
- •По чистоте
- •1. Общие сведения и классификация полупроводников
- •II. Электропроводность полупроводников и ее зависимость от различных факторов
- •4. Термоэлектрические явления в полупроводниках
- •Теплота Томпсона Qт равна
- •5. Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
- •6. Электронно-дырочный переход (р-п -переход)
- •7. Простые полупроводники
- •8. Электропроводимость полупроводников собственная и примесная, р-п переход.
- •Общие сведения и классификация полупроводников…………….….1
7. Простые полупроводники
a) Германий. Германий—один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и многие явления, характерные для полупроводников, впервые экспериментально были обнаружены на этом материале.
Существование и основные свойства германия предсказал Д. И. Менделеев в 1870 г. назвав его экасилицием. В 1886 г. немецкий химик К. Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который он назвал германием. Германий оказался эквивалентен экасилицию. Содержание германия в земной коре невелико, но встречается он в естественных условиях во многих частях света. Выделяют германий из германийсодержащей руды чаще всего в результате химической переработки сырья с помощью концентрированной НСL в виде тетрахлорида германия GeCL4. Тетрахлорид германия — летучая жидкость, которую подвергают глубокой очистке, используя методы экстракции и ректификации. После очистки GeCl4 его гидролизуют водой, в результате чего получается диоксид германия GeO2 — порошок белого цвета. После просушки GeO2, восстанавливается в токе очищенного водорода при температуре 650 °С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. Восстановленный таким образом германий подвергается травлению в смеси кислот и его сплавляют в слитки. Слитки используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из расплава.
Сущность метода зонной плавки заключается в том. что узкая расплавленная зона перемещается вдоль горизонтально расположенного образца, находящегося в графитовой или кварцевой лодочке. Примеси, имеющиеся в образце, оттесняются к концу слитка. Для высококачественной очистки весь процесс повторяют много раз или используют установки более совершенной конструкции, позволяющие создавать вдоль слитка одновременно четыре или пять расплавленных зон.
Для получения монокристалла по методу вытягивания из расплава тщательно очищенный от примесей германий расплавляют в установке, схема которой показана на рис. 8.11. Рабочим объемом служит герметическая водоохлаждаемая камера, внутри которой создается вакуум порядка 10-4 Па, или защитная газовая среда (из водорода или аргона высокой чистоты). Материал (М) помещается в тигель (А), насаженный на конец водоохлаждаемого штока (Б-1). Шток Б-1 при помощи электропривода приводится во вращение со строго постоянной скоростью. Кроме того, его можно опускать
Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью. Он кристаллизуется в структуре алмаза, плавится при температуре 937° С, плотность при 25 °С равна 5,33 г/см3. В твердом состоянии германий типичный ковалентный кристалл. Кристаллический германий
химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. Размельченный в порошок германий при нагревании на воздухе до температуры примерно 700 °С легко образует диоксид германия GеО2. Германий слабо растворим в воде и практически нерастворим в соляной и разбавленной серной кислоте. Активными растворителями германия в нормальных условиях является смесь азотной и плавиковой кислот и раствор перекиси водорода. При нагревании германий интенсивно взаимодействует с галогенами, серой и сернокислыми соединениями.
Основные физические свойства германия, кремния и селена приведены в табл. 8.1.
Температурные зависимости удельного сопротивления германия при различном содержании донорной примеси представлены на рис. 8.12. Германий, применяемый в полупроводниковых приборах, обладает удельным сопротивлением от миллионных долей Ом-м до значений, близких к удельному сопротивлению собственного германия
На электрические свойства германия оказывает сильное влияние термообработка. Так, если образец n-типа нагреть до температуры выше 550 °С, а затем резко охладить (закалить), то изменится тип электропроводности. Аналогичная термообработка германия р-типа приводит к снижению удельного сопротивления, без изменения типа электропроводности. Отжиг, закаленных образцов при температуре 500—550° С восстанавливает не только тип электропроводности, но и первоначальное удельное сопротивление. Если германий расплавить, то его удельное сопротивление становится близким к удельному сопротивлению жидких металлов, например ртути (рж = 6,5 10-7 Омм). Пример маркировки германия— ГДГ 075/05, где первая буква обозначает название материала (Г— германий), вторая — тип электропроводности (Э — электронный, Д—дырочный), третья—название легирующей примеси (в данном случае галлия). Числитель дроби указывает значение удельного сопротивления (0,75 Омсм), знаменатель—диффузионную длину неосновных носителей заряда (0,5 мм).
Германий применяется для изготовления диодов различных типов, транзисторов, датчиков ЭДС Холла, тензодатчиков. Оптические свойства германия позволяют его использовать для изготовления фотодиодов и фототранзисторов, модуляторов света, оптических фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон температур германиевых приборов от —60 до +70 °С.
Б) Кремний. В противоположность германию кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре; его содержание в ней около 29 %. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается, а имеется только в соединениях в виде окисла и в солях кремниевых кислот. Чистота природной окиси кремния в виде монокристаллов кварца иногда достигает 99,9 %; в ряде месторождений чистота песка достигает 99,8--99.9 %.
Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции:
I) превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; 2) очистка соединения физическими и химическими методами; 3) восстановление соединения с выделением чистого кремния; 4) конечная очистка кремния методом бестигедьной зонной плавки; 5) выращивание монокристаллов.
В полупроводниковом производстве наибольшее распространение получил метод водородного восстановления трихлорсилана SiHCI3. Его получают обработкой измельченного технического кремния сухим хлористым водородом при температуре 300 — 400 0С:
Si-3HCI = SiHCI3 + H2 ;.
Трихлорсилан представляет собой жидкость с температурой кипения 32 0С. Поэтому он легко очищается методами экстракции, адсорбции и ректификации.
В отличие от германия основная очистка кремния от примесей осуществляется химическими методами. Кристаллизационные методы имеют цель превратить полукристаллический кремний, полученный химическим путем, и монокристаллы с определенными электрофизическими свойствами. Объемные кристаллы кремния выращивают методами выращивания из расплава и бестигельной вертикальной зонной плавки. Первый метод применяется, как правило, для получения крупных монокристаллов с относительно небольшим удельным сопротивлением (< 2,5 Омм). Второй метод используется для получения высокоомных монокристаллов кремния с малым содержанием остаточных примесей. Следует заметить, что в технологическом отношении кремний — более сложный материал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавления 1412 °С и в расплавленном состоянии химически весьма активен (вступает в реакцию практически со всеми тигельными материалами).
Метод вытягивания из расплава был ранее описан. Существенным недостатком этого метода при использовании его для выращивания монокристаллов кремния является загрязнение кристаллов кислородом. Источником кислорода служит кварцевый тигель, который взаимодействует с расплавом в соответствии с реакцией
SiO2(тв) + Si(ж) - 2SiO.
Растворение кварца в кремний не только приводит к насыщению кислородом, но при этом вводятся и другие примеси, загрязняющие кремний.
Вертикальная бестигельная зонная плавка обеспечивает очистку кристаллов кремния от примесей и возможность выращивания монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода. В этом методе узкая расплавленная зона удерживается между твердыми частями слитка за счет сил поверхностного натяжения, Расплавление слитков осуществляется с помощью высокочастотного индуктора (рис. 8.13), работающего на частоте 5 МГц. Высокочастотный нагрев позволяет проводить процесс бестигельной зонной плавки в вакууме и в атмосфере защитной среды.
Методом вертикальной бестигельной плавки в настоящее время получают кристаллы кремния диаметром до 100 мм. Кристаллы кремния п- и ,0-типов получают путем введения при выращивании соответствующих примесей, среди которых наиболее часто используются фосфор и бор. Такие кристаллы электронного и дырочного кремния маркируются соответственно КЭФ и КДБ.
Основные физические свойства кремния представлены в табл. 8.1. Проводимость кремния, как и германия, очень сильно изменяется от присутствия примесей. На рис. 8.14 приведены зависимости удельного сопротивления кремния и германия от концентрации примесей. Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия.
В) Карбид кремния. Он является единственным бинарным соединением, образованным полупроводниковыми элементами IV группы таблицы Менделеева. Это полупроводниковый материал с большой шириной запрещенной зоны 2,8—3,1 эВ (в зависимости от модификаций). Карбид кремния применяют для изготовления полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах вплоть до 700 °С.
Технический карбид кремния изготовляют в электрических печах при восстановлении диоксида кремния (кварцевого песка) углеродом:
SiO2 +3C - SiC+2CO.
В печи образуются сросшиеся пакеты кристаллов SiC, называемые друзами. Большинство кристаллов в друзах имеет незначительные размеры, однако встречаются кристаллы, имеющие площадь до 1,5—2 см2. Из друз путем дробления получают порошок карбида кремния. Кристаллы карбида кремния полупроводниковой чистоты получают методом возгонки в печах с графитовыми нагревателями и экранами. Процесс кристаллизации проводят в атмосфере аргона при температуре 2400—2600 °С. Получаемые кристаллы обычно имеют пластинчатую форму с размером в поперечнике порядка 1 см. Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив против окисления до температур свыше 1400° С. При комнатной' температуре карбид кремния не взаимодействует ни с какими кислотами. При нагревании он растворяется в расплавах щелочей, а также взаимодействует с ортофосфорной кислотой и смесью (HNO3 + HF).
Электропроводность кристаллов SiC при нормальной температуре примесная. Тип электропроводности и окраска кристаллов карбида кремния зависят от инородных примесей или определяются избытком атомов Si или С над стехиометрическим составом. Чистый карбид кремния стехиометрического состава бесцветен. Примеси элементов V группы (N, P, As, Sb, Bi) и железа в карбиде дают зеленую окраску и электропроводность /г-типа, элементы II (Са, Mg) и III групп (В, Al, Ga, In) — голубую и фиолетовую окраску и электропроводность p-типа. Избыток Si приводит к электронной электропроводности SiC, а избыток С — к дырочной.
Г) Бинарные соединения. Среди бинарных соединений практическое применение находят соединения АIII BV, АII BVI, АIV BIV.
Полупроводниковые соединения АIII BV, являются ближайшими аналогами кремния и германия. Они образуются в результате взаимодействия элементов III-6 подгруппы периодической таблицы (бора. алюминия, галлия, индия) с элементами V-6 подгруппы (азотом, фосфором, мышьяком, сурьмой). Соединения АIII BV, принято классифицировать по металлоидному элементу. Соответственно различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Получают эти соединения или из расплава, который содержит элементы в равных атомных концентрациях, или из раствора соединения, имеющего в избытке элементы III группы, а также из газовой фазы. Кристаллы антимонидов, арсенидов галлия и индия обычно выращивают из расплава вытягиванием на затравку из-под инертного флюса. Слой жидкого прозрачного флюса, находящегося под давлением инертного газа, обеспечивает полную герметизацию тигля и подавляет испарение летучего компонента из расплава. Монокристаллы, полученные из расплава, обладают недостаточно высокой химической чистотой. Для очистки используются те же методы, что и для очистки германия и кремния.
Некоторые параметры рассматриваемых соединений приведены в табл. 8.2.
Арсенид галлия среди соединений AПIBV занимает особое положение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ). высокая подвижность электронов [0,85 м2 /Вс)! позволяют создавать на его основе приборы, работающие при высоких температурах и высоких частотах. Первым полупроводником являлся GaAs, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер. Он используется для изготовления светодиодов, туннельных диодов, диодов Гаипа, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Для изготовления детекторов в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, термоэлектрических генераторов, тензометров применяется анти-монид индия, имеющий очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов — 7,7 м2/ (Вс). Широкое применение в серийной производстве светодиодов нашел фосфид галлия, имеющий большую ширину запрещенной, зоны (2,25 эВ). В отличие от других соединений группы AIIIBV чрезвычайно высокой чувствительностью к механическим напряжениям обладает антимонид галлия. Удельное сопротивление GaSb увеличивается в два раза при воздействии давления 4-108 Па. При таком же давлении, приложенном к кристаллам GaAs и 1пР, их удельное сопротивление меняется лишь на 3 %. Благодаря высокой чувствительности к деформациям антимонид галлия используют при изготовлении тензометров.
К полупроводниковым соединениям AIIBVI относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды.
Основные физические свойства данных соединений указаны в табл. 8.3.
Таблица 8.3
Технология выращивания монокристаллов соединений AIIBVI разработана гораздо менее полно, чем технология полупроводников типа AIIIBV .Широкозонные полупроводники AIIBVI представляют собой в технологическом отношении трудные объекты, так как обладают высокими температурами плавления и высокими давлениями диссоциации в точке плавления. Выращивание таких материалов в большинстве случаев осуществляется перекристаллизацией предварительно синтезированного соединения через паровую фазу в запаянных кварцевых ампулах. Применяют соединения AIIBVI в большинстве случаев для создания промышленных люминофоров, фоторезисторов, высокочувствительных датчиков Холла и приемников далекого инфракрасного излучения.
Среди полупроводниковых соединений типа AIVBVI наиболее изученными являются халькогениды свинца: PbS. PbSe, РЬТе. Сульфид, селенид и теллурид свинца в естественном состоянии встречаются в виде минералов галенита, клаусталита и алтаита. Первый минерал является одной из самых распространенных руд свинца, два других в природе обнаруживаются довольно редко. Монокристаллы PbS, PbSe, РЬТе получают в основном путем осаждения из газовой фазы, методом выращивания из расплава или методом медленного охлаждения расплава с использованием естественного градиента температуры печи. Основные физические свойства халькогенидов свинца приведены в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Из табл. 8.4 видно, что эти соединения являются узкозонными полупроводниками. Халькогениды свинца используют для изготовления фото рези сто ров в инфракрасной технике, инфракрасных лазеров, тензометров и термогенераторов, работающих в интервале температур от комнатной до 600 °С.