Напівпровідникові матеріали
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Напівпровідникові матеріали

Напівпровідникові матеріали , напівпровідники, вживані для виготовлення електронних приладів і пристроїв. У напівпровідниковій електроніці використовують головним чином кристалічні П. м. Більшість з них має кристалічну структуру з координацією тетраедра атомів, характерною для структури алмазу .

загрузка...

  Значну роль в розвитку напівпровідникової техніки зіграв селен : селенові випрямлячі довгий час залишалися основними напівпровідниковими приладами, що отримали масове вживання.

  На початку 70-х рр. 20 ст найбільш поширені П. м. — кремній і германій . Зазвичай їх виготовляють у вигляді масивних монокристалів, легованих різними домішками. Леговані монокристали Si з питомим опором 10 -3 —10 4 ом × см отримують переважно методом витягування з розплаву (по Чохральському), а леговані монокристали Ge з питомим опором 0,1—45 ом × см отримують, крім того, зонною плавкою . Як правило, домішкові атоми V групи періодичної системи (Р, As і Sb) повідомляють кремнію і германію електронну провідність, а домішкові атоми III групи (У, Al, Ga, In) — діркову. Si і Ge зазвичай використовують для виготовлення напівпровідникових діодів, транзисторів, інтегральних мікросхем і т.д.

  Велику групу П. м. складають хімічні сполуки типа A III B V (елементів III групи з елементами V групи) — арсеніди, фосфіди, антімоніди, нітрид (Gaas, Inas, GAP, lnp, Insb, ALN, BN і ін.). Їх отримують різними методами виготовлення монокристалів як з рідкої, так і з газової фази. Синтез і вирощування монокристалів зазвичай виробляють в замкнутих судинах з високотемпературних хімічно інертних матеріалів, що володіють високою міцністю, оскільки тиск насиченої пари над розплавом таких елементів, як Р і As, порівняно велике. Домішки елементів II групи додають цим П. м., як правило, діркову провідність, а елементів IV групи — електронну. П. м. цієї групи використовують в основному в напівпровідникових лазерах, светоїзлучающих діодах, Ганна діодах, фотоелектронних помножувачах, як плівкові детектори випромінювання в рентгенівській, видимій і інфрачервоній областях спектру електромагнітних хвиль.

  П. м. типа A ii B vi з яких найширше застосовують з'єднання ZNO, ZNS, CDS, Cdse, Znse, Hgse, Cdte, Znte, Hgte, отримують переважно за допомогою хімічних реакцій в газовій фазі або сплавом компонентів. Питомий опір і тип провідності цих П. м. визначаються не стільки легуючими домішками, скільки характерними для них структурними дефектами, пов'язаними з відхиленням їх складу від стехіометричного (див. Стехиометрія ) . Використання П. м. цього типа пов'язане головним чином з їх оптичними властивостями і фоточутливістю. Тому їх застосовують в фоторезисторах, фотоелементах, електроннопроменевих приладах і приладах нічного бачення, модуляторах оптичного випромінювання (див. Модуляція світла ) і т.д.

  До П. м. відносять також деякі аморфні стеклообразниє халькогенідниє системи, наприклад сплави Р, As, Sb, Bi з Ge, S, Se, Te, і оксидні системи, наприклад V 2 O 5 — P 2 O 5 — R x O в , де R — метали I — IV груп, х — число атомів металу і в — число атомів кисню в оксиді. Їх використовують головним чином як оптичні покриття в приладобудуванні.

Таблиця деяких фізичних властивостей найважливіших напівпровідникових матеріалів

Елемент, тип соєдіне-
нія

Наїме-
нованіє матеріа-
ла

Ширіна забороненої зони, ев

Рухливість носіїв заряду, 300 K, см 2 /(у × сік )

Крістал-лічеськая структура

Постоян-
ная грати,

Темпера-
туру плавле-
нія °С

Пружність пари при темпера-
турі плавле-
нія, атм

при
300 До

при 0 До

елек-
трони

дірки

Елемент

З (алмаз)

5,47  

5,51

1800

1600

алмаз

3,56679

4027

10 -9

Ge

0,803

0,89

3900

1900

типа алмазу

5,65748

937

 

Si

1,12  

1,16

1500

600

»

5,43086

1420

10 -6

a—sn

 

~0,08

 

 

»

6,4892

 

 

IV—IV

a—sic

3       

3,1  

400

50

типа сфалеріта

4,358

3100

 

III—V

Aisb

1,63  

1,75

200

420

типа сфалеріта

6,1355

1050

<0,02

BP

6       

 

 

 

»

4,538

>1300

>24

GAN

3,5    

 

 

 

типа вюртциту

3,186 (по осі а ) 5,176 (по осі з)

>1700

>200

Gasb

0,67  

0,80

4000

1400

типа сфалеріта

6,0955

706

<4×10 -4

Gaas

1,43  

1,52

8500

400

те ж

5,6534

1239

1

GAP

2,24  

2,40

110

75

»

5,4505

1467

35

Insb

0,16  

0,26

78000

750

»

6,4788

525

<4×10 -5

Inas

0,33  

0,46

33000

460

»

6,0585

943

0,33

INP

1,29  

1,34

4600

150

»

5,8688

1060

25

II—VI

CDS

2,42  

2,56

300

50

типа вюртциту

4,16 (по осі а ) 6,756 (по осі з)

1750

 

Cdse

1,7    

1,85

800

 

типа сфалеріта

6,05

1258

ZNO

3,2    

 

200

 

кубіч.

4,58

1975

ZNS

3,6    

3,7  

165

 

типа вюртциту

3,82 (по осі а) 6,26 (по осі з)

1700

IV—VI

PBS

0,41  

0,34

600

700

кубіч.

5,935

1103

 

Pbte

0,32  

0,24

6000

4000

те ж

6,460

917

  П. м. в широких межах змінюють свої властивості із зміною температури, а також під впливом електричних і магнітних полів, механічної напруги, опромінення і ін. дій. Цим користуються для створення різного роду датчиків .

  П. м. характеризуються наступними основними параметрами: питомим опором, типом провідності, шириною забороненої зони, концентрацією носіїв заряду і їх рухливістю, ефективною масою і часом життя. Ряд характеристик П. м., наприклад ширина забороненої зони і ефективна маса носіїв, відносно слабо залежить від концентрації хімічних домішок і міри досконалості кристалічної решітки. Але багато параметрів практично повністю визначаються концентрацією і природою хімічних домішок і структурних дефектів. Деякі фізичні властивості найважливіших П. м. приведені в таблиці.

  В електронних приладах П. м. використовують як у вигляді об'ємних монокристалів, так і у вигляді тонких моно- і полікристалічних шарів (завтовшки від доль мкм до декількох сотень мкм ), нанесених на різних, наприклад ізолюючих або напівпровідникових, підкладки (див. Мікроелектроніка ) . В таких пристроях П. м. повинні володіти певними еоектрофізичними властивостями, стабільними в часі і стійкими до дій середовища під час експлуатації. Велике значення мають однорідність властивостей П. м. в межах монокристала або шару, а також міра досконалості їх кристалічної структури (щільність дислокацій, концентрація точкових дефектів і ін.).

  У зв'язку з високими вимогами до чистоти і досконалості структури П. м. технологія їх виробництва вельми складна і вимагає високої стабільності технологічних режимів (постійність температури, витрати газової суміші, тривалості процесу і т.д.) і дотримання спеціальних умов, зокрема т.з. напівпровідникової чистоти апаратури і приміщень (не більше 4 порошинок розміром понад 0,5 мкм в 1 л повітря). Тривалість процесу вирощування монокристалів залежно від їх розмірів і вигляду П. м. складає від декількох десятків мін до декількох сут. При обробці П. м. в промислових умовах використовують процеси різання П. м. діамантовим інструментом, шліфовки і поліровки їх поверхні абразивами, термічної обробки, труїть лугами і кислотами.

  Контроль якості П. м. вельми складний і всілякий і виконується за допомогою спеціалізованої апаратури. Основні контрольовані параметри П. м.: хімічний склад, тип провідності, питомий опір, час життя носіїв, їх рухливість і рівень легування. Для аналізу складу П. м. зазвичай користуються оптичними, спектральними, спектроскопічними для мас і активаційними методами. Еоектрофізичні характеристики вимірюють т.з. зондськими методами або використовують Холу ефект . Досконалість структури монокристалів досліджують методами рентгеноструктурного аналізу і оптичної мікроскопії. Товщину шарів вимірюють або безконтактними оптичними методами, або методами сошліфовки шаруючи.

  Літ.: Технологія напівпровідникових матеріалів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1961; Родо М., Напівпровідникові матеріали, пер.(переведення) з франц.(французький), М., 1971; Зі С. М., Фізика напівпровідникових приладів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1973; Палатник А. С., Сорокин Ст До., Основи плівкового напівпровідникового матеріалознавства, М., 1973; Крісталлохимічеськие, физико-хімічні і фізичні властивості нап