ПРОСТЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Германий
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.
Кристаллический германий – твердый, хрупкий материал с характерным металлическим блеском. Кристаллизуется в виде кубической решетки типа алмаза. Ширина запретной зоны при комнатной температуре =0.75эВ, при температуре 300К =0.67эВ. Рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия не превышает 80°С. Концентрация собственных носителей заряда ni=2.5×1019 м-3. Собственное удельное электрическое сопротивление =0.68Ом×м. Электропроводимость германия зависит от температуры. При низких температурах (Т<5.4К) и высоких давлениях (Р>11ГПа) германий переходит в сверхпроводящее состояние.
При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная с температуры 1100°С - падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5 - 6%.
Для производства полупроводниковых приборов используют германий электронного и дырочного типов с определенным удельным электрическим сопротивлением. Тип проводимости и удельное электрическое сопротивление германия определяется количеством введенных в исходный материал примесей. Монокристаллический германий различных марок, легированный сурьмой, мышьяком, галлием и золотом, обладает удельным электрическим сопротивлением от 0,0004 до 45 Ом×м. Легирующие примеси вводят в определенных количествах в рабочий объем расплавленного поликристаллического германия перед выращиванием монокристаллов.
Германий легируют нейтральными, донорными, акцепторными и создающими глубокие энергетические уровни примесями.
Нейтральные примеси не меняют тип электропроводности полупроводникового материала и количество носителей заряда в нем. К нейтральным примесям германия относят инертные газы, азот и аргон и элементы IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: кремний, свинец, олово.
Основными акцепторными примесями в германии являются элементы III группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: галлий, индий, алюминий.
Донорные уровни в германии создают элементы V группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева: мышьяк, сурьма, висмут, фосфор, а также элемент I группы - литий.
Глубокие энергетические уровни в запретной зоне германия образуют многие элементы I, II, VI, VII и VIII групп Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Однако растворимость этих элементов, как правило, значительно меньше растворимости акцепторов и доноров.
Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности, умножения двух величин в приборах вычислительной техники и т.д. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров.
Рабочий диапазон температур германиевых приборов от -60 до +70 °С, при повышении температуры до верхнего предела прямой ток, например у диодов, увеличивается почти в два раза, а обратный - в три раза. При охлаждении до - (50 - 60)°С прямой ток падает на 70 - 75%. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.
Использование монокристаллических слитков германия в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем связано с большими потерями материала при механической обработке (резке слитков на пластины, шлифовке и полировке пластин). Поэтому широко применяют эпитаксиальные пленки германия, которые получают осаждением монокристалического германия в виде монокристаллических пленок на подложки из различных материалов (германий, кремний, кварц, сапфир).
Кремний
Кремний является элементом IV группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева. После кислорода это самый распространенный элемент в земной коре. Он составляет примерно 1/4 массы земной коры. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается. Его соединениями являются такие распространенные природные материалы, как кремнезем и силикаты. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния.
Из соединении кремний получают несколькими способами. Чаще всего используют метод восстановления четыреххлористого кремния SiCl4 парами цинка или водорода.
В технологическом отношении кремний более сложный материал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавления 1414°С и в расплавленном состоянии химически активен (вступает в реакцию со всеми материалами, из которых изготавливают тигли).
Кристаллический кремний - темно-серое твердое и хрупкое вещество с металлическим блеском, химически довольно инертное.
Основной параметр полупроводниковых приборов - ширина запретной зоны при температуре 20°С W=1,12 эВ. Это позволяет создавать кремниевые полупроводниковые приборы с относительно высокой рабочей температурой (до 125°С). Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает 200 °С.
Концентрация собственных носителей зарядов при комнатной температуре ni= 3×1016м-3. Удельное электрическое сопротивление кремния с собственной электропроводностью = 2,3×103Ом·м, резко уменьшается при увеличении концентрации примесей. При низких температурах (Т<6,7 К) и высоких давлениях (Р>12 ГПа) кремний переходит в сверхпроводящее состояние, т.е. удельное электрическое сопротивление кремния уменьшается до нуля.
При использовании монокристаллического кремния в полупроводниковом производстве имеют место большие потери этого материала. Это связано с тем, что большинство полупроводниковых приборов основано на процессах, происходящих в очень узких граничных или поверхностных слоях полупроводника. Остальной объем монокристалла является паразитной частью и чаще всего ухудшает параметры прибора. Большая часть материала теряется при механической обработке слитков (резке на пластины, шлифовке, полировке и т.д.).
С целью уменьшения этих потерь в полупроводниковом производстве применяют кремний в виде монокристаллических тонких слоев, которые осаждают на объемные монокристаллы, которые называют подложками.
Такие монокристаллические слои, сохраняющие кристаллографическую ориентацию подложки, называют эпитаксиалъными. В качестве подложек используют монокристаллы кремния, сапфира, корунд и др.
В зависимости от характера влияния на тип электропроводности примеси делят на нейтральные, донорные, акцепторные и создающие в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни.
К нейтральным примесям кремния относят водород, азот, инертные газы, а также элементы IV группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева (германий, олово, свинец).
Основными донорными примесями являются элементы V группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут).
В качестве акцепторной примеси для кремния в основном используют элементы III группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева (бор, алюминий).
Элементы I,II,VI,VII гpyпп создают в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни и могут быть донорами и акцепторами. В качестве таких примесей чаще всего применяют золото и цинк. При легировании золотом в кремнии образуются дополнительные центры рекомбинации носителей заряда, что уменьшает время жизни неравновесных носителей заряда.
Легирование кремния производят в процессе получения объемных монокристаллов и эпитаксиальных пленок.
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Дата добавления: 2015-11-12; просмотров: 1515;