Электропроводимости полупроводников

Оба типа электропроводности полупроводников представляют собой реальные физические процессы, в чем легко убедиться при помощи опытов.

Рис. 4.10 поясняет сущность метода определения типа электро­проводности (р или п) испытуемого полупроводника по изменению знака поперечной э. д. с. Холла. Если поместить пластину из полупроводника во внешнее поперечное магнитное поле Н и при­ложить в направлении длины ее разность потенциалов, создающую электрическое поле Е, то вследствие смещения движущихся носи­телей заряда к одной из граней пластинки возникает поперечная э. д. с., измеряемая вольтметром V. (Направление смещения заря­дов определяется по правилу трех пальцев левой руки, относя­щемуся к техническому направлению тока). Из рис. 4.10 видно, что при изменении типа электропроводности меняется и направление отклонения указателя вольтметра.

Тип р

Тип n

Рис. 4.10. Определение типа электропроводности полупро­водников

при помощи эффекта Холла

 

Рис. 4.11. Определение типа электропроводности полупро­водников при помощи нагрева одного из концов испытуемого полупроводника

Другой метод состоит в нагреве одного конца испытуемого полупроводника, как показано на рис. 4.11. При этом, если испытывается полупроводник типа р, то в нагретом конце, за счет затраты внешней тепловой энергии, большее число электронов будет переброшено из заполненной зоны на акцепторные уровни примесей по сравнению с холодным концом. Из горячего конца в холодный начнется диффузия дырок, и он окажется заряженным отрицательно по отношению к холодному концу.

В случае испытания полупроводника типа п в горячем конце за счет затраты внешней тепловой энергии будет освобождено большее число электронов, чем в холодном конце, и они начнут путем диффузии распространяться к холодному концу, где их в свободном состоянии было меньше. Вследствие ухода электронов горячий конец зарядится положительно, а холодный — отри­цательно.

 

 

ПРОСТЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Германий Ge

В 1870 г. существование германия и его основные свойства были предсказаны Д.И. Менделеевым в описании элемента эка-силиция. Это предсказание подтвердил в 1886 г. немецкий химик К.Винклер, обнаружив эка-силиций в минеральном сырье и назвав его гер­манием в честь своей родины.

В земной коре содержание германия невелико и составляет при­мерно 0,001%. Германий почти не имеет своих руд. Единственная руда германид содержит меди, железа и цинка гораздо больше, чем германия. В ничтожных количествах (0,01...0,5%) германий содер­жится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Он рассеян в силикатах, сульфидных минералах, а также в минера­лах, представляющих собой сульфасоли. Большое количество германия (до 100 г/т) содержат бурые сорта угля.

Получают германий в результате сложного технологического процесса из продуктов сгорания бурого угля. Окончательным про­дуктом этого процесса является монокристаллический германий в виде слитков. Технологический процесс получения монокристал­лического германия состоит из следующих основных процессов:

- получение тетрахлорида германия и его очистка (тетрахлорид германия GeCl₄ образуется в процессе хлорирования и солянокислотной обработки исходного сырья);

- гидролиз тетрахлорида германия и получение из него двуокиси германия GeO₂ (после очистки тетрахлорид германия дальнейшим окислением переводят в двуокись германия, которая представляет собой порошок белого цвета);

- восстановление двуокиси германия водородом (двуокись герма­ния восстанавливают в среде водорода при температуре 650...700°С до элементарного поликристаллического германия в виде порошка серого цвета; поликристаллический порошковый германий получа­ют также непосредственно из тетрахлорида германия GeCl4 методом разложения этого соединения в атмосфере паров цинка при высо­кой температуре);

- получение поликристаллического слитка и его очистка от приме­сей зонной плавкой. Содержание примесей в поликристаллическом германии велико, поэтому он не пригоден для непосредственного употребления в полупроводниковом производстве; германий с соб­ственной проводимостью должен содержать примесей до 10¹⁹ м

- выращивание из расплавленного поликристаллического герма­ния слитка монокристалла германия, для получения монокристал­лического германия используют метод зонной плавки и вытягива­ние из расплава.

 

 

Метод зонной плавки

 

Рис. 4.11. Устройства для зонной плавки (1 – кварцевая трубка, 2 – витки контура высокочастотного генератора, 3 – слиток очищаемого германия, 4 – графитовая лодочка, 5 – каретка,, на которой укреплены витки, 6 – зоны плавления)

 

При зонной плавке слиток германия 3 обычно помещают в графи­товую лодочку 4, заключенную в кварцевую трубу 7, по которой непрерывно проходит инертный газ (рис. 4.11). При помощи витка высокочастотного контура 2 получают узкую зону плавления 6, которая медленно перемешается вдоль очищаемого образца, так как виток двигается вместе с каретой 5.

Для ускорения процесса очистки используется не один виток, а несколько, что эк­вивалентно нескольким по­следовательным очисткам при одном нагревателе. В герма­нии в небольших концентра­циях обычно присутствуют Ni, Ca, Cu, Mn, As, Fe, Si. Большинство примесей обладает большей растворимостью в жидкой фазе германия, чем в твер­дой, и уносится с расплавленной зоной. Поэтому в результате очи­стки примеси концентрируются у одного конца слитка, от которого затем отрезается загрязненная часть длиной 20—25 мм. Удельное сопротивление в остальной части слитка после многократного прохождения его расплавленными зонами может быть выше 0.5 Ом×м. Удельное сопротивление германия зависит от концентрации носителей, определяемой степенью очистки.