т. д.);

• криоэлектроника, исследующая изменения свойств твёрдого тела при глубоком охлаждении для построения малошумящих усилителей и генераторов СВЧ, сверхбыстродействующих вычислительных и запоминающих устройств; разработка и изготовление резисторов.

Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании.

По химической природе современные полупроводниковые материалы можно разделить на следующие четыре главные группы:

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов или молекул одного элемента. Такими материалами являются широко используемые в данное время германий, кремний, селен, бор, карбид кремния и др.

2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т. е. материалы из окислов металлов. Главные из них: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана, окись никеля и др. В эту же группу входят материалы, изготовляемые на основе титаната бария, стронция, цинка, и другие неорганические соединения с различными малыми добавками.

3. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева. Примерами таких материалов являются антимониды индия, галлия и алюминия, т. е. соединения сурьмы с индием, галлием и алюминием. Они получили наименование интерметаллических соединений.

4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы, селена и теллура с одной стороны и меди, кадмия и свинца с другой. Такие соединения называются соответственно: сульфидами, селенидами и теллуридами.

Все полупроводниковые материалы, как уже говорилось, могут быть распределены по кристаллической структуре на две группы. Одни материалы изготовляются в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллов), из которых вырезают по определенным кристаллическим направлениям пластинки различных размеров для использования их в выпрямителях, усилителях, фотоэлементах.

Такие материалы составляют группу монокристаллических полупроводников. Наиболее распространенными монокристаллическими материалами являются германий и кремний.

Германий- элемент четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Германий имеет ярко-серебристый цвет. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена легирующая примесь, обусловливающая необходимый вид электропроводности.

Для очистки слитка от нерастворимых примесей широко применяется метод зонной плавки. Этим методом могут быть удалены лишь те примеси, которые различно растворяются в данном твердом полупроводнике и в его расплаве. Германий обладает большой твердостью, но чрезвычайно хрупок и раскалывается на мелкие куски при ударах. Германий как полупроводниковый материал широко используется не только для диодов и триодов, из него изготовляются мощные выпрямители на большие токи, различные датчики, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, термометры сопротивления для низких температур и др.

Кремний широко распространен в природе. Он, как и германий, является элементом четвертой группы системы элементов Менделеева и имеет кристаллическую структуру. Полированный кремний приобретает металлический блеск стали. Так как температура плавления кремния значительно выше, чем у германия, то тигель из графита заменяют кварцевым, так как графит при высокой температуре может реагировать с кремнием и образовывать карбид кремния. Кроме того, в расплавленный кремний могут попасть из графита загрязняющие примеси. Кремний, как и германий, широко применяется для изготовления многочисленных полупроводниковых приборов. Из кремния изготовляют точечные и плоскостные диоды и триоды, фотоэлементы и другие полупроводниковые приборы. В качестве материала для изготовления нелинейных сопротивлений особенно широкое применение получил поликристаллический материал - карбид кремния. 

Из карбида кремния изготовляют вентильные разрядники для линий электропередачи — устройства, защищающие линию электропередачи от перенапряжений. В них диски из нелинейного полупроводника (карбида кремния) пропускают ток на землю под действием волн перенапряжений, возникающих в линии. В результате этого восстанавливается нормальная работа линии. При рабочем же напряжении линии сопротивления этих дисков возрастают и ток утечки с линии на землю прекращается.

Карбид кремния получают искусственно - путем тепловой обработки смеси кварцевого песка с углем при высокой температуре