Общие сведения и классификация полупроводниковых материалов.

Полупроводники – материалы (кристаллы, поликристаллические и аморфные материалы, элементы или соединения) с существованием запрещенной зоны (между зоной проводимости и валентной зоной). Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности между металлами и диэлектриками; Электропроводность полупроводников падает при понижении температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая

чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей. Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твёрдые, аморфные и жидкие. По химическому составу полупроводниковые материалы делят на простые вещества (атомные, элементарные полупроводники – германий, кремний, теллур и др.) и химические соединения различных типов. Уникальные свойства полупроводниковых материалов обусловили широкое техническое применение их для изготовления самых различных приборов – полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, а также датчиков давлений, магнитных полей, температур, излучений и др. Использование полупроводников вызвало коренные преобразования в

радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Полупроводниковая электроника открыла новые пути микроминиатюризации различного электронного оборудования.

36) Собственный полупроводник – это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов. Собственные полупроводники не содержат легирующие примеси; к ним относятся высокой степени чистоты простые полупроводники: кремний, германий, селен, теллур и многие полупроводниковые химические соединения. Примесными полупроводникам называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на электронные и дырочные. Примесные полупроводники всегда содержат донорную или акцепторную примесь. В производстве полупроводниковых приборов приместные полупроводники используют чаще, поскольку в них свободные носители заряда образуются при более низких температурах, которые отвечают рабочему интервалу температур полупроводникового прибора. Электропроводность собственных полупроводников. В собственных полупроводниках при

достаточности тепловой энергии решетки или в результате внешнего энергетического воздействия электрон перейдет из валентной зоны в зону

проводимости и станет свободным. Необходимая для этого перехода энергия определяется шириной запрещенной зоны. С уходом электрона в зону проводимости в валентной зоне остается свободным энергетический уровень, называемый дыркой, а сама валентная зона становится не полностью заполненной. Электрон имеет отрицательный заряд, дырку принято считать положительно заряженной частицей, численно равной заряду электрона. Таким образом, в кристалле образуется пара свободных носителей заряда – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне, которые и создают собственную электропроводность полупроводника, тип которой электронно-дырочный.

Электропроводность примесных полупроводников.

В примесных полупроводниках атомы примеси либо поставляют электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимают их с уровнем валентной зоны. Эти переходы электронов осуществляется при существенно меньших затратах энергии, которые требуются электронам для преодоления потенциального барьера в виде запрещенной зоны полупроводника. Поэтому эти виды переходов в примесных полупроводниках являются основными, доминирующими над переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Атомы примеси, размещаясь в запрещенной зоне полупроводника, создают в пределах этой зоны дискретные энергетические уровни либо у нижнего ее края вблизи к валентной зоне, либо у верхнего, вблизи к зоне проводимости. Вследствие своей малой концентрации атомы примеси располагаются в решетке полупроводника на очень больших расстояниях друг от друга, поэтому между собой не взаимодействуют.

Акцепторная примесь.

Примесь - это вещество входящее в состав другого. Виды примеси. Примесь в зависимости от ее влияния на тип электропроводности полупроводникового материала различают: акцепторную, донорную, амфотерную, а по месту внедрения ее атомов в кристаллическую решетку полупроводника – на примесь замещения и внедрения. Акцепторная примесь - примесь в полупроводнике, ионизация которой сопровождается захватом электронов из валентной зоны или с донорной примеси. Типичный пример акцепторной примеси - атомы элементов III группы (В, Al, Ga, In) в элементарных полупроводниках IV группы -Ge и Si. В сложных полупроводниках акцепторными примесями могут быть атомы электроотрицательных элементов (О, S, Se, Те, Сl и др.), избыточные но отношению к составу, отвечающему стехиометрической формуле. Введение акцепторной примеси сообщает данному полупроводнику дырочную проводимость, ионизация акцепторной примеси приводит к появлению дырок в валентной зоне, что описывается как переход электрона из валентной зоны на уровень акцепторной примеси, расположенный в запрещенной зоне. Акцепторная примесь характеризуется энергией, необходимой для такого перехода (энергией ионизации акцепторной примеси ). Акцепторная примесь с энергией ионизации порядка тепловой энергии kT (мелкие акцепторные примеси) описываются водородоподобной моделью. Энергия ионизации такой акцепторной примеси в раз меньше энергии ионизации атома водорода 10 эВ ( - диэлектрическая проницаемость полупроводника, m₀ - масса свободного электрона, m* - эффективная масса дырок)

порядка 10-100 МэВ.

39) Донорная примесь (Д.п.) - примесь в полупроводнике, ионизация которой приводит к переходу электрона в зону проводимости или на уровень акцепторной примеси. Типичный пример Д. п.- примеси элементов V группы (Р, As, Sb, Bi) в элементарных полупроводниках IV группы - Ge и Si. В сложных полупроводниках роль Д. п. могут играть атомы электроположительных элементов (Сu, Zn, Cd, Hg и др.), избыточные по отношению к составу. Введение Д. п. сообщает полупроводнику электронную проводимость, поскольку ионизация Д. п. приводит к появлению электронов в зоне проводимости, что описывается как переход электрона в зону проводимости с донорного уровня, расположенного в запрещённой зоне. Д. п. характеризуется энергией, необходимой для такого перехода (энергией ионизации). Д. п. с энергией ионизации порядка тепловой энергии kT (мелкие примеси) описывается водородоподобной моделью. Учёт диэлектрических свойств полупроводника (характеризуемых его диэлектрической проницаемостью e) и отличие эффективной массы т* электронов проводимости от массы свободных электронов m0приводит к тому, что энергия ионизации Д. п. оказывается в e2m0/m* раз меньше энергии ионизации атома водорода (~10 эВ). При m*~0,l m0, e~10Ei ~10-3 Eат ~ 10 мэВ.

40) Примесь замещения. Рассмотрим роль примеси замещения на примере простого полупроводника кремния, являющегося элементом 4 группы таблицы Д. И. Менделеева и имеющего структуру алмаза. Химическая связь между атомами кремния ковалентная и осуществляется 4 валентными электронами. Если атом кремния в каком-либо узле решетки заместить атомом трехвалентного элемента, например бора, имеющего всего 3 валентных электрона, то у него для связи с соседними атомами кремния недостает 1 электрона, который заимствуется у атома кремния. При этом в решетке образуется дырка, которая под действием приложенного напряжения начинает перемещаться по направлению электрического поля, обуславливая электропроводность. Следовательно, для кремния трехвалентный бор является акцепторной примесью замещения. Если же атом кремния заместить атомом пятивалентного элемента, например мышьяка, то 4 его валентных электрона будут связаны с атомами кремния, а один окажется лишним. Этот 5 электрон не участвует в образовании химической связи в кристалле кремния. Он продолжает движение вокруг атома мышьяка, электрическое поле которого в кремнии ослаблено в 12,5 раза. Вследствие ослабления поля радиус орбиты этого электрона увеличивается в 12,5 раза, а энергия связи его с атомами мышьяка уменьшая примерно в 151 раз. Получив такую энергию, электрон отрывается от атома мышьяка и приобретает способность свободно перемещаться по кристаллу. Поэтому мышьяк для кремния является донорной примесью замещения. Роль примеси замещения в полупроводниковых химических соединениях играют не только чужеродные атомы, но также и собственные атомы.

41) Зависимость удельной электропроводности полупроводников от t.

Способность твердых тел пропускать электрический ток характеризуется их электрической проводимостью или электропроводностью. Величина обратная электропроводности называется удельным сопротивлением. Чем больше в твердом теле электронов, тем больше его электронная проводимость. К полупроводникам относятся вещества с полностью заполненной валентной зоной и не заполненной зоной проводимости при температуре абсолютного нуля, причем ширина разделяющей их запрещенной зоны может быть невелика (т.н. узкозонные полупроводники) или же достаточно большая (т.н. широкозонные полупроводники). Различают также собственные и примесные полупроводники. К собственным полупроводникам относят химически чистые полупроводники. Их электропроводность может возникнуть только в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны на нижние уровни зоны проводимости. Освобождение одного из уровней валентной зоны трактуется как возникновение подвижной дырки, в то время как занятие электроном уровня в зоне проводимости – как рождение свободного электрона.

Тепловым возбуждением этот процесс обычно реализуется только в узкозонных полупроводниках, в которых таким образом может одновременно существовать как электронная, так и дырочная электропроводность. В широкозонных полупроводниках носители тока не генерируются тепловым образом, и такие вещества адекватны диэлектрикам. Их электропроводность может быть реализована в основном только с помощью примесей. Проводящие свойства примесных полупроводников определяются вводимым в собственные полупроводники относительно малым количеством примесных атомов, которые могут быть либо донорами, либо акцепторами электронов. В первом случае доноры имеют собственный энергетический уровень электрона вблизи «дна» пустой при нулевой абсолютной температуре зоны проводимости, причем они легко отдают этот электрон в зону проводимости путем их теплового возбуждения, что и ведет к рождению свободного электрона. Во втором случае т.н. акцепторы – атомы, способные привязать к себе избыточный электрон, - отбирают этот в сущности валентный электрон от рядового атома кристаллической решетки, создавая в нем вакансию электрона, т.е. дырку, которая может перемещаться по объему, как положительно заряженная частица. Очевидно, чтобы это состоялось, необходимо наличие у примесного атома не занятого уровня энергии электрона, расположенного не далеко от «потолка» валентной зоны. Таким образом, в примесных широкозонных полупроводниках возможны чистая электронная, чистая дырочная или, наконец, смешанная электропроводность. При повышении температуры подвижность как электронов, так и дырок уменьшается за счет увеличения интенсивности тепловых колеба­ний кристаллической решетки, препятствующих направленному движению носителей. С другой стороны, с ростом температуры концентрации электронов в зоне проводимости и ды­рок в валентной зоне резко возрастают. Любой полупроводник является изолятором при температурах, близких к абсолютному нулю, так как валентная зона целиком заполнена электро­нами, а зона проводимости полностью лишена электронов. Электропроводность возникает только при конечной и достаточно большой абсолютной температуре.

42) Очистка кремния методом зонной плавки.

В технологии формирования полупроводниковых соединений применение метода зонной плавки позволяет совместить в одном технологическом цикле сразу три операции: синтез, глубокую очистку синтезированного соединения и выращивание из него монокристалла. Зонная плавка является одним из

наиболее эффективных методов глубокой очистки полупроводников. Идея метода связана с различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах полупроводника. Монокристалл получают из расплава, однако, перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла, а

только узкая зона, которая при перемещении вдоль кристалла втягивает в себя примеси. Различают вертикальную (ВЗП) и горизонтальную (ГЗП) зонные плавки. Кремний. Кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре; его содержание в ней около 29%. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается, а имеется только в соединениях и в солях кремниевых кислот. Технический кремний, получаемый восстановлением природного диоксида SiO2 (кремнезем) в электрической дуге между графитовыми электродами, широко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, трансформаторная сталь) и как раскислитель при производстве стали. Технический кремний представляет собой мелкокристаллический спек, содержащий около 1% примесей, и как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10-6%. Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции:

1) превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено;

2) очистка соединения физическими и химическими методами;

3) восстановление соединения с выделением чистого кремния;

4) конечная очистка кремния методом бестигельной зонной плавки;

5) выращивание монокристаллов.

Основная очистка кремния от примесей осуществляется химическими методами. Кристаллизационные методы имеют цель – превратить полукристаллический кремний, полученный химическим путем, в монокристаллы с определенными электрофизическими свойствами. Объемные кристаллы кремния выращивают методами выращивания из расплава и бестигельной вертикальной зонной плавки. Первый метод применяется, как правило, для получения крупных монокристаллов с относительно небольшим удельным сопротивлением. Второй метод используется для получения высокоомных монокристаллов кремния с малым содержанием остаточных примесей. Вертикальная бестигельная зонная плавка обеспечивает очистку кристаллов кремния от примесей и возможность выращивания монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода. Методом вертикальной бестигельной плавки в настоящее время получают кристаллы кремния диаметром до 100 мм. Кристаллы кремния получают путем введения при выращивании соответствующих примесей, среди которых наиболее часто используются фосфор и бор. Кристаллический кремний при комнатных температурах обладает невысокой реакционной способностью; он весьма устойчив на воздухе, покрываясь тонкой пленкой диоксида кремния. Кремний нерастворим в воде, не реагирует со многими кислотами. Хорошо растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящей щелочи. В настоящее время кремний является базовым материалом полупроводниковой электроники. Он используется как для создания интегральных микросхем, так и для изготовления дискретных полупроводниковых приборов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, отличающиеся малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, нашли особенно широкое применение в вычислительной технике и радиоэлектронике. Из кремния изготовляются различные типы полупроводниковых диодов.