Кремний

Кремний является элементом IV группы Периодической систе­мы химических элементов Д.И.Менделеева. После кислорода это самый распространенный элемент в земной коре. Он составляет при­мерно 1/4 массы земной коры. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается. Его соединениями являются такие рас­пространенные природные материалы, как кремнезем и силикаты. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также пред­ставляют собой соединения кремния.

Из соединении кремний получают несколькими способами. Чаще всего используют метод восстановления четыреххлористого крем­ния SiCl₄ парами цинка или водорода.

В технологическом отношении кремний более сложный матери­ал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавле­ния 1414°С и в расплавленном состоянии химически активен (всту­пает в реакцию со всеми материалами, из которых изготавливают тигли).

Кристаллический кремний - темно-серое твердое и хрупкое ве­щество с металлическим блеском, химически довольно инертное.

Основной параметр полупроводниковых приборов - ширина запретной зоны при температуре 20°С W=1,12 эВ. Это позволяет создавать кремниевые полупроводниковые приборы с относитель­но высокой рабочей температурой (до 125°С). Верхний темпера­турный предел работы кремниевых приборов достигает 200 °С.

Концентрация собственных носителей зарядов при комнатной температуре n_i= 310¹⁶м^-3. Удельное электрическое сопротивление кремния с собственной электропроводностью = 2,310³Ом-м, резко уменьшается при увеличении концентрации примесей. При низких температурах (Т<6,7 К) и высоких давлениях (Р>12 ГПа) кремний переходит в сверхпроводящее состояние, т.е. удельное элек­трическое сопротивление кремния уменьшается до нуля.

При использовании монокристаллического кремния в полупро­водниковом производстве имеют место большие потери этого ма­териала. Это связано с тем, что большинство полупроводниковых приборов основано на процессах, происходящих в очень узких гра­ничных или поверхностных слоях полупроводника. Остальной объем монокристалла является паразитной частью и чаще всего ухудшает параметры прибора. Большая часть материала теряется при механической обработке слитков (резке на пластины, шлифов­ке, полировке и т.д.).

С целью уменьшения этих потерь в полупроводниковом произ­водстве применяют кремний в виде монокристаллических тонких слоев, которые осаждают на объемные монокристаллы, которые на­зывают подложками.

Такие монокристаллические слои, сохраняющие кристаллогра­фическую ориентацию подложки, называют эпитаксиалъными. В ка­честве подложек используют монокристаллы кремния, сапфира, ко­рунд и др.

В зависимости от характера влияния на тип электропроводности примеси делят на нейтральные, донорные, акцепторные и создающие в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни.

К нейтральным примесям кремния относят водород, азот, инерт­ные газы, а также элементы IV группы Периодической системы хи­мических элементов Д.И.Менделеева (германий, олово, свинец).

Основными донорными примесями являются элементы V группы Периодической системы химических элементов Д.И.Мен­делеева (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут).

В качестве акцепторной примеси для кремния в основном используют элементы III группы Периодической системы химичес­ких элементов Д.И.Менделеева (бор, алюминий).

Элементы I,II,VI,VII гpyпп создают в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни и могут быть донорами и акцепторами. В качестве таких примесей чаще всего применяют золото и цинк. При легировании золотом в крем­нии образуются дополнительные центры рекомбинации носителей заряда, что уменьшает время жизни неравновесных носителей за­ряда.

Легирование кремния производят в процессе получения объем­ных монокристаллов и эпитаксиальных пленок.

СЛОЖНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

(классификация, примеры веществ)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Область на границе двух полупроводников с различными типами электро­проводности называется электронно-дырочной или р-n-переходом.

Электронно-дырочный переход является рабочим элементом большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.) и интегральных микросхем.

Электронно-дырочный переход

при отсутствии внешнего электрического поля

В каждом из полупроводников р- и n-типов, объединенных в общую структуру, заряды совершают беспорядочное тепловое движение. В результате происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Как и при любой другой диффузии, например в газах и жидкостях, носители заряда пере­мещаются из области с большей концентрации в область с меньшей. Так из области полупроводника р-типа дырки диффундируют об­ласть полупроводника n-типа, а электроны из n-области в р-область (рис. 5). Концентрации основных и неосновных носителей, обусловли­вающие диффузию, изображены на графике (рис. 5).

Движение заряженных частиц под действием градиента концен­трации называется диффузией, а обусловленный этим движением ток называется диффузионным.

Диффузия основных носителей (электронов и дырок) создает ток, состоящий из двух составляющих

I_диф= I_nдиф +I_pдиф

В результате диффузии носи­телей по обе стороны границы раз­дела создаются объемные заряды.

Дырки, пришедшие в область n, рекомбинируют с электронами, что

Рис. 5. р-n-переход при отсутствии внешнего электрического поля

приводит к созданию в пограничной области объемного заряда положительно­го знака, образованного главным образом положительно заряженными ионами атомов донорной примеси и, в небольшой степени, - пришедшими в эту об­ласть дырками.

Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, об­разованный отрицательно заряженными ионами акцепторной примеси и, отчасти, пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов (рис. 5):

Таким образом, в p-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятст­вующий диффузионному переходу носителей. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и не превышает для германия 0,7В, а для кремния 1,1В. В результате чего диффузионный ток убывает. Одновременно с диффузионным пе­ремещением основных носителей происходит и обратное движение неосновных носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов.

Движение носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфом, а ток - током дрейфа.

В данном случае дырки из n-области перемещаются в p-область, а электроны из p-области в n-область. Дрейфовый ток тоже имеет две составляю­щие

I_др= I_nдр +I_pдр.

В установившемся режиме диффузионные и дрейфовые токи равны между собой, а полный ток перехода

I_пер= I_диф +I_др.

Следует отметить, что область р-n-перехода, обедненная подвижными носи­телями, обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем.