Основные сведения о полупроводниках. Классификация полупроводников

К полупроводникам относятся твердые тела с удельным электрическим сопротивлением от 10^-6 до 10⁸ Ом∙м и шириной запрещенной зоны менее, чем 2÷3 эВ Проводимость полупроводников в сильной степени зависит от структуры вещества, вида и количества примеси, а также от внешних условий: температуры, освещения, облучения частицами высоких энергий и т.д. В полупроводниках, как правило, ток переносится электронами (коллективное движение электронов в валентной зоне описывается с помощью понятия дырок). Количество полупроводников велико. К ним относятся:

1. Простые вещества (элементарные полупроводники): бор B, кремний Si, фосфор Р, сера S, германий Ge, мышьяк As, серое олово a-Sn, селен Se, теллур Te. Из элементарных полупроводников для создания полупроводниковых приборов используются кремний, германий и селен.

2. Химические соединения:

а) A^IV B^IV – соединение элемента IV группы с другим элементом IV группы (практическое применение имеет карбид кремния SiC, из него изготовляют светодиоды желтого цвета свечения);

б) A^III B^V - соединения элементов Ш и V групп периодической системы: GaAs, GaР, InSb, и т.д. Наибольшее применение из них имеет арсенид галлия GaAs;

в) A^II B^VI - соединения элементов II и VI групп: CdS, CdSe, CdTe, ZnS (как правило, используются их фоточувствительные или люминесцентные свойства).

Наибольшее применение в настоящее время имеет кремний. Из него изготовляют примерно 95% всех полупроводниковых приборов и микросхем. Так было не всегда. После изобретения транзистора первые полупроводниковые триоды изготовляли из германия. Сейчас германиевая технология уступила позиции кремниевой, и германий стал вторым по значению полупроводниковым материалом. В настоящее время расширяется применение арсенида галлия (GaAs), и можно ожидать, что в ближайшем будущем арсенид галлия станет не менее значимым для практики материалом, чем германий. Кремний, германий, арсенид галлия кристаллизируются в кубических решетках: Si и Ge в решетке типа алмаза, GaAs – в решетке типа сфалерита (цинковой обманки). Атомы удерживаются в решетке ковалентными связями, каждый атом имеет такие связи с четырьмя соседними атомами.

Полупроводниковая электроника сейчас настолько широко вошла в нашу жизнь, что трудно понять, почему на полупроводники так долго не обращали должного внимания. Этот класс веществ был известен уже давно, а явление фотопроводимости селена было открыто в 1873 году, т.е. более ста лет назад. Причина такого положения заключалась в отсутствии достаточно чистых полупроводниковых материалов. А если чистота недостаточна, то полупроводники не имеют свойств, необходимых для создания приборов. Осознание необходимости получения сверхчистых веществ пришло значительно позднее. Сейчас для использования в полупроводниковых приборах получают материалы очень высокой степени чистоты. Встречающееся иногда выражение: “Собственный полупроводник - это химически чистый полупроводник" - является не вполне корректным. "Химически чистое вещество" (с точки зрения полупроводниковой технологии) - еще очень грязное вещество. С этого этапа только начинается специфическая физико-химическая очистка. Она заключается в многократной кристаллизации; при кристаллизации большая часть примеси остается в расплаве. После физико-химической очистки достигается так называемая полупроводниковая чистота. Её обычно характеризуют "числом девяток" - пять или шесть девяток. Это значит, что содержание основного вещества составляет 99,999% или 99,9999% (химическая очистка дает не более трех девяток). Помимо требований к чистоте полупроводниковая технология включает и требования к совершенству монокристаллов.