Полупроводниковые материалы имеют удельное сопротивление

Полупроводниковые материалы имеют удельное сопротивление

kva Искусственный Интеллект (218302) не перепутайте с проводимостью — там всё ровно наоборот!

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Полупроводниковые материалы имеют удельное сопротивление

Δ W – ширина запрещенной зоны элемента.

III группа содержит один полупроводниковый элемент – бор ( ₅ В ) , обладающий электронной структурой – 1 s 2 2 s 2 2 p 1 .

Главные природные соединения бора – борная кислота Н ₃ ВО ₃ и соли борных кислот, из которых наиболее известна бура – Na ₂ B ₄ O ₇ · 10 H ₂ O .

По химическим свойствам бор сходен не с элементами III группы, а с элементом IV группы – кремнием. В этом проявляется «диагональное сходство». Бор, как и кремний, образует слабые кислоты, не проявляющие амфотерных свойств, тогда как Аl (ОН) ₃ – амфотерное основание.

Соединения бора и кремния с водородом – летучие вещества, самовоспламеняющиеся на воздухе. Как и кремний, бор образует соединения с металлами с большой твердостью и высокими температурами плавления.

Кристаллы бора получают пиролизом диборана В ₆ Н ₆ на вольфрамовой проволоке или восстановлением ВВr ₃ водородом в контакте с горячей танталовой проволокой. Электрические свойства бора зависят от температуры пиролиза.

При обычных условиях бор находится в твердом виде, образуя макромолекулы ( В ₁₂ ) с ковалентными связями. Удельное сопротивление бора ρ = 0,02 Ом·м, ширина запрещенной зоны – 1,08 эВ. Подвижность [1] дырок больше подвижности электронов. Подвижность дырок 0,2÷50 см 2 /(В·с). Подвижность электронов 0,4 ¸ 1,0 см 2 /(В·с).

Тонкие слои бора, полученные пиролизом, применяют для изготовления стабильных резисторов.

Это алмаз, кремний, германий, серое олово ( a — Sn ) и система твердых растворов германия и кремния. Кристаллическая структура полупроводников алмазоподобная .

В элементарной ячейке этих веществ содержатся 8 атомов. Весь кристалл можно рассматривать как огромную молекулу, в которой атомы связаны ковалентной связью.

В нормальном состоянии элементы имеют электронную формулу s 2 р 2 . Атом может образовать две ковалентные связи. В возбужденном состоянии – s 1 р 3 . Все р — орбитали заняты. Поэтому вещества являются типичными полупроводниками, с заполненной в невозбужденном состоянии валентной зоной.

Атомы углерода находятся в состоянии sр 3 – гибридизации и образуют трехмерную тетраэдрическую сетку, в которой они связаны друг с другом ковалентными связями. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм (1нм=10 -9 м). Структура решетки – кубическая. Число атомов в элементарной решетке – 8.

Существуют несколько разновидностей природных алмазов, отличающихся своими физическими свойствами: алмазы типов I, II, II I , в каждом из которых выделяются подтипы. Чаще всего в природе встречаются алмазы типа I. Они правильной формы и изотропны, имеют голубую флюоресценцию, непрозрачны для УФ – лучей.

Среди алмазов типа II очень редко встречаются алмазы типа II_б , которые имеют проводимость р – типа, удельное сопротивление, ρ = 0,50÷12 Ом·м. Алмазы применяют в качестве счетчиков a и b — частиц и γ — излучения.

Наиболее распространенный элемент земной коры (до 28 % земной коры). Существует в аморфном и кристаллическом состоянии. Свободный кремний можно получить прокаливанием диоксида кремния с магнием

Полупроводниковыми свойствами обладает кристаллический кремний высокой степени очистки. В промышленности кремний получают восстановлением SiО₂ коксом в электрических печах:

SiO ₂ + 2 C = Si + 2 CO ­ .

Полученный кремний содержит 2 — 5 % примесей.

Диоксид кремния или кремнезем ( SiO ₂ ) встречается в кристаллическом и аморфном виде. В природе находится в виде минерала кварца, прозрачные, бесцветные кристаллы которого в форме шестигранных призм, называют горным хрусталем. Горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет, называется аметистом, а в буроватый – дымчатым топазом. Разновидности кварца – агат и яшма. Из мелких зерен кварца состоит обычный песок. Чистый кварцевый песок – белого цвета, но чаще он окрашен соединениями железа в желтый или красноватый цвет.

Чистый кремний получают зонной плавкой и термическим разложением иодида кремния SiJ ₄ , силана SiН ₄ , или SiСl ₄ .

Кремний высокочистый имеет тетраэдрическую структуру ( sр 3 – гибридизация) расположения атомов и кубическую форму решетки, как у алмаза. Каждый атом кремния соединен четырьмя валентными связями с расположенными в вершинах тетраэдра другими атомами.

Собственная проводимость кремния определяется термической генерацией собственных носителей заряда – электронов и дырок, при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Концентрация носителей экспоненциально зависит от температуры.

Дырочная проводимость достигается введением акцепторов, т.е. элементов III группы – Аl или В . Электронная проводимость – введением доноров элементов V группы – Аs или Sb .

Четырехвалентный элемент, имеющий структурный тип решетки алмаза. Дефицитнее кремния. Получают из GеО ₂ восстановлением водородом:

Порошок сплавляется в кварцевой лодочке. Затем слиток подвергается зонной очистке. После очистки из германия готовят монокристаллы из расплава.

Свойства германия и кремния

Плотность, 10 3 кг/м 3

Температура плавления, °С

Удельное сопротивление, ом ·м

Ширина запрещенной зоны, эВ

Подвижность электронов, см 2 /(В·с)

Подвижность дырок, см 2 /(В·с)

Германий применяется для изготовления диодов и триодов, датчиков Холла для измерения напряженности магнитного поля, фототранзисторов и фоторезисторов.

Олово ( α — Sn )

Серое олово α – Sn обладает полупроводниковыми свойствами, имеет кристаллическую решетку типа алмаза. Белое олово β – Sn превращается в серое α – Sn области температур -10 ÷ -30°С в результате фазового перехода, скорость которого увеличивается с повышением чистоты олова. При фазовом переходе меняется плотность олова с 7,3 г/см 3 до 5,8 г/см 3 . Поэтому при переходе из β – в α — модификацию олово превращается в серый порошок ( оловянная чума).

Ширина запрещенной зоны α – Sn равна 0,082 эВ. Малая энергия активации и высокая подвижность носителей тока (электронов и дырок) являются причинами высокой электропроводности α – Sn – 2,5·10 5 Ом -1 ·м -1 .

Основной природный минерал, из которого получают восстановлением олово, касситерит SnО ₂ . Мировое производство – 10 5 тонн/год. Если темпы потребления не снизятся, то через 50 лет основные запасы его будут исчерпаны.

Олово растворяется в кислотах:

Sn + 2 NaOH + 2 H ₂ O → Na ₂ [ Sn ( OH ) ₄ ] + H ₂ ↑,

что указывает на его амфотерность. Олово устойчиво на воздухе, поэтому используется для покрытий стальных изделий от коррозии.

Полупроводниковыми свойствами обладают фосфор ( P ) — неметалл, мышьяк ( Аs ), сурьма ( Sb ) — полуметаллы, висмут ( Вi ) – металл.

Электронное состояние этих элементов – n s 2 n p 3 .

As и Sb – токсичны, особенно аран ( А s Н ₃ ) и стибан ( Sb Н ₃ ).

Существует в модификациях: белый, красный, черный. Белый фосфор с молекулярной структурой самая неустойчивая форма фосфора.

Красный фосфор – полимер белого. Черный фосфор – получается при нагревании белого до 200 ° C под давлением или красного до 350 ° C под давлением, имеет слоистую структуру как у графита.

Ширина запрещенной зоны белого фосфора 2,6 эВ, красного фосфора 1,56 эВ, черного фосфора – 0,33 эВ.

Под давлением у фосфора ширина запрещенной зоны уменьшается. Структура черного фосфора анизотропна и его электрические свойства сильно зависят от направления.

Все модификации обнаруживают фотопроводимость. В качестве компонента фосфор входит в полупроводниковые химические соединения.

Известны три модификации мышьяка: красный, состоящий из тетраэдрических молекул – Аs₄ , черный – стеклообразный Аs – полимер, подобный черному фосфору, серый Аs – устойчивая модификация, получаемая при нагреве черного Аs .

Полупроводниковыми свойствами обладает только серый кристаллический Аs . В чистом виде не применяется, только как компонент в соединениях.

Это сера ( S ), селен ( Sе ), теллур ( Те ). Ярко выраженными полупроводниковыми свойствами обладают Sе и Те , имеющие сходство. Их атомы имеют электронную конфигурацию n s 2 n p 4 . Ковалентная химическая связь осуществляется двумя неспаренными р -электронами атомов. Благодаря этим связям образуются либо двухатомные молекулы с двойной связью, либо многоатомные кольцевые молекулы из 8 атомов. Кольцевые молекулы могут полимеризоваться в длинные цепи больших молекул.

Моноклинный Sе , являющийся диэлектриком, состоит из колец двух типов: гофрированных колец Sе ₈ и многочленных колец, состоящих из нескольких сотен до тысячи атомов. При нагреве кольца распадаются на цепочки, которые полимеризуются в длинные зигзагообразные винтовые цепи. Поэтому такую модификацию можно рассматривать как высокополимерное вещество.

У Те больше атомная масса и объем, и химические связи слабее, чем у Sе , поэтому Т е начинает кристаллизоваться при комнатной температуре и скорость возрастает с ростом температуры. При 120 °С кристаллизация завершается за 1 час, а при 80 – за 15 дней. Примеси фосфора и мышьяка замедляют ее.

Наибольшее значение как полупроводниковые материалы имеют гексагональные формы селена Sе и теллура Те . Они образуют ряд твердых растворов, с длинными цепями молекул, а сплавы их представляют смесь полимерных молекул.

Аморфная и моноклинная (красная) модификация селена, а также жидкий селен, состоящий из смеси линейных и кольцевых молекул, обладают высоким удельным сопротивлением ρ = 10 11 Ом·м. Селен – полупроводник р -типа . Носители зарядов – дырки, при повышении температуры их концентрация не меняется, но проводимость селена растет, что обусловлено увеличением подвижности дырок. В жидком состоянии электропроводность у селена остается дырочной. При введении примесей электропроводность селена изменяется. Это используют при производстве селеновых выпрямителей путем введения примесей галоидов. Ширина запрещенной зоны у гексагонального селена ∆ W _. = 1,7÷1,9 эВ, а у аморфного ∆ W = 4,6 эВ.

Селен используют в полупроводниковой технике, как в элементарном виде, так и в композициях ( РbSе , СdSе , Вi₂Sе₃ и др.). Применяется селен в фоторезисторах, в элементах фотоэ.д.с ., в селеновых выпрямителях переменного тока.

Теллур полупроводник с дырочной проводимостью, сохраняющий свойства полупроводника в жидком состоянии, а с ростом температуры электропроводность переходит в металлическую.

Используется для изготовления полупроводниковых сплавов со свинцом, висмутом и сурьмой, обладающих большой термо – э.д.с . и являющихся основой для термоэлектрических генераторов.

Полупроводники типа А III B V

Это химические соединения, образующиеся при взаимодействии элементов А III и B V подгрупп периодической системы Менделеева. Эти соединения характеризуются наличием у А III на внешних оболочках по 3 валентных электрона – s 2 р 1 , а у В V – 5 валентных электронов в состоянии s 2 р 3 . На каждый атом приходится – 4 электрона, как в элементах IV группы, а отсюда и одинаковые кристаллические структуры и электронные свойства этих соединений с алмазом, кремнием, германием и другими элементами IV группы. Но отличаются типом связи – наряду с ковалентной есть и ионные, т.к. в узлах решетки располагаются положительные и отрицательные ионы.

Кристаллическая решетка соединений типа А III В V менее симметрична, чем решетка алмаза, германия, кремния. Примерами соединений этого типа могут быть: InSb – антимонид индия, InАs – арсенид индия, InР – фосфид индия, GаSb – антимонид галлия, GаАs – арсенид галлия, GаР – фосфид галлия, АlSb – антимонид алюминия.

Эти соединения имеют большую, чем у германия и кремния подвижность электронов. Электропроводность полупроводниковых соединений зависит от примесей, входящих в междоузлия или в узлы атомной решетки в виде атомов замещения (это элементы II, IV, VI групп).

Арсениды, антимониды и фосфиды индия и галлия получают сплавлением компонентов в вакууме в кварцевых ампулах. Выращивание кристаллов этих соединений – например, GаАs методом Чохральского , такое же как Gе и Si , но с магнитным управлением, с направленной кристаллизацией. Можно использовать зонную плавку.

Карбид кремния SiC ( A IV B IV )

Получается восстановлением из SiО ₂ углем при высокой температуре в электрических печах:

SiO ₂ + 3 C = SiC + 2 CO .

Примеси удаляют добавлением NаСl , образующиеся хлориды улетучиваются при высокой температуре. Чистый карбид кремния бесцветен. Величина проводимости и тип зависит от примесей. Удельное сопротивление чистого карбида кремния 10 11 Ом·м, с примесями — 0,001 Ом·м.

Химическая структура и тип связи у карбида кремния такой же как у элементов IVВ подгруппы. Имеется ряд модификаций карбида кремния. Ширина запрещенной зоны карбида кремния – 2,86 эВ.

Примесь элементов V группы ( P , As , Sb , Bi ) и железа в карбиде кремния дает зеленую окраску и проводимость n – типа (электронную).

Примесь элементов II группы ( Са , Мg ) и III группы ( В , Аl , Gа , I n ) дает голубую окраску и проводимость р – типа. Избыток кремния в карбиде кремния дает проводимость n – типа, а избыток С – р –проводимость.

Карбид кремния применяют для нелинейных резисторов, термокомпенсаторов , силовых выпрямителей с р — n — переходом, работающих при высоких температурах (до 650 °С).

Из оксидов наибольшее применение получила закись меди Сu ₂ О , обладающая ширной запрещенной зоны ∆ W = 0,22÷0,39 эВ. Является основой медно – закисных ( купроксных ) выпрямителей. Медные пластины нагревают при 1020÷1040 °С в окислительной среде 5 мин, затем переносят в печь с температурой 600°С, где выдерживают 10 мин. Получается в итоге двойное покрытие: первое Сu ₂ О (закись), второе СuО – окись. Закись меди Сu ₂ О – полупроводник, а СuО – диэлектрик. Окись меди в требуемых местах вытравливают. Сu ₂ О является примесным полупроводником n – типа, с интервалом рабочих температур от –40 до +60°С. Медное основание в прилегающей к пленке Сu ₂ О имеет электронную проводимость, что обусловливает в слое закиси меди электронно – дырочный переход.

Меднозакисные выпрямители широко применялись в технике (в измерительных приборах, в схемах автоматических устройств и др.).

Мn ₃ О ₄ – закись – окись марганца – поликристаллический полупроводник с ∆ W = 1,25 эВ. Этот окисный полупроводник применяется в термисторах (термометрах сопротивления).

К оксидным полупроводникам с электронной электропроводностью относятся широко используемые радиоэлектронике ферриты и сегнетоэлектрики (сегнетова соль).

Полупроводниковые свойства проявляют те оксиды, у которых один или более ионов металла относится к элементу переходного ряда ( Ti , Cu , Zn , Ni , Co , Fe , Mn , Cr , V ).

Сульфиды (люминофоры)

В полупроводниковой технике применяют: сульфид свинца РbS ; сульфид цинка ZnS ; сульфид кадмия СdS ; сульфид висмута Вi ₂ S ₃ .

Сульфид свинца имеет кристаллическую структуру с кубической решеткой. Плотность – 7,5 · 10 3 кг/м 3 , молекулярная масса – 239, температура плавления 1114 °С, ∆ W = 0,4 эВ. В зависимости от соотношения S и Рb получается проводимость: дырочная – если больше серы, электронная – если больше свинца, подвижность электронов 80 см 2 /(В·с). Сульфид свинца применяется для термоэлементов и фоторезисторов с высокой чувствительностью в ИК области спектра.

Сульфид цинка – кристаллическая структура с кубической или гексагональной решеткой природного или синтетического происхождения.

Сульфид кадмия – полупроводниковый кристаллический материал гексагональной структуры, молекулярная масса – 144,5; плотность – 4,82 · 10 3 кг/м 3 , ∆ W = 2,1 эВ. Применяют для фоторезисторов.

Сульфид висмута – кристаллическое вещество ромбической структуры, получают сплавлением висмута с серой в нейтральной среде или в вакууме. Плотность – 7,4 · 10 3 кг/м 3 ; молекулярная масса – 514,2; ∆ W = 1,25 эВ.

C оединения типа А II В VI

Наибольшее применение получили CdSe , PbSe , HgSe .

Селенид ртути НgSе – кристаллическое вещество, получают сплавлением компонентов в вакууме при 960 °С; имеет электронную проводимость с подвижностью электронов 5000 см 2 /(В·с), ∆ W = 0,3 эВ. Применяется в датчиках э.д.с . Холла, фоторезисторах, лазерах.

Физические свойства соединений типа А II В VI

Электроматериаловедение — Полупроводниковые материалы и изделия

Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании.
По химической природе современные полупроводниковые материалы можно разделить на следующие четыре главные группы:

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов или молекул одного элемента. Такими материалами являются широко используемые в данное время германий (Ge), кремний (Si) селен (Se) бор (В), карбид кремния (SiC) и др.
2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т. е. материалы из окислов металлов. Главные из них: закись меди (Cu2O), окись цинка (ZnO), окись кадмия (CdO), двуокись титана (TiО2), окись никеля (NiO) и др. В эту же группу входят материалы, изготовляемые на основе титаната бария, стронция, цинка, и другие неорганические соединения с различными малыми добавками.
3. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, которые можно обозначить общей формулой A3B5, где буквы означают атомы, а римские цифры — номера групп. Примерами таких материалов являются антимониды индия (ZnSb), галлия (GaSb) и алюминия (AlSb), т. е. соединения сурьмы (Sb) с индием (In), галлием (Ga) и алюминием (Al). Они получили наименование интерметаллических соединений.
4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы (S), селена (Se) и теллура (Те) с одной стороны и меди (Cu), кадмия (Cd) и свинца (РЬ) с другой. Такие соединения называются соответственно: сульфидами, селенидами и теллуридами.

Все полупроводниковые материалы, как уже говорилось, могут быть распределены по кристаллической структуре на две группы.
Одни материалы изготовляются в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллов), из которых вырезают по определенным кристаллическим направлениям пластинки различных размеров для использования их в выпрямителях, усилителях, фотоэлементах. Такие материалы составляют группу монокристаллических полупроводников. Наиболее распространенными монокристаллическими материалами являются германий и кремний. За последнее время разработаны методы изготовления монокристаллов из карбида кремния (SiC). Разрабатываются также монокристаллы интерметаллических соединений.
Другие полупроводниковые материалы представляют собой смесь множества малых кристалликов, беспорядочно спаянных друг с другом. Такие материалы называются поликристаллическими. Представителями поликристаллических полупроводниковых материалов являются селен и карбид кремния, а также материалы, изготовляемые из различных окислов методами керамической технологии.

Рис. 167. Схема метода зонной очистки германия:
1 — зоны нагрева, 2 — графитовая лодочка, 3 — катушки индуктора, 4 — передвижная каретка, 5 —слиток германия, 6 — кварцевая трубка
Рассмотрим широко применяемые полупроводниковые материалы.
Германий (Ge)—элемент четвертой группы периодической системы Менделеева. Германий имеет ярко-серебристый цвет. Температура плавления германия 937,2° С. В природе он встречается часто, но в весьма малых количествах. Присутствие германия обнаружено в цинковых рудах и в золах разных углей. Основным источником получения германия является зола углей и отходы металлургических заводов.
Полученный в результате ряда химических операций слиток германия еще не представляет собой вещества, пригодного для изготовления из него полупроводниковых приборов. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена легирующая примесь, обусловливающая необходимый вид электропроводности. Для очистки слитка от нерастворимых примесей широко применяется метод зонной плавки. Этим методом могут быть удалены лишь те примеси, которые различно растворяются в данном твердом полупроводнике и в его расплаве.
На рис. 167 показана схема устройства для очистки германия по этому способу. Слиток германия 5, подлежащий очистке от примесей, помещается в графитовую лодочку 2, которая вместе со слитком ставится в кварцевую трубку 6. Для предотвращения окисления германия кислородом воздуха и дополнительного попадания в него примесей через кварцевую трубу в течение всей плавки пропускают какой-либо инертный газ: азот, гелий или аргон.
С помощью высокочастотных нагревателен — катушек индуктивности 3, питаемых от генератора высокой частоты, слиток германия разогревается в нескольких местах (зонах) до состояния, близкого к плавлению. Эти зоны в результате движения каретки 4, на которой закреплены нагреватели 1, непрерывно передвигаются по длине очищаемого слитка 5. В каждой зоне будут нагретые участки слитка, температура которых близка к температуре плавления полупроводникового материала.
Так как примеси растворяются различно в нагретых и ненагретых местах слитка, то нерастворимые или слабо растворимые примеси в ненагретых частях слитка будут переходить (диффундировать) в нагретые участки (зоны) слитка. Когда последний нагреватель достигнет края слитка, в эту часть слитка переместятся и атомы примесей. Процесс повторяется несколько раз, в результате чего все загрязняющие примеси будут переведены в конец слитка, который затем отрезается. Полученный германий имеет определенную чистоту, содержание примесей в котором не превышает 0,00000001%. В полученный таким образом чистый германий вводится необходимое количество легирующей примеси, донорной или акцепторной, которая обеспечивает полупроводнику электропроводность п или p-типа и сопротивление задание величины.
Обе эти операции осуществляются в одной установке преимущественно методом вытягивания монокристалла из его расплава. Этот метод состоит в следующем. Очищенный слиток германия вместе с введенными в него легирующими примесями расплавляют в графитовом тигле. В расплав германия погружается затравка— кусочек монокристаллического чистого германия и при определенной установившейся температуре в расплаве затравка медленно поднимается вверх, а вместе с пей вытягивается из расплава растущий монокристалл германия *. Нагревают тигель с помощью индукционных катушек, подключенных к высокочастотному генератору. Тигель изготовляют из чистого графита. Установка для вытягивания монокристаллов германия снабжена устройством для регулировки температуры и регулятором скорости вытягивания монокристалла.
Германий обладает большой твердостью, но чрезвычайно хрупок и раскалывается па мелкие куски при ударах. Однако при помощи алмазной пилы или других устройств его можно распилить на тонкие пластинки.
Отечественной промышленностью изготовляется легированный германий с электронной электропроводностью различных марок с удельным сопротивлением от 0,003 до 45 ом-см и германий легированный с дырочной электропроводностью с удельным сопротивлением от 0,4 до 5,5 ом-см и выше. Удельное же сопротивление чистого германия при комнатной температуре q = 60 ом-см.
Германий как полупроводниковый материал широко используется не только для диодов и триодов; из него изготовляются мощные выпрямители на большие токи, различные датчики, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, термометры сопротивления для низких температур и др.
Кремний (Si) широко распространен в природе*. Он, как и германий, является элементом четвертой группы системы элементов Менделеева и имеет такую же кристаллическую (кубическую) структуру.
Полированный кремний приобретает металлический блеск стали. Как и германий, кремний обладает хрупкостью. Его температура плавления значительно выше, чем у германия: 1423° С. Удельное сопротивление чистого кремния при комнатной температуре q = 3- 10+5 ом-см.
Химически чистый кремний получается из его галлоидных соединений (SiCU; SiJ4) или из силана (SiH.(). Монокристаллы кремния (как и германия) получают вытягиванием из расплава.
Так как температура плавления кремния значительно выше, чем у германия, то тигель из графита заменяют кварцевым, так как графит при высокой температуре может реагировать с кремнием и образовывать карбид кремния (SiC). Кроме того, в расплавленный кремний могут попасть из графита загрязняющие примеси.
Отечественной промышленностью выпускается полупроводниковый легированный кремний с электронной электропроводностью (различных марок) с удельным сопротивлением от 0,01 до 35 ом-см и с дырочной электропроводностью тоже различных марок с удельным сопротивлением от 0,05 до 35 ом-см.
Кремний, как и германий, широко применяется для изготовления многочисленных полупроводниковых приборов. В кремниевом выпрямителе достигаются более высокие обратные напряжения и рабочая температура (130—180°С), чем в германиевых выпрямителях (80°С). Из кремния изготовляют точечные и плоскостные диоды и триоды, фотоэлементы и другие полупроводниковые приборы.
В табл. 48 приведены основные характеристики германия и кремния.
Таблица 48
Основные характеристики германия и кремния

* Земная кора содержит более 50% кремнезема SiO2, который служит основным сырьем для получения технических сортов кремния.
Из таблицы видно, что чистый кремний обладает значительно большим удельным сопротивлением, чем германий, так как величины подвижности электронов и дырок у него заметно меньше по сравнению с германием.

Рис. 168. Влияние концентрации примесей на величину удельного сопротивления германия и кремния при комнатной температуре:
1 — кремний, 2 — германий
На рис. 168 показаны зависимости величии удельного сопротивления германия и кремния обоих типов от концентрации легирующих примесей в них. Кривые на рисунке показывают, что легирующие примеси оказывают огромное влияние на величину удельного сопротивления: у германия оно изменяется ог величины собственного сопротивления 60 ом-см до 10-4 ом-см, т. е. в 5-105 раз, а у кремния с 3-105 до 10~4 ом-см, т. е. в 3• 109 раз.
Селен (Se) — элемент шестой группы периодической системы Менделеева принадлежит к группе редких элементов. Он встречается в виде малой примеси в медных рудах и серном колчедане. При электролитическом рафинировании меди селен вместе с другими примесями обнаруживается в осадке, откуда он извлекается, а затем методом фракционной разгонки в высоком вакууме очищается от примесей. В твердом состоянии селен может быть кристаллическим или аморфным.
Кристаллический (серый) селен состоит из длинных спиральных цепочек связанных между собой атомов. Эти цепочки расположены по углам шестиугольной призмы, являющейся элементарной кристаллической ячейкой. Серый селен получается из аморфного (черного) селена при температуре ниже 220° С, которая является его температурой плавления. Черный аморфный селен может быть получен из расплавленного жидкого селена быстрым охлаждением до комнатной температуры. Так при температуре 70° С жидкий селен становится подобным каучуку, а при 30° С — стеклообразным и хрупким.
Кристаллический селен является полупроводником с удельным сопротивлением q = 10+5.10+6 ом-см, тогда как аморфный селен является диэлектриком и его удельное сопротивление q = 10+13 ом-см.
Кристаллический селен — полупроводник p-типа и может быть отнесен к примесным полупроводникам, так как он собственной электропроводностью не обладает. Величины подвижности дырок у него очень малы (меньше 1 см2сек-В).
На рис. 169 показана зависимость удельной проводимости тщательно очищенного серого селена от величины, обратной абсолютной температуре (1/Т°). Эта зависимость выражается прямой линией во всей области изменения температуры до температуры плавления Тпл, после которой наклон прямой также не изменяется.

Рис. 169. Зависимость удельной проводимости поликристаллического селена от температуры
Ранее было указано, что при высоких температурах у полупроводников основной электропроводностью является собственная.
Соответственно прямолинейная зависимость (см. рис. 165) в точке перехода от примесной к собственной электропроводности претерпевает излом. В данном же случае такого излома нет. Следовательно, у кристаллического селена собственная электропроводность не может быть осуществлена. Увеличение же удельной проводимости селена с повышением температуры может быть объяснено повышением подвижности носителей положительных зарядов, т. е. дырок.
Кроме этой особенности, селен как полупроводник имеет еще некоторые присущие ему характерные свойства. Так, сопротивление одиночного кристалла (монокристалла) селена уменьшается на 30% при давлении 1000 кГ/см2.
Особенно сильно уменьшается сопротивление селена при введении в него примесей, что используется для увеличения прямых токов в выпрямителях. В качестве таких примесей применяются галогены (С12, Вг2, Ja). Наконец, следует отметить, что при освещении селена ток возрастает, что дает возможность использовать его для изготовления фотосопротивлений (фоторезисторов).
Однако у селеновых фотосопротивлений зависимость тока от светового потока нелинейна. Это ограничивает их применение. Селен используется для изготовления фотоэлементов — приборов, преобразующих световую энергию в электрическую.
Особенно широко применяется селен для изготовления многочисленных селеновых выпрямителей.
В табл. 49 приведены основные характеристики кристаллического и аморфного селена.
Большое распространение в электротехнике получили полупроводниковые материалы, у которых зависимость величины тока от величины напряжения графически выражается кривой, представленной на рис. 163. На этом рисунке видно, что величина тока изменяется как в положительном, так и в отрицательном направлениях тока одинаково, образуя тождественные симметричные кривые 1 и 2.
Таблица 49
Основные характеристики селена

В таких полупроводниковых материалах электрический ток при повышении напряжения не подчиняется закону Ома
U = IR, (50)
который выражает пропорциональное изменение тока / от напряжения U (при постоянном сопротивлении). Такая зависимость величины тока от напряжения называется «линейной» и наблюдается в проводниках. Вольтамперная характеристика таких материалов представляет собой прямую линию.
Полупроводниковые материалы, вольтамперные характеристики которых представлены па рис. 163, получили наименование «нелинейных». В этом случае зависимость тока от напряжения выражается формулой
(51)
где А—постоянная величина, имеющая размерность сопротивления; а — коэффициент нелинейности величины тока. Этот коэффициент в конкретных нелинейных сопротивлениях в зависимости от материала изменяется от 0,16 до 0,5.
На основе таких нелинейных материалов изготовляют различные нелинейные сопротивления, являющиеся элементами вентильных разрядников.
В качестве материала для изготовления нелинейных сопротивлений особенно широкое применение получил поликристаллический материал — карбид кремния (SiC). Из карбида кремния изготовляют вентильные разрядники для линий электропередачи — устройства, защищающие линию электропередачи от перенапряжений.
В них диски из нелинейного полупроводника (карбида кремния) пропускают ток на землю под действием воли перенапряжений, возникающих в линии. В результате этого восстанавливается нормальная работа линии. При рабочем же напряжении линии сопротивления этих дисков возрастают и ток утечки с линии па землю прекращается.

Рис. 170. Разрез вентильного разрядника типа PB-6 на напряжение 6 кВ
Карбид кремния получают искусственно — путем тепловой обработки смеси кварцевого песка (SiO2) с углем при высокой температуре (2000° С). В результате такого длительного высокотемпературного процесса образуются сросшиеся кристаллы в виде пакетов, называемых друзами. Друзы затем размалываются, размол просеивается и перемешивается, после чего отдельные частички этой смеси скрепляются связующим материалом, обычно жидким стеклом. Полученная скрепленная смесь прессуется в диски, которые сушатся сначала на воздухе, затем на их боковую поверхность наносится изоляционная обмазка, имеющая цель в дальнейшем предохранить диски от поверхностных перекрытий. Обмазанные диски подвергаются тепловой обработке в печи при температуре 400°С в течение 10—14 ч, после чего на поверхность дисков наносятся металлические электроды *. В зависимости от введенных легирующих примесей образуются два основных вида карбида кремния: зеленый п черный. Они отличаются друг от друга по типу электропроводности, а именно: зеленый карбид кремния обладает электропроводностью re-типа, а черный — электропроводностью р-типа.
Для вентильных разрядников из карбида кремния изготовляются диски диаметром от 55 до 150 мм и высотой от 20 до 60 мм. В вентильном разряднике (рис. 170) вилитовые диски 2 из карбида кремния соединяются последовательно друг с другом и с искровыми промежутками 5.
*Полученный описанным способом нелинейный полупроводниковый кремний получил название «внлит». Он разработан Л. И. Ивановым и В. И. Пружинимой во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ им. Ленина).
Последние образуются системой фасонных латунных шайб 4, разделенных друг от друга слюдяными (миканитовыми) прокладками. Система, состоящая из вилитовых дисков и искровых промежутков, сжимается спиральной пружиной 6. С помощью болта 7 разрядник присоединяется к проводу линии электропередачи, а при помощи болта 3 разрядник соединяется проводом с землей. Все детали разрядника помещены в фарфоровый корпус 1.
При нормальном напряжении па линии передачи ток с линии вентиль не пропускает. При повышенных же напряжениях (перенапряжениях), создаваемых атмосферным электричеством, или внутренних перенапряжениях искровые промежутки 5 (см. рис. 170) пробиваются и диски вентиля окажутся под высоким напряжением. Сопротивление их резко упадет, что обеспечит утечку тока с линии на землю. Прошедший большой ток снизит напряжение до нормального и в дисках вентиля сопротивление возрастет. Вентиль окажется запертым, т. е. рабочий ток линии им пропускаться не будет.
Карбид кремния находит еще применение в полупроводниковых выпрямителях, работающих при больших рабочих температурах (до 500°С).
За последние годы появились полупроводниковые нелинейные материалы, изготовляемые методами керамической технологии из различных окислов металлов: А1203; ZnO; Sn02; ТiO2. Особое внимание к себе привлекают нелинейные полупроводниковые материалы на основе таких соединений, как ZnO — In02; ZnO — SiO2 и др.

Полупроводниковые материалы. Удельное сопротивление

Полупроводниковые материалы
Химические элементы
1. Химические соединения
типа A3B5 A4B4 A2B6
3. Оксиды, сульфиды,
селениды и др.
Название
Обозначение
Германий
Кремний
Фосфор
Мышьяк
Бор
Индий
Ge
Si
P
As
B
In
Название
Обозначение
Арсенид галия
GaAs
Фосфид индия
InP
Антимонид индия
InSb
Название
Обозначение
Окись меди
Cu2O
Сульфид свинца
PbS
Селенид свинца
PbSe
Группа
4
4
5
5
3
3
(Сурьма)

4.

Основные параметры полупроводника
1.Ширина запрещенной зоны ∆Ефундаментальный параметр, отражающий
зонную структуру энергетического
спектра электронов в кристалле.
Ширина запрещенной зоны измеряется в
эВ и ее значение прежде всего зависит от
типа связей между элементами структуры
атомами или ионами. Зависимость эта
сложная и расчетных методов
определения ∆Е не существует.

5.

Основные параметры полупроводника
Ширина запрещенной зоны определяет
многие свойства полупроводника. К ним
относятся:
а) электропроводность и ее
температурная зависимость,
γ=А*е(-∆E/2kT),
где ∆Е- ширина запрещенной зоны для
собственного полупроводника или
энергия активации для примесей.

6.

Основные параметры полупроводника
б) Значение ∆Е определяет предельную
рабочую температуру примесного
полупроводника. Само значение ∆Е слабо
зависит от температуры, например для Si
d∆E/dT=-4*10-4 В/град
в) Величина ∆Е определяет многие оптические
свойства материала, в первую очередь его
прозрачность для света данной длины волны.
∆Е : 1.24/λ, где λ в мкм.
Свет с энергией > ∆Е поглощается материалом,
генерируя пару электрон-дырка, свет с < ∆Е
проходит через материал.

7.

Основные параметры полупроводника
2. Концентрация носителей заряда.
Собственная концентрация носителей
заряда (в собственных п/п)
используется редко, поскольку
практически все п/п компоненты и все
ИС изготавливаются на легированных
полупроводниках.
Для определения концентрации
носителей заряда используют метод
Холла.

8.

Метод Холла
Пусть по проводнику течет ток I, напряжение между точками А и Д
Ux=0. При помещении полупроводника в магнитное поле В,
направленное перпендикулярно направлению протекания тока I
Ux=(1/q*n)*(I*B/b);
Rx =1/q*n – коэф. Холла.
Определив Rx , получаем значение концентрации n. Знак холловской
разности потенциалов зависит от знака носителей заряда в
полупроводнике

9.

Основные параметры полупроводника
3. Подвижность носителей μ — скорость
дрейфа в электрическом поле напряженностью
1 В/м:
μ V/E [ м2/(В·с)]
где: V – скорость дрейфа зарядов;
Е – напряженность электрического поля
Чем больше подвижность, тем больше скорость
движения носителей и тем выше
быстродействие полупроводникового элемента.
Подвижность электронов μn всегда больше
подвижности дырок μр.

10.

Основные параметры полупроводника
Подвижность носителей заряда зависит от ряда
факторов, важнейшим из которых является температура.
Зависимость μ от температуры определяется
механизмом рассеяния носителей. Поскольку с
повышением температуры увеличивается интенсивность
колебания атомов кристаллической решетки, то
возрастает и число столкновений в единицу времени,
следовательно, наблюдается падение подвижности
носителей.
Для кремния п-типа можно записать
μ= μ0(Т0 / Т)3/2,
где μ0 — подвижность носителей при начальной
(комнатной) температуре Т0.

11.

Основные параметры полупроводника
Подвижность носителей заряда μ в
примесных полупроводниках обычно
уменьшается с повышением концентрации
примесей, причем степень влияния
концентрации примесей возрастает при ее
увеличении, так как ионизированные атомы
примеси являются такими же центрами
рассеяния, как и атомы загрязняющих
примесей.
В технологии полупроводников величина
подвижности служит критерием чистоты и
структурного совершенства материала

12.

Основные параметры полупроводника
4. Удельное сопротивление v
v — удельное сопротивление
5. Удельная электропроводность наиболее часто измеряемый параметр в
полупроводниковом производстве.
γ μne
где: n – концентрация носителей заряда,
μ — подвижность носителей заряда,
e- заряд электрона.

13.

Основные параметры п/п материалов
г
Параметр
Обозначение
Ед.
измер.
Ширина запрещенной
зоны
Проводимость
∆E
Эв
Электроновольт
γ
См/м
Сименс/ метр;
Ом−1·м−1.
Подвижность электронов
μn
м2/В*с
Подвижность дырок
μp
м2/В*с
μ V/E
[ м2/В с]
V – скорость дрейфа зарядов
Е – напряженность электрического поля

14.

Основные параметры полупроводника
2/В с
2/В с
μ
,
м
μ
,
м
Е
,
эВ
n
*
p
*
зз
Полупроводник Тпл , оС
при 300о К при 300о К при 300о К
Ge
Si
GaP
InP
GaAs
InAs
InSb
937
1417
1450
1062
1237
942
525
0,67
1,12
2,25
1,29
1,43
0,36
0,17
0,39
0,13
0,011
0,46
0,85
3,3
7,7
0,19
0,048
0,0075
0,15
0,043
0,046
0,08

15.

Ковалентная связь в кремнии

16.

Собственная проводимость п/п

17.

Собственная проводимость п/п
ln f( ) Аррениус i e- зз
∆E(Ge)= 0,67 эВ; ∆E(Si)= 1,12 эВ; ∆E(GaAS)= 1,4 эВ
γi γn+ γp = neμn+neμp=ne(μn+μp)
μ — подвижность носителей,
e- заряд электрона

18.

Собственная проводимость п/п

19.

Примесная проводимость п/п
Донорные примеси
5 группа

20.

Донорная примесь

21.

Донорный полупроводник

22.

Si
Si
Р
Si
Si
γд neμe
n – концентрация носителей
заряда – электронов
μe — подвижность носителей
заряда – электронов
д e- д

23.

Примесная проводимость п/п
Акцепторные примеси
3 группа

24.

Примесная проводимость п/п
Акцепторные примеси

25.

γа neμд
n – концентрация носителей
заряда – дырок
μд — подвижность носителей
заряда – дырок
а Аe-
А

26.

Зависимость концентрации основных
носителей заряда n от температуры
и зависимость удельной
электропроводности от температуры.

27.

Из-за малых значений Ед и ЕА рост
электропроводности проявляется в
области низких температур (участок 1) за
счет увеличения концентрации свободных
носителей заряда. В этом диапазоне
температур в полупроводнике n-типа
происходит переход электронов с
донорного уровня в зону проводимости, а
в полупроводнике p-типа – из валентной
зоны на акцепторный уровень. Процесс
возрастания с повышением температуры
происходит до тех пор, пока не
ионизируются все атомы примесей.

28.

Собственная же электропроводность
полупроводника еще не проявляется. В этих
условиях концентрация свободных носителей
практически от температуры не зависит и
характер изменения определяется зависимостью
подвижности носителей заряда от температуры.
Подвижность носителей заряда с ростом
температуры падает из-за усиления колебаний
атомов в узлах кристаллической решетки, которые
являются центрами рассеяния свободных
носителей заряда (участок 2). Именно в этом
диапазоне температур, т.е. на участке 2 работают
полупроводниковые приборы.

29.

Резкое увеличение удельной
электропроводности при дальнейшем росте
температуры объясняется началом генерации
электронно-дырочных пар и соответствует
области собственной электропроводности
(участок 3). При этой температуре происходит
потеря работоспособности приборов на p-n
переходах. Из графика на видно, что предельная
максимальная рабочая температура
полупроводниковых приборов определяется
шириной запрещенной зоны
полупроводникового материала.

30.

Полупроводниковые материалы
Примесь
Проводимость
Основные
носители заряда
Полупроводник
—
Собственная
Электроны и
дырки
Собственный
Донорная
Электронная
Электроны
n — типа
Акцепторная
Дырочная
Дырки
p — типа

31.

Германий
Езз = 0,67 эВ при 300о К
μn = 0,39 м2/В*с μp = 0,19 м2/В*с
Тпл = 937о С Траб = -60о +80о С
Применение:
• выпрямительных и импульсных диодов,
• различных видов транзисторов,
• фотодиодов,
• фоторезисторов,
• детекторов инфракрасного излучения и т.д.
Диапазон рабочих температур этих приборов от –
60о С до 80о С.

32.

Германий
Германий обладает кубической
решеткой с ковалентными связями.
По внешнему виду благодаря
характерному блеску он напоминает
металл.
Его кристаллы очень твердые и
хрупкие. Сравнительно высокая
стоимость германия объясняется
сложностью получения исходного
сырья.

33.

Элементарная кристаллическая
ячейка германия

34.

Германий
Невысокий верхний предел рабочей температуры
является существенным недостатком германия.
При нагревании на воздухе до температуры 650о С
германий окисляется с образованием GeO2, но эта
пленка имеет плохие защитные свойства.
Германий- элемент 4-й группы, Содержание
германия в земной коре невелико 7 10-4 %.
Материалы с большой концентрацией германия не
встречаются в природе. Этот материал получают
из побочных продуктов цинкового производства
или из медно-свинцовых руд.

35.

Для получения чистого германия
используют метод вытягивания из расплава
(метод Чохральского).

36.

Метод Чохральского

37.

Метод Чохральского
Основные стадии процесса:
•плавление поликристаллической загрузки
•оплавление монокристаллической затравки и
кристаллизация на ней первых порций расплава
•подъем затравки и вытягивание щетки
•разращивание монокристалла до номинального
диаметра
•рост монокристалла постоянного диаметра
•оттяжка на конус, обрыв кристалла
•охлаждение выращенного монокристалла

38.

Выращивание монокристалла из
расплава

39.

Очистка германия
Германий, используемый для изготовления
полупроводниковых приборов, не должен содержать
случайных примесей больше 5х10 -9 %.
Наиболее распространенным способом очистки
германия является метод зонной плавки. Метод
зонной плавки основан на сегрегации примесей в
жидкой и твердой фазе, т.е. разной растворимости в
жидкой и твердой фазе.
В ходе плавки все примеси, имеющие Тпл.
примеси ‹ Тпл Ge захватываются жидкой фазой и
вместе с ней уносятся к концу слитка, которую
отрезают (20 – 25 мм).

40.

Для получения чистого германия
используют метод зонной плавки.

41.

Зонная плавка германия

42.

Кремний
∆Езз=1,12 эВ, ρv=2*103 [Ом*м],
μn=0.14 [м2/В*сек], μp= 0,05 [м2/В*сек]
λ=0,8 Вт/м*град
1. Оптимальная Тпл = 14200 С. При более низкой температуре
не возможно было бы проводить диффузию, протекающую
при 12200 С, а при более высокой создало бы проблемы для
материалов реакторов.
2. Ширина запрещенной зоны обеспечивает хороший
температурный диапазон -60-+1500 С
3. Возможность получения на поверхности Si собственного
окисла
SiO2,
обладающего
хорошими
защитными
свойствами.
4. Доступность сырья: содержание кремния в земной коре
составляет около 28%.

43.

Кремний
Недостатки:
1. Невысокая подвижность носителей, что
препятствует созданию на нем
сверхвысокочастотных приборов.
2. Высокая химическая активность в
расплавленном состоянии
3. Наличие трудноудаляемых примесей
(бор), температура плавления которого
значительно выше (23000 С)
4. Невысокая радиационная стойкость.

44.

Кремний
Кремний (Si) является самым распространенным
элементом в земной коре после кислорода, его
содержание в ней 28%. Однако в свободном состоянии
в природе он не встречается. Его соединениями
являются такие распространенные природные
материалы, как кремнезем и силикаты.
Кремний применяют для изготовления различных
диодов и транзисторов, стабилитронов, фотодиодов,
датчиков Холла и многих других полупроводниковых
приборов. Кремний используется при изготовлении
интегральных схем. Практически 98%
полупроводниковых интегральных схем, в настоящее
время, выполняются на основе кремния.

45.

Кремний
В технологическом отношении кремний
более сложный материал, чем германий, так
как он имеет высокую температуру плавления
1420оС и в расплавленном состоянии
химически весьма активен (вступает в
реакцию практически со всеми тигельными
материалами).
Кремний дешевле германия из-за
доступности исходного сырья. Допустимое
содержание посторонних примесей в кремнии,
используемом в производстве
полупроводниковых приборов, не должно
превышать 10 -11 %.

46.

Кремний
Очистка:
• допустимое содержание примесей 10-11%
• для Si метод зонной плавки не нашел
применения из-за активности кремния (активно
реагирует с углеродом)
• температура плавления кремния близка к
температуре плавления кварцевого стекла.
Получение монокристалла:
1. метод Чохральского (диаметр слитков до
100,150мм)
2. метод бестигельной зонной плавки, диаметр
до 60 мм.

47.

Метод бестигельной зонной плавки

48.

Метод бестигельной зонной плавки

49.

Метод бестигельной зонной плавки
При этом методе узкая зона расплава
удерживается между твердыми частями
слитка за счет сил поверхностного
натяжения.
Использование метода возможно при
малой плотности и большом
коэффициенте поверхностного
натяжения в жидком материале, которые
имеют место в жидком Si.
•К недостаткам метода бестигельной
зонной плавки относится высокая
стоимость.

50.

Образцы полупроводниковых пластин

51.

Основные проблемы получения пластин Si.
1. Увеличение диаметра → уменьшение стоимости.
• Увеличение диаметра → недопустимое
искривление поверхности при
высокотемпературных обработках и краевые сколы.
• Поэтому увеличение диаметра требует увеличения
толщины, а увеличение толщины приводит к
увеличению стоимости единицы площади и
увеличению внутренних напряжений.
• При росте стоимости падает эффект от
использования пластин большого диаметра.
Поэтому диаметр целесообразно выбирать в
зависимости от назначения пластин.

52.

Основные проблемы получения пластин Si.
• В зависимости от назначения пластины:
• Диаметр пластины — 40мм- для диодов
• Диаметр пластины — 50-60мм- для транзисторов и ИС
малой и средней степени интеграции.
• Диаметр пластины — 76мм и выше – для БИС и СБИС
2. Получение бездефектных кристаллов , т.к. любая даже
внутренняя дислокация может выйти на поверхность и
нарушить работу отдельных элементов и всей схемы в
целом.
3. Получение гладкой поверхности, обработанной по 14
классу. Химическая полировка, уничтожая неровности,
может создать ямки травления.

53.

Применение кремния
• Кремний — основной материал при изготовлении
планарных транзисторов и ИС.
• Выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды.
Кремниевые выпрямительные плоскостные диоды
могут выдерживать обратные напряжения до 1500В и
пропускать ток до 1500А, превосходя по этим
параметрам германиевые диоды.
• Фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды.
Фотоэлементы из кремния используются в солнечных
батареях.
• Кремний, как и германий, используется для
изготовления датчиков Холла и тензодатчиков
(приборах, использующих сильную зависимость
удельного сопротивления от механических деформаций)

54.

Монокристалл кремния

55.

Полупроводниковая пластина

56.

Полупроводниковые соединения.
Наиболее часто используемые
соединения:
•АIVВIV — SiC – карбид кремния.
•АIIIВV – GaAs – арсенид галлия, GaP, InP
– фосфиды галлия и индия, InSb –
антимонид индия, InAs — арсенид индия.
•Оксидные полупроводники.
Окислы – соединения, в которых обычно
присутствует ионная связь закись меди
Cu2O , окись цинка ZnO, окись марганца
Mn 3O4.

57.

Карбит кремния
•Химическая связь SiC – ковалентная, т.е.
высокая температура плавления, высокая
термостойкость и твердость.
•Чистый SiC — бесцветный, по цвету можно
определить наличие примесей и % соотношение
Si и C.
•Элементы 5 группы – азот, фосфор, арсенид,
сурьма, висмут и железо дают зеленую окраску и
электропроводность n-типа.
•Элементы 2 группы – кальций, магний, и 3
группы – бор, алюминий, галлий, индий –
голубую и фиолетовую окраску (в толстых слоях
– черную) и электропроводность p-типа.

58.

Карбит кремния
Параметры карбида кремния :
∆Е=2,8 – 3,1 эВ,
μn=0.3 [м2/В*сек], μр= 0,02 [м2/В*сек]
Достоинства карбида кремния:
•- высокая стабильность параметров,
•- почти полное отсутствие старения, поэтому
используется в качестве световых эталонов и
опорных источников света в измерительных
устройствах.
•В ювелирных изделиях «муассанит» похож на
алмаз.

59.

Кольцо с синтетическим муассанитом

60.

Арсенид галлия (GaAs)
• Получение — метод Чохральского — реакция синтеза из
высокочистого мышьяка и галлия. Трудности — высокая
летучесть мышьяка (много дефектов в структуре).
Параметры арсенида галлия:
∆Е=1,424 эВ,
μn=0.85 [м2/В*сек], μр= 0,04 [м2/В*сек]
Достоинства арсенид галлия
• Широкий рабочий диапазон температур.
• Частотный диапазон до 1010 Гц.
• Высокая плотность упаковки (ρ = 107 Ом*м).
• Малые шумы на высоких частотах.
• Высокая радиационная стойкость (выше чем у кремния)
– космические солнечные батареи

61.

Арсенид галлия (GaAs)
Недостатки арсенид галлия
• Невысокую теплопроводность (в 3,5 раз меньше чем у Si)
•Высокая активность в расплавленном состоянии
(в качестве контейнерного материала
используют синтетический кварц).
•Пластины из арсенида галлия очень хрупкие.
Применение арсенид галлия
Светодиоды, туннельные диоды, диоды Ганна,
лазеры, полевые транзисторы, солнечные
батареи и др.

62.

Основные параметры п/п и
соединений типа АIIIВV
, оС
Езз, эВ
при 300о К
μn , м2/(В·с)
при 300о К
μp , м2/(В·с)
при 300о К
Ge
937
0,67
0,39
0,19
Si
1417
1,12
0,13
0,048
GaP
1450
2,25
0,011
0,0075
InP
1062
1,29
0,46
0,15
GaAs
1237
1,43
0,85
0,043
InAs
942
0,36
3,3
0,046
InSb
525
0,17
7,7
0,08
Соединение
Тпл

63.

Оксидные полупроводники
Закись меди Cu2O . Ионный кристалл Решетка
кубическая. Дырочная проводимость
Cu2O – вещество красно-малинового цвета.
Электропроводность очень сильно зависит от
примесей и термической обработки.
Параметры:
∆Е=1,56 эВ, μр= 0,005 [м2/В*сек], Тпл = 12320 С
Применение:
полупроводниковые выпрямители и
фотоэлементы.

64.

Оксидные полупроводники
Окись цинка ZnO. Ионный кристалл Решетка
кубическая. ZnO является полупроводником nтипа.
Параметры:
∆Е=3,2 эВ, μn=0.05 [м2/В*сек]
Применение:
полупроводниковые выпрямители, варисторы и
фотоэлементы.

65.

Оксидные полупроводники
Окись марганца Mn 3O4. Ионный кристалл.
Решетка кубическая.
Особенностью Mn 3O4 является резко
выраженная зависимость удельного
сопротивления от температуры, поэтому этот
материал как правило, используют при
изготовлении терморезисторов с резко
выраженным отрицательным ТКR (1 – 8) 10-2
1/град.