Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В.Корицкого и др. Том 3 (3-е изд., 1988) (1152098), страница 115
Текст из файла (страница 115)
У большинства полупроводников удельное сопротивление зависит также от температуры и других внешних энергетических воздействий (свет, электрическое и магнитное иоле, ионизирующее излучение и т. д.). На основе полупроводниковых материалов создано много разнообразных полупроводниковых приборов. Свойства, параметры н характеристики этих приборов в значительной степени определяются свойствами н параметрами исходного полупроводникового материалн. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов (выпрямительные диоды, стабилитроны, варикапы, бнполярные транзисторы, тиристоры и т.
д.) основан на иснальзовании свойств выпрямляющего перехода, в качестве которого обычно служит электронно-дырочный переход. Поэтому такие приборы будут работоспосебны только прн температуре, соответствующей примесной электропроводнасги. Появление собственной электропроводности прн высокой температуре нарушает нормальную работу прибора.
Максимальная допустимая температура полупроводникового прибора, в нерву|о очередь, определяегся шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала. Таким образом, использование материала с большой шириной запрещенной зоны позволит унеличить максимальну1о допустимую температуру ярнбора. Кроме того, приборы на основе широкозоннаго полупроводникового материала будут способны работать с большей допустимой удельной мощностью рассеяния, т.е. при нормальных условиях работы могут быть уменьшены габариты прибора или габариты тсплаотводящих радиаторов. Б настоящее время основным материалом повупроводниковой электроники является кремний. На разработку технологии изготовления чистого кремния и полуяроводниковых приборов на ега основе (в том числе и интегральных микросхем) затрачено много сил и средств.
Поэтому в ближайшее время мала вероятность полной замены кремния на другой полупроводниковый материал при производстве большинства диодов, бипалнрных транзисгоров и интегральных микросхем. Для такай замены необходимы существенные преимушества в свойствах, параметрах и характеристиках приборов, а также в экономичности производства этих приборов.
Может быть такие преимущества смогут обеспечить некоторые соединения элементов третьей н пятой групп таблицы Д. И. Менделеева (соединения Ашйт). Среди ких есть материалы с большой шириной запрещенной зоны (ла сравнению с кремнием) и отличающиеся также большей подвижностью носителей заряда. Это, в первую очередь, относится к арсениду галлия. Большая ширина запрещенной зоны арсенида галлия обеспечит большую максимальную допустимую температуру полупроводникового прибора, а следовательно, допустимую мощность рассеяния Большая полвижность носителей заряда должна обеспечить улучшение частотных свойств транзисторных и диодных структур попупроводниковых приборов (в том числе и интегральных микросхем).
Подвижность носителей заряда влияет на частотные свойства выпрямительных диодов, так как эти свойства большинства выпрямительиых диодов определяются временем рассасывания неосновных носителей в базовой области диодной структуры. Частотные свойства биполярных транзисторов зависят от подвижности носителей зарядов разных знаков (электронов и дырок) в базовой области (макснмальная частота генерации биполярного транзистора пропорциональна квадратному корню из произведения подвижностей электронов и дырок).
Это объясняет. ся тем, что подвижность неосновных носителей заряда определяет время пролета не- основных носителей через базу, а подвиж. ность основных носителей — объемное сопротивление базы и, следовательно, постоянную времени перезаряда барьераой емкости кол. лекторного перехала. Наибольшей подвижностью носителей заряда обладает антимонид инлия. Однако из-за малой ширины запрещенной зоны этого материала транзи- [равд. 17[ Основные требования к полупроводниковым материалам 407 стары на его основе могут работать только при глубоком охлаждении.
Исходя из принципа действия биполяряого транзистора диффузионная длина неосновных носителей должна быть значительно больше толщины базы транзистора. Однако для уменьшения времени рассасывания носителей при рабате транзистора и переключающих импульсных схемах, переводящих транзистор из режима отсечки в режим насыщения и обратна, необходим исходный материал с малым временем жизни неосновных носителей заряда, а следовательно, и с малой диффузионной длиной.
Таким образом, для изготовления биполярных транзисторов должен быть использован полупроводник с оптимальным значением диффузионной длины неосновиых носителей заряда. Одна из важнейших задач полупроводниковой электроники это повышение пробивного напряжения коллекторного перехода транзистора и тиристора, з также пробивного напряжения выпрямляющего электрического перехода щиода. Для решения этой задачи необходих)о получить равномерное распределение нлстности тока по всей площади электронно-дырочного перехода, что снизит вероятность возникновения теплового пробоя. Поэтому особое значение приобретает требование к однородности исходного полупроводникового материала, так как микронеодиородности и другие дефекты значительно снижают пробивное напряжение перехода. Дислокация в кремнии являются центрами осаждения примесей. Вдоль дислокаций могут быть повышены коэффициенты диффузии примесей.
Скопления дислокаций влияют особенно сильно ка диффузию примесей. Поэтому локальному понижению пробивного напряжения способствуют скорее лаже не единичные дислокации, а их скоялеиия в исходном полупроводнике. Естественно, что наряду с повышением качества исходных материалов необхолимо совершенствовать методы контроля их параметров и свойств. Развитие микроэлектроники, в частности, и вообще электронной техники должно сопровождаться повышением надежности и сиижениеы стоимости электронных схем и устройств.
Необходимость повышения надежности вызвана, во-первых, усложнением аппаратуры, увеличением числа элементов в установках. Для обеспечения работоспособности всей установки необходима высокая надежность каждого отдельного элемента установки. При этом не всегда можно применять резервирование или дублирование по экономическим и техническим соображениям.
Во-вторых, электронная аппаратура стала широко применяться при экстремальных внешних условиях в связи с развитием геофизических исследований, созданием ядерных энергетических устройств, повышением технических параметров авиационной техники и развитием космонавтики. Аппаратура должна теперь работать при высоких и низких температурах, при наличии значительных градиентов температуры, при радиационном облучении, при наличии сильных электромагнитных полей, прн больших статических и динамических механических нагрузках, при воздействии микроорганизмов и агрессивных сред. При этом иногда невозможно использовать специальные средства защиты (термостаты, радиационные и электромагнитные экраны, механическое демпфирование) из-за требования одновременного снижения массы, энергопотребления н стоимости. Естественный н понятный путь повышения надежности — это повышение обшей культуры проектирования н производства приборов.
Но необходим также глубокий анализ кинетических закономерностей и механизмов старения полупроводниковых и других материалов, которые используются в полупроводниковых приборах. В первую очередь, необходимо исследовать физико- химические процессы в полупроводниковых материалах цри одновременном воздействии высокой температуры и сильных электрических палей, электролитическую и химическую коррозию, окисление, диффузию примесей, накопление деформаций, усталостные явления и т.
д. Снижение стоимости изделий не только микроэлектроники, но и всей полупроводниковой электроники в сильной степени зависит ст процента выхода годных приборов, который оказывается иногда очень низким (особенно для больших интегральных микросхем) из-за недостаточного качества исходного полупроводникового материала и недостаточной однородности по кристаллу. Для МДП-транзисторов, для приборов с заряловой связью и для интегральных микросхем на МДП-структурах необходимо использовать кристаллы полупроводника с малой плотностью поверхностных состояний, т. е. поверхностных состояний вблизи границы раздела кристалла полупроводника и диэлеитрика.
При современной технологии низкую плотность поверхностных состояний удапгся получить паха только на гетеро- переходе между кремнием и диоксидом кремния. С появлением полупроводниковых приборов возникла сразу же необходимость в Основные требования к полупроводниковым материалам (равд. )7] улучшении их частотных свойств, в повышении допустимой мощности рассеяния. Рабочие частоты современных кремниевых биполярных транзисторов СВЧ нриблнжакпся уже к теоретическому пределу. Поэтому, чтобы еще улучшить частотные свойства, нужно использовать другой материал (о чем уже было сказано ранее), а также разрабатывать полупроводниковые приборы с другим принципом действия.
Так, для генерации СВЧ электромагнитных колебаний разрабатываются и выпускаются лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна (генераторы Ганна обычно называют диодами Ганна, хотя в структуре этих приборов нет выпрямляющего электрического перехода).
Принцип действия лавинно-пролетных диодов основан на инерционности лавинного умножения носителей заряда в электроннодырочном переходе при лавинном пробое и на существовании некоторого времени пролета возникающих в переходе носителей через этот переход. Поэтому к однородности н качеству исходного полупроводникового материала лавинно-пролетным диодов предъявляютсл жесткие требования. Генераторы Ганна могут быть сделаны только на основе полупроводникового материала с многодолинной структурой энергетических зон,обеспечивающей значительное уменьшение подвижности носителей заряда при увеличении их энергии в электрическом поле и прн переходе из центральной долины в боковую долину энергетической диаграммы.
Таким материалом в настоящее время является арсенид галлия. Тонкие пленки арсенила галлия толщиной в несколько единиц или лесятков микрометров, необходимые для генераторов Ганна, создают обычно методом эпитаксиального наращивания.
Домены из тижелых н легких электронов должны возникать периолически в прикатодной части тонкой пленки прн приложении к ней постсжиного наПряжения. Но возможно также хаотическое зарождение доменов и на различных дислокациях, дефектах и неоднородностях легирования тонкой пленки арсенида галлия. В результате этого будут возникать колебания тока с разной частотой и, следовательно, необходимо получать однородные тонкие пленки арсеннда галлия. Выпускаемые промышленностью лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна рассчитаны на выходную СВЧ мощность в непрерывном режиме в несколько десятков милливатт.
В импульсном режиме эта мощность может быть повышена на несколько порядков. Для увеличения выходной мощ- ности аужны лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна с ббльшей площадью электронно-дырочного перехода и большей площадью тонкой пленки полупроводника. Прн этом они должны быть однородны не только по толщине, но и по плошали. В качестве исходных материалов для фоточувствительных и фотоцреобразовательных полупроводниковых приборов — фото- резисторов, фотодиодов и фотоэлементов, целесообразно использовать полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, имеющие максимум спектральной характеристики при различных длинах волн. Особый интерес представляют полупроводниковые многокомпонентные твердые растворы, у которых ширина запрещенной зоны и максимум спектральной характеристики изменяются в широких пределах в зависимости от содержания отдельных компонентов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
