Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Жидкокристаллические индикаторы находят широкое применение для отображения оптической информации и используются в огромном количестве электронных приборов и устройств.

9.ПОЛУПРОВОДНИКИ.

Полупроводники это вещества, электропроводность которых в сильной степени зависит от внешних воздействий температуры, освещения, ионизирующих излучений и т.п. Таким образом, электропроводность полупроводников является возбужденной.

Поведение полупроводников обычно описывают с позиций зонной теории твердого тела, в соответствии с которой полупроводники обладают зоной запрещенных значений энергии носителей заряда, лежащей между валентной зоной и зоной проводимости. Величала запрещенной зоны (Hg) является важнейшей характеристикой полупроводникового материала. Ока изменяется в пределах от 0,05 до 3,5 эВ. Это не значит, что при большей ширине запрещенной зоны нельзя возбудить проводимость. Просто внешнее воздействие должно быть более сильным. Taк, алмаз прекрасный диэлектрик при комнатной температуре (Hg =5,2эВ) приобретает заметную проводимость при высоких температурах и может считаться полупроводником. Это показывает условность деления веществ на полупроводники и диэлектрики. Носителями электрического заряда в полупроводниках являются электроны и дырки. Соответственно, полупроводник с электронной проводимостью называют n-типа (от negative, отрицательный), а с дырочной проводимостью р-типа (от positive, положительный). Важной характеристикой полупроводников является подвижность электронов Un и дырок Up, измеряемая в [см²/(Вс)]. Un всегда больше Up.

Рис. 9.1. Схемы энергетических зон: 1-собственного полупроводника, 2- полупроводника n-типа, 3- полупроводника p-типа.

В химически чистых, не содержащих примесей полупроводниках количество электронов и дырок одинаково ( n=р ). Они называются собственными полупроводник. Полупроводники, содержащие примеси (реальные полупроводники) называют примесными. Примеси в полупроводниках принято делить на донорные и акцепторные. Донорные создают электронную проводимость, они являются поставщиками электронов. Акцепторные примеси создают дырочную проводимость, являются поставщиками дырок.

На зонной диаграмме (рис.9.1) энергетические уровни донорной и акцепторной примеси расположены в запрещенной зоне собственного полупроводника: донорной вблизи дна зоны проводимости, а акцепторной вблизи валентной зоны. Для ионизации примесей нужно затрачивать энергии меньше, чем для ионизации собственного полупроводника. Регулируя вид и количество примесей, можно создать в одном кристалле полупроводникового вещества области с различным типом проводимости. Контакт между такими областями получил название электронно-дырочного перехода или р-n-перехода. На границе р-n-перехода формируются объемные заряды противоположных знаков, образующие контактное электрическое поле. Благодаря этому р-n-переход обладает способностью выпрямлять переменный электрический ток, играть роль вентиля. Именно этим определяется применение примесных полупроводников в электронном приборостроении.

Заряд электронов и дырок одинаков. Проводимость  реального полупроводник подчиняется общему уравнению электропроводимости: =е_о(nU_n+pU_p), где е_о - заряд электрона; U_n и U_p - подвижность электронов и дырок, n и р - их концентрация. Подвижность электронов и дырок уменьшается с ростом температуры: U=Т^-3/2.

Число носителей находится в экспоненциальной зависимости от температуры: n =А exp(E/kT), где E - энергия ионизации атомов; k- константа Больцмана; Т- температура, К; А - константа.

Структура реальных кристаллов. Атомы примесей могут замещать в кристаллической решетке атомы полупроводникового вещества или находиться в междоузлиях. Образующиеся дефектные структуры называются структурами замещения в первом случае и структурами внедрения во втором случае. Кристаллические структуры подобного типа следует относить к твердым растворам. Твердые растворы могут образовываться не только при введения в полупроводник атомов примесей, но и при совместной кристаллизации двух (или более) веществ. Наибольшее значение имеют твердые растворы замещения. Они образуются в том случае, если значения электроотрицательности и атомные радиусы замещающих друг друга атомов близки. Чем меньше различия между замещающимися атомами, тем в более широкой области составов образуется структура твердого раствора.

Существуют и другие типы дефектных структур. Большое значение имеют структуры вычитания, наблюдающиеся в полупроводниковых соединениях. Они возникают при образовании вакансии в узле кристаллической решетки и обусловливают тот или иной тип проводимости. Вещества подобного типа называются нестехиометрическими соединениями или фазами переменного состава. Если в кристалле образовалась анионная вакансия, то проводимость будет электронной, если катионная вакансия, то проводимость будет дырочной. Таким образом, в нестехиометрических кристаллах вакансии играют роль примесных атомов. Следовательно, и без легирования можно получить чистейший полупроводник того или иного типа проводимости.

Получение.

Получение полупроводникового материала обычно состоит из двух различных технологических процессов: традиционной химической технологии и специальной технологии сверхчистых веществ. Химическая технология заключается в получении полупроводниковых веществ из рудных минералов или путем синтеза и доведении их до химической чистоты. Технология получения сверхчистых веществ, как правило, использует кристаллофизические методы - метод зонной плавки или метод выращивания монокристаллов из расплава. Эти методы очистки основаны на различной растворимости примесей в кристалле и в расплаве. В методе зонной плавки узкая расплавленная зона перемещается вдоль слитка. В зависимости от растворимости примесь концентрируется либо в начале, либо в конце слитка.

После очистки методом зонной плавки слиток обычно используется для выращивания монокристаллов методом вертикального вытягивания из расплава затравки кристаллизации - определенным образом ориентированного кристалла полупроводника, Этот метод позволяет вводить в полупроводник необходимое количество примесей.

Производство управляющих микроприборов основано на широком круге физико-химических явлений и процессов. Сюда входят процессы окисления, диффузии, ионного легирования, ионноплазменного распыления, термического испарения, конденсации, фазовых превращений в твердом теле, эпитаксии и образования тонких и толстых пленок на подложках, фотолитографии и др. Рассмотрим те из них, которые наиболее важны и часто используются в промышленности.

Диффузия. Диффузия самопроизвольный процесс проникновения разнородных частичек в твердую, жидкую или газообразную фазу, вызванный тепловым движением этих частиц. Диффузия в твердых телах может происходить путем внедрения диффундирующего атома в междоузлия (твердые растворы внедрения), на место вакансии в узле кристаллической решетки (твердые растворы замещения) или по протяженным дефектам - порам, трещинам, дислокациям. Диффузия является наиболее распространенным методом создания р-n-переходов. При повышении температуры скорость диффузии резко возрастает. Одновременно возрастают скорости окислительных процессов. Например, в случае кремния это может привести к образованию примесных пленок силикатного стекла, что повлияет на диффузию примесей в кремний. Многие примеси хорошо диффундируют в кремний и плохо в диоксид кремния.

Окисление. Создание оксидных слоев является неотъемлемой частью технологии производства полупроводниковых приборов. Оксидные пленки используются для создания масок при диффузии примесей в полупроводник; в целях защиты поверхности от влияния окружающей среды; для диэлектрической изоляции элементов друг от друга; в качестве изолятора, на котором создан металлический узор коммутации, для равномерного введения примесных атомов из оксидной пленки в полупроводник на заданную глубину.

Известно много способов получения оксидных пленок: термическое или анодное окисление; испарение и последующая конденсация оксидов в вакууме; катодное, ионноплазменное и реактивное распыление; пиролитическое разложение элементоорганических (кремнийорганических) соединений, наплавление высокодисперсных порошков легкоплавких стекол и т.п. Оксидные пленки используются к как активные элементы полупроводниковых приборов типа МОП-транзисторов (МОП – металл-оксид-полупроводник).

Ионное легирование. Внедрение в материал необходимых примесей с помощью ионов, ускоренных электрическим полем, обладает рядом существенных преимуществ по сравнение с традиционными процессами диффузии. Так как ионы ускорены электрическим полем ускорителя и имеют большую энергию, то при столкновении с атомами полупроводника они меняют их положение, образуя большое количество дефектов (вакансий). Большое число вакансий обеспечивает высокий коэффициент диффузии примесей и образование твердых растворов замещения.

Эпитаксия. В последнее время широко применяется метод эпитаксиального наращивания полупроводниковых материалов на различных подложках. Таким образом, получают многослойные структуры, причем толщина слоев контролируется в очень узких пределах. Различают жидкофазную эпитаксию и эпитаксию из газовой фазы. Эпитаксия во многом аналогична кристаллизации из раствора на затравках. Отличие заключается в том, что при эпитаксии кристаллизация протекает на подложке, обеспечивающей плоский фронт роста, в результате чего получают тонкие кристаллы пленки. Эпитаксиальная технология позволила создавать полупроводниковые приборы с большим числом переходов, отличающихся не только типом проводимости, но и химической природой полупроводника. Такие р-n-переходы называют гетеропереходами. Эпитаксиальная технология позволяет не только получать монокристаллическую пленку одного полупроводника, но и легировать пленку непосредственно в процессе их роста.

Полупроводниковые химические элементы.

Полупроводниковые материалы подразделяются на химические элементы и химические соединения. В Периодической системе имеется 12 элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами: B, C, Ge, Si, Sn, P, As, Sb, S, Se, Te, J. Техническое значение имеют Si и Ge.

Кремний. Кремний по распространенности в земной коре (27 %) занимает 3-е место после кислорода. Встречается главным обратом в виде диоксида кремния SiO₂ (кремнезем), а также в виде солей кремневых кислот - силикатов. В технике Si получают восстановлением кремнезема углем в присутствии железа в электрических печах. Получаемый таким образом технический кремний содержит 58 % примесей. Для достижения полупроводниковой чистоты (содержание примесей ниже 10^{- 9} %) технический кремний вначале доводят до химической чистоты путем перевода его в летучее соединение, которое очищают физическими методами (ректификацией) и затем восстанавливают водородом. Дальнейшая очистка проводится кристаллофизическими методами. В кремний в качестве донорных примесей вводят элементы 5 группы Периодической системы элементов: мышьяк As, сурьму Sb, фосфор P, а в качестве акцепторных примесей элементы 3 группы: алюминий Al и бop B. Ширина запрещенной зоны кремния - 1,12 эВ. Это позволяет использовать его до 125^оС. Кремний основной материал современного полупроводникового приборостроения. Он применяется для изготовления диодов, триодов, транзисторов, интегральных схем, управляемых вентилей для регулировки токов и напряжений на выходе мощных выпрямителей, туннельных диодов и фотодиодов и фототранзисторов, варикондов (управляемые конденсаторы) и пр.

Германий. Германий в противоположность кремнию является редким и рассеянным элементом. Он в незначительных количествах присутствует во многих сульфидных рудах и извлекается главным образом из отходов медного, свинцового и цинкового производств. Химическая часть производства германия многостадийна и включает последовательный перевод: GeGeO₂GeCl₄GeO₂ Ge. Химически чистый германий затем подвергают очистке зонной плавкой, после чего перечисленными ранее методами вводят легирующие примеси: акцепторные - галлий Ga, индий In, или донорные – ванадий V, сурьму Sb. Ширина запрещенной зоны германия - 0,72эВ, поэтому доступная рабочая температура германия ниже, чем у кремния и составляет 75°С. Долгое время германий был основным полупроводниковым материалом. Первые точечные диоды были изготовлены из Ge (I945 г.). До сих пор из германия, изготавливают диоды, триоды и другие традиционные элементы, однако все в меньшем объеме. В настоящее время германий широко используется в новых приборах в приборах с гетеропереходами (например, nGe-pGaAs) в транзисторах с оптической связью (pGaAs-nGaAs-pGe), в лавинопролетных приборах и т.д., а также в фотодиодах, фототранзисторах, датчиках Холла.

Характеристики

Список файлов лекций