Ширина запрещенной зоны элементарных полупроводников (300 К)

Элемент	, эВ	Элемент	, эВ
Бор Углерод (алмаз) Кремний Германий Олово (α -Sn) Фосфор	1, 1 5, 6 1, 12 0, 665 0, 08 1, 5	Мышьяк Сурьма Сера Селен Теллур Йод	1, 2 0, 12 2, 5 1, 8 0, 36 1, 25

 

Для изготовления полупроводниковых приборов используют как монокристаллы, так и поликристаллические материалы. Монокристал­лы представляют собой более простые системы, с более совершенным строением, чем поликристаллические материалы. Они наиболее глу­боко изучены, физические явления в них лучше поддаются расчетам, и они обеспечивают большую надежность и идентичность параметров полупроводниковых приборов.

Свойства аморфных, органических и магнитных полупроводников изучены пока недостаточно, хотя практическая значимость этих веществ непрерывно возрастает. Интерес к органическим полупровод­никам вызван тем, что в некоторых из них полупроводниковые свойства сочетаются с эластичностью, которая позволяет изготовить рабочие элементы в виде гибких лент и волокон.

Германий и кремний

Германий относится к числу сильно рас­сеянных элементов, т. е. часто встречается в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Его содержа­ние в земной коре составляет около 0, 0007%, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец, и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и ряда других элементов. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. Минералы с боль­шой концентрацией германия встречаются очень редко и не могут слу­жить сырьем для производства полупроводников. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медно-свинцовых руд.

Физико-химические и электрические свойства. Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высо­кой твердостью и хрупкостью. Подобно кремнию он кристаллизуется в структуре алмаза, элементарная ячейка которого содержит восемь атомов. Кристаллическую решетку типа решетки алмаза можно рассматривать как наложение двух кубических гранецентрированных решеток, сдвинутых друг относительно друга в направлении объемной диагонали на четверть ее длины. Каждый атом решетки на­ходится в окружении четырех ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного тетраэдра.

Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании на воздухе до температур выше 650⁰С он окисляется с образованием двуокиси . Германий обладает относительно невысокой температурой плавле­ния (936°С) и ничтожно малым давлением насыщенного  пара при этой  температуре. Отмеченное обстоятельство  существенно  упрощает тех­нику кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют гер­маний с определенными добавками электрически активных примесей. Процесс введения примесей в основной материал называют легировани­ем. В качестве доноров и акцепторов наиболее часто используют соответственно элементы V и III групп периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0, 01эВ. Все перечисленные элементы образуют с германием твердые раст­воры с весьма ограниченной растворимостью.

Мелкие доноры и акцепторы при температуре выше 90К полностью ионизированы, поэтому в нормальных условиях концентрация носи­телей заряда в германии определяется концентрацией примеси.

 На рис. 3.10 приведена зависимость удельной проводимости германия n-типа от температуры при различном содержании примеси мышьяка. На рисунке видны области температур, в которых проявляются собственная и примесная электропроводность германия. При большом содержании примесей (кривая 4) получается вырожденный полупроводник.

В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления,    т. е. уменьшение проводимости при нагревании, что обусловлено снижением подвижности носителей заряда за счет рассеяния на тепловых колебаниях узлов ре­шетки.

Температура, при которой начи­нает проявляться собственная элект­ропроводность, зависит от концент­рации легирующей примеси. Так, при концентрации мелких доноров  собственная электропро­водность возникает при 50⁰С, а если концентрация доноров составляет , то для появления соб­ственной электропроводности гер­маний необходимо нагреть выше 200⁰С.

Чтобы электропроводность герма­ния была собственной при комнат­ной температуре, его следует очис­тить до содержания примесей не бо­лее , т. е. на один миллиард атомов германия должно быть не более одного атома примеси, если считать, что в  1м³ твердого те­ла находится около атомов.

Применение германия. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов. Особенно широкое распространение получили выпрямительные плоскостные диоды и сплавные биполяр­ные транзисторы.

Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0, 3 до 1000А при падении напряжения не более 0, 5В. Недостат­ком германиевых диодов являются невысокие допустимые обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низкочастотными и высокочастотными, мощными и маломощными.

Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.

Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий температурный диапазон германиевых приборов от –60⁰С до +70⁰С. Невысокий верхний предел рабочей температуры является существенным недостатком германия.

В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержание по массе составляет около 30%. По распространенности кремний занимает среди элементов второе место после кислорода. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Наиболее распространенным соединением этого эле­мента является двуокись кремния . Кремний в свободном состоянии в природе не встречается.

Получение кремния. Исход­ным сырьем при получении кремния является природная двуокись (кремнезем), из которой кремний восстанавливают углеродсодержащим материалом в электрических печах.

Физико-химические и электрические свойства. Кремний кристал­лизуется в структуре алмаза с несколько меньшим, чем у германия, периодом идентичности кристаллической решетки. Меньшие, чем у германия, расстояния между атомами в решетке обусловливают более сильную ковалентную химическую связь и, как следствие этого, бо­лее широкую запрещенную зону.

В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является относительно инертным веществом. Он нерастворим в воде, не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Кремний устойчив на воздухе при на­гревании до 900⁰С. Выше этой температу­ры он начинает интенсивно окисляться с образованием двуокиси SiO₂. Кремний обладает сравнительно высо­кой температурой плавления и в расплав­ленном состоянии отличается высокой хи­мической активностью. Поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристал­лов. Наиболее чистые материалы (кварц и графит), из которых обычно изготавливают лодочки и тигли, при высоких температурах взаимодействуют с кремнием. В результате реакции кремния с углеродом образуется карбид кремния SiC – очень устойчивое хи­мическое соединение с полупроводниковыми свойствами.

На рис. 3.11 показано изменение ширины запрещенной зоны кремния в зависимости от температуры. Выше температуры 250К справед­ливо линейное приближение:

(эВ).               (3.7.1)

Поведение примесей в кремнии подчиняется в основном тем же закономерностям, что и в германии. Атомы элементов III и V групп Пе­риодической системы, являясь соответственно акцепторами и донорами, создают мелкие уровни в запрещенной зоне. Однако из-за меньшей диэлектрической проницаемости и большей эффективной массы носителей заряда энергия ионизации мелких доноров и акцепторов в крем­нии существенно больше, чем в германии, и для большинства примесей составляет около 0, 05 эВ. Тем не менее, и в этом случае комнатная тем­пература соответствует области истощения примесей.

Применение кремния. Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем. Освоение планарной технологии кремниевых приборов вызвало качест­венный скачок в полупроводниковом производстве. Полупроводнико­вые интегральные микросхемы, отличающиеся очень малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, нашли особенно широ­кое применение в приемно-усилительной аппаратуре и вычислительной технике.

Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристо­ров. Кремниевые стабилитроны в зависимости от степени легирования материала имеют напряжение стабилизации от 3 до 400В.

Широкое применение в технике нашли кремниевые фоточувстви­тельные приборы, особенно фотодиоды, отличающиеся высоким быст­родействием. Кремниевые фотоэлементы, слу­жащие для преобразования солнечной энергии в электрическую, полу­чили название солнечных батарей. Они используются в системах энергоснабжения космических аппаратов. Их коэффициент полезного действия в большинстве случаев составляет 10 – 12%.

Подобно германию, кремний используется для изготовления детекторов ядерных излучений, датчиков Холла и тензодатчиков. В тензодатчиках используется сильная зависимость удельного сопротивления от механических деформаций.

Благодаря тому, что кремний имеет более широкую запрещенную зону, чем германий, кремниевые приборы могут работать при более вы­соких температурах, чем германиевые. Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает 180 – 200⁰С.

 

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: