1.6. Основные сведения о полупроводниковых материалах

Полупроводниковые материалы (полупроводники) - это вещества, заметно изменяющие свои электрические свойства под влиянием различных внешних воздействий - температуры, освещения, электрического и магнитного полей, внешнего давления.

Отметим ряд особенностей полупроводников, отличающих их от остальных радиоматериалов.

Полупроводниковые материалы занимают по величине удельного электросопротивления промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электросопротивление различных полупроводников при комнатной температуре составляет 10^-6...10⁹Омм . В отличие от металлов полупроводники, как правило, характеризуются отрицательным температурным коэффициентом удельного электросопротивления.

Электрофизические параметры полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, даже в малых количествах присутствующих в кристалле. Поэтому концентрация примесей в исходных промышленных полупроводниковых материалах, применяемых для изготовления полупроводниковых приборов, как правило, не превышает 10^-3 %, что соответствует содержанию примесных атомов в единице объема полупроводника около 10²⁴ м^-3.Для большинства практических применений полупроводниковые материалы должны обладать высоким структурным совершенством. В связи с этим их получают и используют в виде монокристаллов.

Технические трудности, связанные с синтезом полупроводниковых материалов высокой степени чистоты и структурного совершенства, явились одной из главных причин того, что длительное время, более 100 лет после открытия (1833 г., М. Фарадей), потенциальные возможности полупроводников не использовались в технике. Лишь значительный прогресс в технологии получения cверхчистых веществ и выращивания полупроводниковых монокристаллов позволил устранить принципиальные барьеры на пути целенаправленного изучения специфических свойств полупроводников и их широкого практического применения.

Одним из основных промышленных способов выращивания монокристаллов полупроводников стал метод, разработанный Чохральским (рис. 1.21). В этом методе врашающийся кристаллоноситель 1с затравочным кристаллом6медленно поднимается, вытягивая за собой расплав3, кристаллизующийся в кристалл7. В зависимости от варианта метода Чохральского полученные монокристаллы имеют диаметр от 20 до 150 мм и массу 0,07…1,8 кг.

Изобретение транзистора в 1948 г. ознаменовало новую эру в  электронике, способствовало развитию фундаментальных исследований в области физики полупроводников и полупроводниковых приборов. Специфичность свойств полупроводниковых материалов обусловила широкое техническое применение их для изготовления самых различных полупроводниковых приборов:

полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров;

фотодиодов, фототранзисторов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, фото-, термо- и магниторезисторов;

датчиков давлений, магнитных полей, температуры, излучений и др.

Совершенствование полупроводниковой технологии позволило решить задачу микроминиатюризации и интеграции электронной аппаратуры

Классификация полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы по химическому составу и кристаллической структуре подразделяют на неорганические и органические полупроводники. Широкое практическое применение получили неорганические полупроводниковые материалы, к которым относятсякристаллические и аморфные (стеклообразные) полупроводники.

К классу кристаллических полупроводников относятся элементарные полупроводники, а также химические соединения и твердые растворы на основе химических соединений.

Элементарными(или простыми) полупроводниками являются двенадцать элементов периодической системы Д.И. Менделеева:

элементы 3 группы - В (бор);

элементы 4 группы - С (углерод), Si (кремний), Ge (германий), Sn (олово);

элементы 5 группы - Р (фосфор), As (мышьяк), Sb (сурьма);

элементы 6 группы - S (сера), Se (селен), Te (теллур);

элементы 7 группы - J (йод).

В современной микроэлектронике наиболее широкое практическое применение получили Si и Ge, используемые для изготовления транзисторов и других полупроводниковых приборов.

Двойные и тройные полупроводниковые химические соединения.Структурная формула двойных соединений записывается в виде А^mВⁿ, где индексы m и n представляют номер группы таблицы Менделеева. Полупроводниковые свойства проявляются у тринадцати классов бинарных соединений:

A¹B⁵(KSb,K₃Sb,CsSb,Cs₃Sb);

A¹B⁶ (CuO, Cu₂O, CuS, Cu₂S, Cu₂Se, Cu₂Te, AgTe);

A¹B⁷ (CuCl, CuBr, CuJ, AgCl, AgBr, AgJ);

A²B⁴ (Mg₂Si, Mg₂Ge, Mg₂Sn, Ca₂Si, Ca₂Sn, Ca₂Pb);

A²B⁵ (ZnSb, CdSb, Mg₃Sb₂, Zn₃As₂, Cd₃P₂, Cd₃As₂);

A²B⁶ (ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe);

A²B⁷ (ZnCl₂, ZnJ₂, CdCl₂, CdJ₂);

A³B⁵ (AlP, AlSb, AlAs, GaP, GaSb, GaAs, InP, InSb, InAs);

A⁵B⁶ (GaS, GaSe, InS, InSe, In₂O₃, In₂S₃, In₂Se₃, In₂Te₃, Te₂S);

A⁴B⁴ (SiC, SiGe);

A⁴B⁶ (GeO₂, PbS, PbSe, PbTe, TiO₂ , GeTi, SnTe, GeS);

A⁶B⁶ (MoO₃ ,WO₃ );

A⁸B⁶ (Fe₂O₃, NiO).

Широкое практическое применение получили полупроводниковые химические соединения классов A³B⁵(GaAs, GaP, InP и др.), A²B⁶(CdS, CdSe, ZnO и др.), A⁴B⁴(SiC), A⁴B⁶(PbS, PbSe, TiO₂). Например, для изготовления оптоэлектронных приборов применяют твердые растворы замещения на основе бинарных полупроводниковых соединений A³B⁵, такие как Al_xGa_1-xAs, Ga_xIn_1-xP, Ga_xIn_1-xSb и другие, гдеxи 1-xпредставляют относительное содержание компонентов 3 группы.

К тройным химическим полупроводниковым соединениям относятся пять классов полупроводников:

A¹B³B₂⁶ (CuAlS₂, CuInS₂, CuInSe₂, CuInTe₂, AgInSe₂, AgInTe₂, CuGaSe₂, CuGaTe₂);

A¹B⁵B₂⁶ (CuSbS₂, CuAsS₂, AgSbSe₂, AgSbTe₂, AgBiS₂, AgBiSe₂, AgBiTe₂);

A¹B⁸B₂⁶ (CuFeSe₂, AgFeSe₂, AgFeTe₂);

A²B⁴B₂⁵ (ZnSiAs₂, ZnGeAs₂);

A⁴B⁵B₂⁶(PbBiSe₂).

Аморфными полупроводниками являются соединения класса A⁵B⁶ (наиболее известны As₂S₃ и As₂Se₃).

К органическим полупроводниковым материалам относятся такие материалы, как бензол, нафталин, антрацен и др. Интерес к органическим полупроводникам вызван тем, что в некоторых из них полупроводниковые свойства сочетаются с эластичностью, которая позволяет изготавливать рабочие элементы в виде гибких лент и волокон.