5.2.Полупроводники

Полупроводниковые материалы известны давно. Например, фотопроводимость селена была открыта еще более ста лет назад (в 1873 году). Но эти материалы долго не находили практического применения: сопротивление полупроводников намного больше, чем у металлов (проводов из них не сделаешь), и меньше, чем у диэлектриков (и на изоляторы не годятся!). Уникальные свойства этих материалов стали очевидными лишь после того, как были получены полупроводниковые материалы очень высокой чистоты – полупроводниковой чистоты. Содержание основного вещества в современных полупроводниковых материалах составляет 99,999 % или 99,9999 %, что на один-два порядка выше, чем дает химическая очистка. Для глубокой очистки полупроводниковых материалов используют специальные физико-химические методы, основанные на многократной кристаллизации расплавленного материала. (При кристаллизации большая часть примесей остается в расплаве).

Помимо требований к чистоте полупроводниковая техника предъявляет высокие требования также к структурному совершенству монокристаллов.

Полупроводниковых материалов очень много. К ним относятся:

1. Простые вещества (элементарные полупроводники) – бор (B), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), серое олово (Sn-), селен (Se), теллур (Te). Для создания полупроводниковых приборов используются главным образом кремний, германий и селен.

2. Химические соединения :

а) A^IVB^IV– соединение двух элементов IV группы периодической системы. Практическое применение получил карбид кремния (SiC), из которого изготавливают светодиоды желтого цвета;

б) A^IIIB^V– соединения элементов Ш и V групп: GaAs, GaР, InSb, и т.д. Наибольшее применение получил арсенид галлия GaAs;

в) A^IIB^VI– соединения элементов II и VI групп – CdS, CdSe, CdTe, ZnS. Как правило, используются фоточувствительные или люминесцентные свойства этих веществ.

3.Многофазные материалы. Используется мелкокристаллический порошок SiC или Cв органической или неорганической связке. Эти материалы широко использовались на ранней стадии развития электроники для изготовления нелинейных полупроводниковых сопротивлений. В настоящее время многофазные материалы практически вышли из употребления.

Первые транзисторы изготавливались из германия. В настоящее время в полупроводниковой технике применяется преимущественно кремний. Из него изготавливают около 95% всех полупроводниковых приборов и микросхем. Вторым по значению полупроводниковым материалом является германий. Расширяется применение арсенида галлия.

Кристаллы кремния, германия и арсенида галлия имеют кубические структуры – Si и Ge имеют решетку типа алмаза, а GaAs – решетку типа сфалерита (цинковой обманки). Во всех этих структурах каждый атом имеет ковалентные связи с четырьмя соседними атомами.

5.2.1.Проводимость полупроводников

Сравнительно небольшая ширина запрещенной зоны у полупроводников приводит к тому, что их проводимость оказывается очень чувствительной к различным энергетическим воздействиям – нагреву, освещению, электрическим и магнитным полям, механическим напряжениям и т.п. Существенное влияние на проводимость полупроводниковых материалов оказывает наличие примесей.