Кристаллические полупроводниковые материалы

Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.

Развитие полупроводниковой опто- и микроэлектроники привело к широкому использованию полупроводниковых соединений. Взаимодействие различных соединений друг с другом приводит к образованию твердых растворов, что дает возможность путем изменения состава раствора получать материалы с наперед заданными свойствами.

Элементарные полупроводники: Ge, Si, С (алмаз и графит), В, α-Sn (серое олово), Те, Se. Важнейшие представители этой группы - Ge и Si имеют кристаллическую решетку типа алмаза (алмазоподобные). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твердых расплавов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.

Соединения типа A^IIIB^V элементов III и V группы периодической системы имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решетке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава), обладают достаточно узкой областью гомогенности, т.е. интервалом составов, в котором в зависимости от параметров состояния (температуры, давления и др.). Тип дефектов может меняться, а это приводит к изменению типа проводимости (n, р) и зависимости удельной электрической проводимости от состава. Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, GaN, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP, AlAs -- непрямозонные полупроводники. Многие полупроводниковые материалы типа А^IIIВ^V образуют между собой непрерывный ряд твердых расплавов - тройных и более сложных (Ga_xAl_1-xAs, GaAs_xP_1-x, Ga_xIn_1-xP, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y и т.п.), также являющихся важными.

Соединения элементов VI группы (О, S, Se, Те) с элементами I-V групп периодической системы, а также с переходными металлами. В обширной группе этих полупроводниковых материалов наибольший интерес представляют соединения типа A^IIB^VI с кристаллической структурой типа сфалерита или вюрцита, реже типа NaCl. Связь между атомами в решетке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45-60%). Имеют большую, чем у полупроводниковых материалов типа A^IIIB^V, протяженность области гомогенности. Для соединений типа A^IIB^VI характерен полиморфизм и наличие политипов кубической и гексагональной модификаций. Они являются в основном прямозонными полупроводниками. Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов - CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Многие соединения типа A^IIB^VI образуют между собой непрерывный ряд твердых расплавов, характерными представителями которых являются Cd_xHg_1-xTe, Cd_xHg_1-xSe, CdTe_xSe_1-x. Физические свойства соединений типа A^IIB^VI в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.

Тройные соединения типа A^IIB^IVC^V₂ кристаллизуются в основном в решетке халькопирита. Обнаруживают магнитное и электрическое упорядочение. Образуют между собой твердые расплавы. Во многом являются электронными аналогами соединений типа А^IIIВ^V. Типичные представители: CuInSe₂, CdSnAs₂, CdGeAs₂, ZnSnAs₂.

Карбид кремния SiC - единственное химическое соединение, образуемое элементами IV группы. Обладает полупроводниковыми свойствами во всех структурных модификациях: β-SiC (структура сфалерита); α-SiC (гексагональная структура), имеющая около 15 разновидностей. Один из наиболее тугоплавких и широкозонных среди широко используемых полупроводниковых материалов.