ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1.1. Классификация полупроводников. Внутренняя структура, природа проводимости, типы носителей заряда, температурные зависимости.

Полупроводники при комнатной температуре занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, имея удельное сопротивление  =10-6 … 10-9 Ом•м. Особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного сопротивления от факторов внешней среды – температуры и наличия внешних излучений, что объясняется достаточно узкой шириной запрещенной зоны - з = 0.1 … 3 В.
Полупроводникам соответствует смешанный тип химических связей – ионно – металлический, ковалентно – металлический, которые дают возможность при внесении внешней энергии разорвать эти связи и обеспечить проводимость полупроводника.
Классификация полупроводников по химическому составу:
- простые полупроводники: германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te, углерод C, бор B, фосфор P, сера S и др.;
- окислы и сульфиды металлов: NiO, Cu2O, CuO, CdO, PbS и др.;
- тройные соединения: CuSbSr, CuFeSe2, PbBiSe3 и др.,
- твердые растворы GeSi, GaAs и др.;
- органические полупроводники.
По атомной структуре полупроводники могут быть кристаллическими либо аморфными, по агрегатному состоянию – жидкими либо твердыми. Также полупроводники классифицируются по типу электропроводности – собственные (с собственной проводимостью, i - типа), с электронной проводимостью (донорные, p - типа) и с дырочной проводимостью (акцепторные, n - типа).
Характерными особенностями полупроводников являются:
- стабильность свойств;
- управляемость свойствами путем изменения структуры (дефекты кристаллической решетки) и химического состава (введение примесей);
- сохранение свойств в тонкопленочном состоянии при толщине пленки до 70 Å и длине до 150 Å (1 Å(ангстрем) = 10-10м соответствует межатомному расстоянию);
- малое энергопотребление (напряжения питания полупроводниковых приборов м.б. снижены до 0.7 … 1В, рабочие токи – от 10-9А – логический ноль до 10-4А – логическая единица);
- дают возможность преобразования видов энергии: световой, радиационной, тепловой – в электрическую, и наоборот;
- не стареют;
- много сырья в природе (кремний составляет 28% земной коры);
- полупроводниковые приборы при заданных условиях эксплуатации надежны и долговечны;
- эксплуатация и утилизация, а также отдельные технологии производства полупроводников не загрязняет окружающую среду.
Важнейшими параметрами полупроводников являются:
- удельное электрическое сопротивление ;
- концентрации носителей заряда – электронов и дырок ;
- температурный коэффициент удельного сопротивления ;
- ширина запрещенной зоны ;
- энергия активации примесей ;
- работа выхода электрона;
- коэффициент Холла;
- коэффициенты диффузии электронов и дырок
Важным технологическим требованиям к полупроводниковым материалам является химическая чистота. Так, для получения работоспособных полупроводниковых приборов на базе германия доля примесей не должна превышать 0.000001%.
Носителями тока в полупроводниках являются свободные электроны и дырки. В собственном полупроводнике (без примесей) конццентрации электронов и дырок равны, так как электроны и дырки возникают только парами при распаде нейтрального атома полупроводника. Для образования электронно – дырочной пары необходимо затратить энергию, называемую энергией ионизации. При наличии в полупроводнике примесей других валентностей возможно создание отдельно электрона или дырки, при этом проводимость, создаваемая такими носителями, будет называться примесной (донорной или акцепторной в зависимости от валентности примеси – V или III, и от преобладания электронов либо дырок ).
Электропроводность полупроводников состоит из электронной и дырочной составляющих и рассчитывается по уравнению проводимости:

(3.2)
где Gn – электронная проводимость, 1/Омм;
Gp – дырочная проводимость, 1/Омм;
n - подвижность электронов, см /B•c;
p - подвижность дырок, см /B•C.
q – заряд электрона (или заряд дырки),1.60110-19Кл.
Для собственного полупроводника концентрация носителей определяется шириной запрещенной зоны и зависит от текущей температуры:
,
(1.13)
где и - эффективные (средние по занятым уровням) плотности энергетических уровней в зоне проводимости и валентной зоне, м-3
Подвижность носителей заряда в полупроводнике – скорость, приобретаемая свободными электронами или дырками в электрическом поле единичной напряженности:
,
(1.13)
Подвижность дырок значительно меньше подвижности электронов из-за их большей массы. Подвижность носителей влияет на быстродействие полупроводниковых приборов.
Подвижность носителей заряда в полупроводниках обладает сильной температурной зависимостью, так как тепловое хаотическое колебание частиц мешает их упорядоченному движению. Причинами температурной зависимости подвижности является рассеяние носителей на тепловых колебаниях атомов и(или) ионов кристаллической решетки, на атомах и ионах примесей, на дефектах кристаллической решетки – вакансиях, дислокациях, трещинах и т.д. Температурная зависимость подвижности имеет вид
,
(1.13)
где , - коэффициенты – параметры полупроводника.
При низких температурах преобладает рассеяние на примесях (первое слагаемое знаменателя в формуле), а при высоких – рассеяние на тепловых колебаниях решетки (второе слагаемое). Зависимость подвижности от температуры приведена на рис. 1.х.
Удельная проводимость полупроводника зависит от температуры по следующему закону:
,
(1.13)
где - ширина запрещенной зоны собственного полупроводника (при собственной проводимости) или примеси (для примесной проводимости).
В полупроводниках носители заряда имеют конечное время жизни , определяемое средним временем между генерацией и рекомбинацией и рассчитываемое по формуле
,
(1.13)
где - средняя тепловая скорость носителей заряда,
- концентрация ловушек (носителей другого знака, дефектов решетки),
- сечение захвата.
Значения и для полупроводников находятся в диапазоне 10-16.. 10-2с и характеризует способность полупроводниковых приборов быстро переключаться.

ПП – Материалы с удельным сопротивление от 10 ^(-6) до 10 ^9 Ом/м, ширина запрещенной зоны от 0.1 до 3 эВ, тип химической связи -смешанный – ионно-металлическая и ковалентная связи.

Классификация по хим.составу:
1. Простые вещества (Si, Ge, Se, Te|| B, F, Al)
2. Оксиды и сульфиды металлов (CuO, CdO, PbS)
3. Три хим. элемента (CuSbSr, CaFeSe2)
4. Твердые растворы (GaAs, SiGe)
5. Органические вещества (нафталин)

Свойства полупроводников.
1. Стабильность параметров и свойств в различных условиях
2. Управляемость свойств изменением состава и структуры
3. Могут быть тонкопленочными, легко согласуются с другими материалами
4. Малое энергопотребление
5. Дают возможность преобразования видов энергии (электрической, тепловой, радиационной и др)
6. Не стареют
7. Много сырья в природе (кремния в земной коре – 28%)
8. Производство и эксплуатация не загрязняют окружающую среду
Для производства полупроводниковых приборов полупроводники должны быть чистыми (для Ge 99,99999%)
Основные параметры полупроводников.
1. Рисунок 36.
2. Зависимость подвижности от температуры объясняется рассеянием электронов
1) На тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки
Рисунок 37.
2) На атомах или ионах примесей
3) На дефектах решетки
4) .
Вырожденный полупроводник – проводник с концентрацией электронов больше критической. При достижении критической концентрации сопротивление удельное, подвижность и концентрация носителей практически перестают зависеть от температуры. Свойства вырожденного полупроводника – как у металлов.
3. Среднее время жизни носителей заряда.
Рисунок 38.
Vт – средняя тепловая скорость
N – концентрация ловушек (противоположная знаку носителей заряда)
S – сечение захвата
4. Средняя диффузионная длина

1.2. Основные эффекты в полупроводниках: выпрямления, усиления, генерации, туннельный, магнитосопротивления, фотоэффект, эффект Ганна, термоэлектрические явления
Основные эффекты в полупроводниках:
1. Выпрямительный

Рисунок 39.
2. Эффект усиления
3. Эффект Холла

Рисунок 40.
Возникновение ЭДС Холла на гранях полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле.
Применяется в датчиках Холла, для измерения силы тока, магнитной индукции, напряженности магнитного поля, мощности тока, можно определять тип полупроводника.
4. Эффект Ганна
Эффект сильного поля, заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на пп поля высокой напряженности.
Применение: СВЧ генераторы, приборы с данным эффектом обладают n – образной ВАХ.
Рисунок 41.
5. Фотоэффект
Изменение концентрации носителей пп под воздействием света.

Рисунок 42.
Лямбда – минимальная длина волны, необходимая для возбуждения фотопроводимости
W – энергия ионизации собственных атомов или атомов примеси.
Применение: датчики оптических величин. Наиболее чувствительные – CdS, PbS, Si.
Рисунок 43.
6. Термоэлектрические явления – появление термоЭДС в пп и Ме под действием разности температур в разных областях вещества.
1) Эффект Зеебека – Пельтье – появление ЭДС между областями проводника с разной температурой. Преимущество перед Ме – рисунок 44. Применяются в датчиках температуры.
2) Эффект Пельтье – поглощение или выделение теплоты в месте соединения пп, по которым проходит электрический ток. Применение: термостаты и холодильники для научных исследований.
7. Туннельный – возможность выполнения прямых переходов между зоной проводимости и валентной зоной в сильных электрических полях. Прямой переход – без изменения энергии носителя. Применение: туннельные диоды.
Рисунок 45.
8. Эффект магнитосопротивления – уменьшение электропроводности пп под действием магнитного поля. Применение: головки чтения записи магнитных лент.

1.3. Простые полупроводники: кремний, германий, селен, теллур.
1. Ge
1) Открыт в 1886 году. В 30х годах стал использоваться в диодах. В земной коре мало (получают из золы угольных ТЭС)
2) Кристаллическая решетка типа «алмаз»
3) Диэлектрическая проницаемость – 16
4) фиЗ = 0.75 эВ
5) n0 = 2,5 е19
6) ро = 0,47…0,6
7) Тпл = 937 град С
8) Траб = -60…+70 град С
9) Марки материалов: ГДГ – германий дырочный с германием, ГЭС – германий электронный с сурьмой
10) Применение: реже транзисторы, диоды, датчики Холла, темзодатчики, оптические датчики, счетчики Гейгера.
2. Si
1) В земной коре – 28%, сырье – кремнизем, селикаты
2) Эпсилон = 12,5
3) фиЗ = 1, 116
4) 1,5е16
5) 2,3е-3
6) 1417 град С
7) До 150 град С
8) Марки: КЭФ, КДБ
3. Se
1) Бета селен
2) 63
3) 1,79
4) 10^15
5) 10^3
6) 2700 град С
7) До 400 град С
8) Допускается примесей до 0,008%
9) Бывает только п –типа
10) При увеличении Т собственная концентрация носителей снижается
11) Применение: выпрямители
4. Te – теллур
1) фиЗ =0,35
2) применение: датчики, термоэлектрические генераторы

1.4. Неорганические полупроводниковые соединения, их параметры, область применения
SeC – карборунд
1) фиЗ = 2,8…3 эВ
2) Траб = до 700 град С - пп
3) Не окисляется до 1400 град – нагревательный элемент
4) Применение: вористоры – ОПН ограничители, высокотемпературные диоды и транзисторы, счетчики Гейгера, селитовые стержни для нагревательных элементов.
GaP
1) фиЗ = 2,25 эВ
2) применение: светодиоды
GaAs
1) фиЗ = 1,7 эВ
2) применение: все виды приборов на пп
InSb – антемонит индия
1) 0,17 эВ
2) Применение: датчики
Оксиды меди
1) 1,7 эВ
2) Применение: выпрямители
4.05.11

1.5. Органические и аморфные полупроводники. Эффекты переключения и памяти.
В аморфных пп атомы расположены не хаотично, а с некоторой упорядоченностью, хотя и меньше, чем в кристаллах. Поэтому подвижность зарядов низкая. Создать п-н переход невозможно.
Применение: датчики температуры, освещенности, давления.
Эффекты: на высоких частотах ведут себя как индуктивности; возможно создание микроиндуктивности. Эффект переключения – резкое на 5-6 порядков уменьшение сопротивления пп под действием электрического поля.
Рисунок 46.
Время переключения: 10^-7 сек.
Эффект памяти – уменьшение сопротивления пп под действием электрического поля. Возвращение к исходному сопротивлению происходит к подаче поля обратной полярности.
Рисунок 47.

1.6. Технологии получения полупроводниковых материалов
Доля брака при производстве пп приборов зависит от степени очистки, структуры исходного пп и степени легирования.
Технология очистки пп.
1. Превращение технического кремния в летучее соединение.
2. Очистка газа химическими методами.
3. Очистка соединения физическими методами.
4. Восстановление соединения в жидкую или твердую фазу.
5. Выделение чистого кремния.
6. Очистка с помощью зонной плавки. Рисунок 49.
7. Выращивание монокристаллов (методом Чохральского) Рисунок 48.

1.7. Перспективные направления развития полупроводников. Современные и перспективные технологии изготовления полупроводниковых электронных изделий