Полупроводники. Часть I. Применение в электронике. Германий полупроводник

Германий полупроводник. Описание полупроводниковых материалов: германий, кремний.

Проводники, полупроводники и диэлектрики | Германий

Существование и основные свойства германия в 1870 г предсказал Д. И. Менделеев, назвав его экасилицием. В 1886 г. немецкий химик К. Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий оказался тождественным экасилицию. Открытие германия явилось торжеством Периодического закона Д. И. Менделеева.

Получение германия. Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т. е. часто встречается в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Его содержание в земной коре составляет около 7-10–4 %, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец, и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и ряда других элементов. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. Минералы с большой концентрацией германия встречаются очень редко и не могут служить сырьем для производства полупроводников. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медносвинцовоцинковых руд.

В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который представляет собой жидкость с невысокой (83°С) температурой кипения. Жидкость подвергают глубокой очистке, используя методы экстракции и ректификации, после чего очищенный тетрахлорид путем гидролиза переводят в двуокись согласно реакции:

Элементарный германий получают восстановлением двуокиси чистым водородом:

Процесс водородного восстановления проводят в электрических печах при температуре 650–700°С с использованием графита в качестве тигельного материала. Заключительная стадия восстановительного процесса совмещается с плавлением образующегося порошка германия и направленной кристаллизацией расплава. Изготовленные таким способом поликристаллические слитки в дальнейшем подвергают зонной плавке для получения германия особой чистоты или используют в качестве исходного материала при выращивании легированных монокристаллов методом вытягивания из расплава.

Физико-химические и электрические свойства.Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокими твердостью и хрупкостью. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании на воздухе до температур выше 650°С он окисляется с образованием двуокиси GeO2. При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной серной кислотах. Активными растворителями германия в нормальных условиях является смесь азотной и плавиковой кислот, раствор перекиси водорода и травители, содержащие в своем составе окисляющие реагенты. При нагревании германий интенсивно взаимодействует с галогенами, серой и сернистыми соединениями.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. Процесс введения примесей в основной материал называют легированием. В качестве доноров и акцепторов наиболее часто используют соответственно элементы V и III групп Периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0,01 эВ. Более сложным поведением характеризуются примеси элементов I, II, VI, VII и VIII групп. При введении в решетку германия атомы большинства из этих элементов проявляют свойства многозарядовых центров, т. е. создают несколько достаточно глубоких уровней в запрещенной зоне, что обусловлено сильными различиями в валентностях атомов примеси и основы.

Все перечисленные элементы образуют с германием твердые растворы с весьма ограниченной растворимостью (доли атомного процента).

Влияние примесей, создающих глубокие уровни, относительно слабо сказывается на электрической проводимости германия. Вместе с тем, несмотря на низкую растворимость, они могут играть важную роль в процессах рекомбинации и фотопроводимости.

В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления, т.е. уменьшение проводимости при нагревании, что обусловлено снижением подвижности носителей заряда за счет усиливающегося их рассеяния на тепловых колебаниях узлов решетки.

Температура, при которой начинает проявляться собственная электропроводность, зависит от концентрации легирующей примеси. Так, при содержании мелких доноров 8 · 1019 м–3 собственная электропроводность возникает при 50°С, а если концентрация доноров составляет 7 · 1021 м–3, то для появления собственной электропроводности германий необходимо нагреть выше 200°С.

Чтобы электропроводность германия была собственной при комнатной температуре, его следует очистить до содержания примесей не более 1019 м–3, т. е. на один миллиард атомов германия должно быть не более одного атома примеси, если считать, что в 1 м3 твердого тела находится около 1028 атомов.

В технологии изготовления микроэлектронных структур весьма распространенным процессом является диффузия электрически активных примесей в полупроводник.

Поскольку в германии полезные примеси элементов III и V групп, специально вводимые в полупроводник для придания ему необходимых свойств, диффундируют очень медленно, а некоторые нежелательные примеси (особенно медь) диффундируют быстро, то при термообработке германия надо принимать меры, исключающие проникновение вредных примесей.

Очистка и выращивание монокристаллов. Воспроизводимость характеристик полупроводниковых приборов во многом зависит от структурного совершенства исходных кристаллов и содержания в них посторонних примесей. Материалы, прошедшие химическую очистку, далеко не всегда удовлетворяют требованиям полупроводникового приборостроения. Для получения кристаллов с минимальным количеством остаточных примесей используют различные методы кристаллизационной очистки, которые будут рассмотрены в юните 2.

Применение германия. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов. Особенно широкое распространение получили выпрямительные плоскостные диоды и сплавные биполярные транзисторы.

Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0,3 до 1000 А при падении напряжения не более 0,5 В. Недостатком германиевых диодов являются невысокие допустимые обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низкочастотными и высокочастотными, мощными и маломощными. Нанесение пленочной изоляции из SiO2 позволяет изготавливать германиевые транзисторы по планарной технологии.

Германий используется также для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов, варикапов, точечных высокочастотных, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Примеси золота создают в германии эффективные центры рекомбинации.

Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.

Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных луче

xn--90adflmiialse2m.xn--p1ai

Германий

Германий исторически является первым освоенным полупроводниковым материалом, так как он относительно легко поддается очистке. Это элемент IV группы с алмазоподобной кубической решеткой. Особенности свойств германия: химическая стойкость к кислотам, высокая твердость и хрупкость.

Получение полупроводникового германия. Германий слабо распространен в земной коре (<0,001%), он не образует собственных руд. Сырьем для получения полупроводникового Ge являются

медно-цинковые  и  свинцово-цинковые  руды,  побочные  продукты металлургического производства. Основные этапы производства:

1. Получение германиевого концентрата.

2.  Получение жидкого тетрахлорида германия GeCl4   химическим путем.

3. Получение двуокиси германия методом гидролиза: GeCl4+2h3O→GeO2+4HCl.

4. Получение порошкового Ge путем его восстановления из двуокиси водородом при 650…700°С: GeO2+2h3→Ge+2h3O.

5. Выплавка слитка поликристаллического Ge из порошка.

6. Очистка поликристалла Ge от примесей методом зонной плавки.

7. Получение монокристалла Ge методом вытягивания из расплава. При этом в расплав вводят легирующие примеси в строго дозированном количестве для получения Ge nили p-типа.

Формирование проводимости в германии. Применяют германий с примесной проводимостью. В качестве донорных примесей используются элементы V группы: сурьма (Sb), мышьяк (As), фосфор (P), в качестве акцепторных элементы III группы: бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga). Эти примеси создают мелкие энергетические уровни в запрещенной зоне, их энергия ионизации примерно одинакова и составляет в среднем 0,01 эВ. Основными примесями являются сурьма для получения Ge n-типа и галлий для получения Ge p-типа.

Медь и золото (элементы I группы) образуют глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне и являются эффективными рекомбинационными ловушками, снижающими время жизни неравновесных носителей заряда, что повышает быстродействие приборов.

Влияние концентрации примеси Nпр на электрические свойства германия. Легирующие примеси в германии при температурах выше 90…100 К полностью ионизированы, т.е. концентрация носителей заряда равна концентрации примеси, n = N.

Базовая рабочая концентрация легирующей примеси в германии составляет N = 1021…1024  м-3. Собственная проводимость при комнатной температуре (Ti  = 20…25°С) может возникнуть лишь при

очень малой концентрации примеси (N < 1019  м-3). С увеличением концентрации примеси температура начала собственной проводимости возрастает. При базовой концентрации примеси Ti > 100°С.

Таким образом, при N ≤ 1019 м-3 удельное электрическое сопротивление германия ρ определяется собственной проводимостью. В слаболегированном полупроводнике (N < 1021  м-3) ρ возрастает за счет рассеяния на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки. При базовой концентрации примеси удельное сопротивление

обратно пропорционально N

т.е. с увеличением концентрации примеси ρ уменьшается, но отклоняется от прямолинейной зависимости (пунктирной линии «а» на рис. 39) из-за снижения подвижности заряда на ионизированных атомах примеси (рис. 40,а). Удельное сопротивление германия pтипа выше, чем германия n-типа, так как подвижность дырок ниже

подвижности электронов.

Рис. 39. Зависимость удельного электросопротивления германия и кремния от концентрации примеси при 20˚С

Рис. 40. Зависимости подвижности носителей заряда от концентрации примеси в германии (а) и кремнии (б)

При N > 1024 м-3  полупроводниковый германий становится вырожденным.

Маркировка полупроводникового германия:

Пример 1. ГЭС 1,0/0,5 германий (Г) электронного типа проводимости (Э), легированный сурьмой (С), удельное сопротивление при 300 К ρ = 1,0 Ом⋅см, диффузионная длина L = 0,5 мм.

Пример 2. ГДГ 5,0/1,0 германий (Г) дырочного типа проводимости (Д), легированный галлием (Г), удельное сопротивление при

300 К ρ = 5,0 Ом⋅см, диффузионная длина L = 1,0 мм.

Материал взят из книги Электротехнические материалы (Л.Г. Петрова)

studik.net

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).

studfiles.net

Применение полупроводников в электронике

Начало кремниевого века

В далеком 1947 году, в недрах лабораторий телефонной компании Bell «родился» первый в мире транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век».

Полупроводниковые приборы и их классификация.

В современной электронике на основе полупроводников производят активные элементы. То есть те, которые способны менять свои электрические характеристики в зависимости от подаваемого на них напряжения. Скажем, тот же транзистор является активным элементом, поскольку его значение внутреннего сопротивления будет меняться в зависимости от разных условий в электронной цепи. А вот, например обычный резистор относиться к категории пассивных элементов, так как его сопротивление будет всегда одинаковым. К пассивным электронным компонентам относятся также конденсаторы и катушки. Их создают из других материалов.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

Германий VS Кремний

Самыми распространенными полупроводниками в производстве электронных компонентов являются германий (Ge) и кремний (Si). На заре полупроводниковой эпохи предпочитали использовать германий. По сравнению с кремнием, у него более низкое напряжение отпирания pn-перехода (0.1V — 0.3V против 0.6V — 0.7V). Это делает германий более экономичным в плане энергозатрат.

Кремний лучше сохраняет стабильность работы на высоких температурах и превосходит германий по частотным характеристикам. К тому же запасы Si на планете практически безграничны, а технология его получения и очистки значительно дешевле, чем Ge, довольно редкого в природе элемента. Все это привело к неизбежной и быстрой замене германиевых полупроводников на кремниевые. Первый транзистор на основе этого материала появился уже в 1954 году.

Полупроводники в процессорах. Закат эпохи кремния

В таких передовых областях, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов играют решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к пределу своих возможностей. Улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов, при дальнейшем использовании Si становиться все более сложной и дорогостоящей задачей.

По мере повышения скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и заставило разработчиков перейти на стратегию «многоядерности».

Количество полупроводниковых элементов в одном чипе увеличивается путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. Каждый такой шаг означает снижение линейных размеров транзистора примерно в 1,4 раза и площади примерно в 2 раза. Всем известный Intel на данный момент (2011 год) владеет технологией в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет 20 нм. Переход на более тонкий тех. процесс осуществляется этой компанией примерно каждые 2 года.

Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не повышается тактовая частота ядра процессора, как было до 90 нм тех. процесса. Это оставляет дальнейшее развитие кремниевых технологий малоперспективным.

Будущее за графеном?

Основной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода (C).

Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом чипе, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.

Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Однако многообещающие технологии на базе графена пока еще находятся на стадии исследований и разработок. Время покажет, сколько они еще таят в себе подводных камней. Ну, а кремний все еще остается рабочей лошадкой в современной электронике, и не спешит сдавать позиции.

hightolow.ru

Элементарные полупроводниковые материалы — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической системы Д. И. Менделеева. К ним относятся: элементы IVА подгруппы — углерод (алмаз), кремний, германий, олово; элементы VА подгруппы — фосфор, мышьяк, сурьма и висмут; элементы VIА подгруппы — сера, селен, теллур; элементы VIIА подгруппы — иод.Все они являются p-элементами, в атомах которых постепенно заполняются электронами p-орбитали. В простых веществах с валентными s- и p-электронами выполняется правило Юм-Розери (правило октета), согласно которому координационное число К = (8 - N), где N — номер группы в Периодической системе. В полупроводниках группы IVА координационное число равно четырем (тетраэдр). У полупроводниковых модификаций простых веществ группы VА — фосфор, мышьяк, сурьма — координационное число равно трем, что способствует формированию слоистых структур. S, Se, Te (группа VIА) в полупроводниковом состоянии имеют координационное число 2 и образуют линейные и цепочечные структуры, связанные в трехмерную решетку силами Ван-дер-Ваальса. У полупроводниковой модификации йода (группа VIIА) координационное число равно единице. Из 12 элементарных полупроводниковых элементов приборное применение имеют только три — кремний, германий и селен.

Из элементов этой группы к полупроводникам относится только йод. В твердом состоянии он обладает полупроводниковыми свойствами, в нем реализуются р-связи.

Полупроводниковыми свойствами обладают сера, селен и теллур. Кристаллы этих элементов состоят из спиральных цепочек или колец, в которых каждый атом имеет две ковалентные связи с атомами той же цепочки. Между собой цепочки связаны силами Ван-дер-Ваальса. Ширина запрещенной зоны убывает с увеличением порядкового номера и составляет у серы — 2, 4 эВ, у селена 1, 7 эВ, у теллура 0, 35 эВ. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях AIIIBV.

В качестве полупроводникового материала в микроэлектронике из элементов VIА подгруппы используется гексагональная модификация селена. Это полупроводник p-типа проводимости, полупроводниковые свойства которого проявляются и используются и в поликристаллических структурах. Ширина запрещенной зоны 1, 8 эВ. Монокристаллы гексагонального селена получают выращиванием из расплава или осаждением из газовой фазы. Испарением Se в вакууме на подложку можно получать пленки толщиной 50-100 мкм, которые применяют для производства полупроводниковых приборов. Гексагональный селен используется для изготовления полупроводниковых выпрямителей фотоэлементов, солнечных батарей.

Для селена характерен внутренний фотоэффект: под действием света растет число дырок и увеличивается собственная электропроводность. На этом свойстве основано действие селеновых фотоэлементов и многих других приборов. Влияние света на электрические свойства селена двояко. Первое — это уменьшение его сопротивления на свету. Второе, не менее важное — фотогальванический эффект, т. е. непосредственное преобразование энергии света в электроэнергию в селеновом приборе. Для осуществления фотогальванического эффекта необходимо, чтобы энергия фотонов была больше некоей пороговой, минимальной для данного фотоэлемента, величины. Простейший прибор, в котором используется именно этот эффект, — экспонометр. Более сложные устройства — солнечные батареи, работающие на Земле и в космосе.

У полупроводниковых элементов VА подгруппы — фосфора, сурьмы, мышьяка и висмута — химические связи реализуются за счет образования р3-орбит, они имеют структуры с координационным числом =3, относящимся к ромбоэдрической сингонии. Такие кристаллы можно представить состоящими из двухслойных пластин. Каждый атом имеет в соседнем слое той же пластины трех ближайших соседей, с которыми он связан ковалентными связями. Соседние пластины связаны между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях AIIIBV.

К полупроводниковым элементам IVА подгруппы относятся основные полупроводниковые материалы германий и кремний, а также углерод (алмаз) и полиморфная -модификация олова. Эти элементы имеют кристаллическую решетку типа алмаза. Связи между атомами sp3-гибридные, тетраэдрические.

Недостатком германия и кремния как полупроводниковых материалов, являются малая ширина запрещенной зоны, поэтому рабочая температура германиевых приборов не превышает 60-80 оC. Германий относится к числу редких и очень рассеянных химических элементов. Кремний не имеет указанных недостатков, а по распространенности занимает второе место после кислорода. Ширина запрещенной зоны кремния значительно больше, чем у германия, поэтому кремниевые приборы могут функционировать при более высокой температуре (200-220 оC), однако подвижности носителей тока у кремния меньше, чем у германия. Поэтому частотный предел кремниевых полупроводниковых приборов ниже германиевых. Технологически кремний труднее получить в чистом состоянии, чем германий. Поэтому один из самых распространенных элементов в виде простого вещества нужной чистоты становится дороже редкого и рассеянного германия.

Германий полупроводниковый. Кристаллизуется в решетке типа алмаза (см. Типы кристаллических структур). Связь между атомами в решетке германия — ковалентная. Число атомов Ge в единице объема — 4, 45.1022атом/см3. Ширина запрещенной зоны небольшая и равна 0, 72эВ. Германий прозрачен в ИК-области спектра, начиная с длины волны 1, 8 мкм.Одно из преимуществ технологии германия — относительно невысокая температура плавления (936 оС) и ничтожно малое давление насыщенного пара при этой температуре, что существенно упрощает процесс кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Кроме этого германий даже в расплавленном состоянии практически не взаимодействует с кварцем, из которого изготавливают тигли. Монокристаллический германий получают методом Чохральского (см. Методы выращивания кристаллов), реже — методом зонной плавки. Основной фоновой загрязняющей примесью в германии является кислород. Для некоторых приборов (например, для счетчиков ядерных излучений) требуются монокристаллы германия с пониженным содержанием кислорода. Монокристаллы германия с малым содержанием кислорода выращивают методом Чохральского на высоковакуумных установках при остаточном давлении 10-5Па. В связи с сильным испарением германия в таких условиях процесс проводят в атмосфере высокочистого водорода или в смеси водорода с инертными газами.Для получения необходимых электрофизических свойств германий легируют различными примесями. В качестве доноров и акцепторов в германии используют соответственно элементы V и III групп Периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0, 01 эВ. Большинство примесей других групп проявляют свойства многозарядовых центров (создают несколько уровней в запрещенной зоне). Мелкие доноры и акцепторы при температуре выше 90 К полностью ионизованы, поэтому в нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси. В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления. Температура, при которой начинает проявляться собственная электропроводность, зависит от концентрации легирующей примеси.Германий — один из первых полупроводниковых материалов, который широко использовался для изготовления большого количества приборов. На его основе можно изготавливать выпрямительные плоскостные диоды, низко- и высокочастотные, мощные и маломощные транзисторы, лавинно-пролетные и туннельные диоды, варикапы, точечные высокочастотные импульсные и СВЧ-диоды. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.В последние годы основное применение германий находит в производстве оптических приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз и фильтров инфракрасной техники, модуляторов света и коротковолнового радиоизлучения. Он не имеет конкуренции в счетчиках ядерных частиц. Недостаточно высокое значение ширины запрещенной зоны позволяет изготовленным из германия приборам работать при относительно невысоких температурах (до 60-70 оС). Это явилось основной причиной вытеснения его из многих приборов более широкозонным кремнием и арсенидом галлия.

Кремний полупроводниковый, монокристаллический — основной материал для твердотельной электроники. Ежегодно в мире производится около 9000 тонн высокосовершенных бездислокационных монокристаллов кремния. Кремний находит широкое применение в микроэлектронике, силовой электронике, солнечной энергетике, кремниевой оптоэлектронике.

Кремний, как и германий, кристаллизуется в решетке типа алмаза. Связь между атомами в решетке германия — ковалентная. Число атомов Si в единице объема — 5, 0.1022атом/см3. Ширина запрещенной зоны равна 1, 12 эВ.В качестве исходного материала при производстве монокристаллов используется поликристаллический кремний высокой чистоты, полученный путем водородного восстановления прошедших глубокую очистку хлорсиланов или путем термического разложения особо чистого моносилана. Оба метода обеспечивают получение исходного кремния с суммарным содержанием остаточных примесей 1011-1012 ат.см-3. Для получения монокристаллов используют метод Чохральского и бестигельную зонную плавку. Процесс бестигельной зонной плавки, в котором предварительно проводится дополнительная глубокая зонная очистка исходной поликристаллической заготовки от остаточных примесей, используют для получения наиболее чистых и обладающих высоким удельным сопротивлением монокристаллов. Монокристаллы, полученные таким способом, обладают удельным сопротивлением до 100 кОм.см и большой диффузионной длиной носителей заряда, имеют низкое содержание кислорода, но однородность распределения электрофизических свойств в объеме такого материала ниже, чем в случае выращивания методом Чохральского. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов кремния. Установки для выращивания кристаллов кремния полностью автоматизированы и снабжены системами прецизионного поддержания постоянного диаметра слитка.

Основным недостатком метода Чохральского при выращивании полупроводникового кремния является загрязнение выращиваемых монокристаллов кислородом и примесями, содержащимися в кварцевых тиглях, из которых обычно производится вытягивание слитка. Для управления электрофизическими свойствами (тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей заряда) широко используют процессы легирования электрически активными примесями. Основными легирующими примесями при получении монокристаллов электронного типа проводимости являются P, As, Sb, а при получении монокристаллов дырочного типа проводимости — B и Al. Эти примеси образуют в кремнии твердые растворы замещения и обладают достаточно высокой растворимостью (1018-1019 ат.см-3) в широком интервале температур. Растворимость их носит ретроградный характер с максимумом при температурах 1200-1350 оС. Легирование может быть осуществлено как непосредственно в процессе выращивания, так и на стадиях последующих обработок. Легирование в процессе выращивания производят либо с помощью специальных лигатур сплавов кремния с легирующей примесью, либо из паровой фазы легколетучих соединений легирующей примеси. Для обеспечения равномерного распределения легирующей примеси в объеме кристалла применяют вытягивание из двойного (плавающего) тигля, эффект компенсации накопления примеси в расплаве ее испарением (для летучих примесей), а также различные варианты магнитогидродинамического (МГД) воздействия на расплав с целью управления массопотоками в расплавленной ванне.

Основными структурными дефектами в монокристаллах бездислокационного кремния являются микродефекты. Именно ростовые микродефекты, содержащиеся в пластинах кремния, оказывают наиболее существенное влияние на рабочие характеристики ультра сверхбыстрых интегральных схем (УСБИС). Наибольшее отрицательное влияние на параметры УСБИС оказывают межузельные дислокационные петли и поры. Основную роль в образовании ростовых микродефектов выращиваемых методом Чохральского монокристаллах играют собственные точечные дефекты (СТД) — вакансии и междоузельные атомы, а также кислород. Наличие преципитатов, например, фазы SiO2 в Si приводит к образованию механических напряжений и, следовательно, возможному появлению микротрещин.Кремний находит широкое применений в микроэлектронике. На его основе осуществляется производство УСБИС с динамической памятью на 256 Мбит-1Гбит и микропроцессоры с тактовыми частотами на уровне 0, 5-1, 0 ГГЦ. Усложнение УСБИС сопровождается ужесточением требований к качеству пластин (общая и локальная плоскостность, снижение уровня поверхностного загрязнения, повышение структурного совершенства и однородности исходного материала) при одновременном увеличении их диаметра и снижении стоимости. Резкое увеличение плотности монтажа и уменьшение размеров рабочих элементов УСБИС обусловливает необходимость снижения рабочих токов и напряжений. В этих условиях существенно возрастает роль посторонних шумов. В связи с этим возрастают требования к чистоте, структурному совершенству и микронеоднородности активной области приборной композиции. Особенно высоки требования по содержанию примесей, способных образовывать электрически- и рекомбинационноактивные центры.

В силовой электронике к мощным диодам и тиристорам на основе кремния добавилась широкая гамма мощных транзисторов и разнообразных «силовых» интегральных схем. Сильноточные кремниевые электронные устройства успешно используются для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями, в энергоемких металлургических и химических производствах, на транспорте, в системах электропривода и электропитания. В солнечной энергетике используются солнечные батареи на основе кремния. Суммарная мощность электроэнергии, вырабатываемой кремниевыми солнечными батареями, превысила уровень тысячи мегаватт. В оптоэлектронике кремний используется в разнообразных сенсорных устройствах, прецизионных микромеханических системах.

Кремний является непрямозонным полупроводником, эффективность межзонной излучательной рекомбинации в нем очень низка. Легирование кремния эрбием позволяет формировать в кристаллической решетке эффективные центры излучательной рекомбинации. Одним из направлений создания эффективных излучателей является наращивание на кремниевые подложки гетероэпитаксиальных структур прямозонных соединений АIIIВV (GaAs, InGaAs).

Для изготовления волноводов используют структуры Si/SiO2, имеющие разницу в величинах коэффициентов преломления составляющих компонентов равную 2, что обеспечивает условие надежного оптического ограничения. В таком волноводе свет распространяется по тонкому слою монокристаллического кремния, который прозрачен для излучения с длиной волны =1, 3-1, 55 мкм. Данная волноводная структура обеспечивает надежную связь (с минимальными оптическими потерями) с излучателем и фотоприемником.

megabook.ru

Германий и полупроводниковые соединения - Полупроводники

Германий

По мере расширения производства и применения полупроводниковых приборов выяснилось, что из-за сравнительно малой ширины запрещенной зоны 0,67 эВ предельная рабочая температура р-n-переходов в германии составляет 343 - 353 К (70 - 80°С). Но и при меньших температурах приборы оказываются недостаточно стабильными из-за высокого температурного коэффициента величины , так что устойчивая работа приборов гарантируется только при температуре на 20 - 30 % ниже верхнего предела ( 60°С). Собственное удельное сопротивление германия слишком мало, и он непригоден для быстродействующих p-i-n-приборов.

Главным недостатком германия является неприменимость планарной технологии из-за низкой температуры плавления 1210 К (а вследствие этого и низкой скорости диффузии примесей) и отсутствия пассивирующего собственного оксида.

В дискретных германиевых диодах и транзисторах, изготовленных по сплавной технологии, преимущества более высокой подвижности и быстродействия материала быстро снижаются, не выдерживая конкуренции с кремниевыми приборами, изготовленными по более совершенной и дешевой планарной технологии.

Вне конкуренции германий сохраняется в области приборов детектирования ядерных излучений и ИК-оптики.

Детекторы ядерных излучений изготавливаются из пластин германия большой площади (несколько смІ), и толщины до 1 см обедненных носителями. Здесь требуются монокристаллы с предельно низкой концентрацией примесей (1010 - 1011см-3), меньшей, чем концентрация собственных носителей. Такой германий, получаемый в малых количествах по специальной технологии, является наиболее чистым веществом, полученным человеком.

Монокристаллы германия большого диаметра потребляет ИК-оптика, для изготовления линзовых объективов, необходимых для систем тепловидения и дистанционного измерения температуры. Эти германиевые линзы прозрачны для ИК-излучения. Они фокусируют тепловое изображение на фотоприемнике, обеспечивая предельно высокое геометрическое разрешение, позволяющее различать даже мелкие объекты с больших расстояний, например со спутника Земли время на часах у загорающих на пляже.

полупроводник германий кремний прибор

Линзовые оптические системы - обязательная часть конструкций сканирующих ИК-устройств обнаружения целей - кораблей, самолетов, ракет.

Германий идет и на изготовление самих фотоприемников таких систем - фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов. Хотя и в этой области преобладает кремний, а наиболее перспективным считается твердый раствор теллурида кадмия - ртути - КРТ. В некоторых случаях, в частности для диапазона 0,8 - 1,8 мкм, фотоприемники из германия (легированного галлием, медью, никелем, золотом) имеют явные преимущества.

Технология выращивания монокристаллов германия (рис.15) проще, а аппаратура совершеннее, чем в случае кремния, так как в свое время германий был основой полупроводниковой техники, в которой он был "модельным" материалом. Имея невысокую температуру плавления (1210 К), обладая инертностью расплава к контейнерным материалам (графиту и кварцу), легкую восстанавливаемость оксида водородом - германий позволяет очень быстро освоить технику получения высокочистых монокристаллов (сегодня это образцы с диаметрами до 300 и 500 мм).

Рис.15

При производстве германия используют гидролиз, восстановление водородом оксидов и зонной очистки. Принцип этой операции вытекает из особенностей диаграмм состояний, а именно из того факта, что выделяющиеся при затвердевании двухкомпонентного сплава кристаллы обязательно либо обогащены (Ств > Сжид), либо обеднены (Ств < Сжид) примесными компонентами. Считается, что коэффициент распределения k = Ств/Сжид в первом случае больше единицы, во втором меньше.

Это обстоятельство (k 1) и используется для эффективной очистки: при расплавлении лишь небольшой части слитка (его длины) - зоны - и медленном перемещении ее через весь слиток (проходе зоны) в передней части будет накапливаться примесь с k > 1, а в хвосте с k < 1. Средняя часть оказывается очищенной, но для этого требуется 5 - 10 проходов зон. Такой метод очистки применим для "низкоплавкого" германия и ряда полупроводниковых соединений, но только для очистки от исходных металлов (алюминий, индий, кадмий).

Схема зонной очистки (от алюминия, индия, кадмия) имеет вид, приведенный на рис.16.

Несмотря на уменьшение расхода германия, его выпуск не снижается. Совершенствование технологии идет в направлении повышения чистоты, создания прецизионных методов легирования, улучшения однородности, выращивания крупногабаритных монокристаллов с диаметром более 300 мм.

Рис.16

6. Соединения АIII ВV

Элементы таблицы Менделеева III-группы - алюминий, галлий, индий - образуют с элементами V-группы - фосфор, мышьяк, сурьма - достаточно стабильные соединения - фосфиды, арсениды и антимониды. Пространственное распределение электронов в решетках таких соединений, такое же равномерное, как у ковалентных веществ - элементов IV-группы. В соединениях происходит лишь слабое "перетягивание" электронов на элемент ВV, что и является признаком небольшой доли ионной связи. Ионная связь уменьшается по мере перехода от фосфидов к арсенидам и антимонидам, так как у сурьмы металлические свойства выражены сильнее, чем у мышьяка, а тем более у фосфора.

Среди этих соединений, которые могут образовать между собой элементы III и V-групп, имеются узкозонные (InSb, GaSb, InAs - < 1 эВ), и широкозонные полупроводники (GaP, GaAs, InP - > 1эВ). Наибольшей шириной ( > 3эВ) обладают нитриды алюминия и галлия (пока не применяются), которые как алмаз, формально должны быть отнесены к диэлектрикам. Однако благодаря особому строению и ковалентной тетраэдрической связи они все же проявляют полупроводниковые свойства. Их практическое использование будет зависеть от совершенствования технологии и повышения качества материала.

С освоением соединения АIIIВV появилась возможность выбора проводников с различной , что расширило область их применения. Были выявлены преимущества приборных структур, состоящих из различных полупроводниковых слоев, так называемых гетеропереходов (пример на рис.17).

Рис.17

Области применения наиболее универсального из них - GaAs - приведены в таблице

Их принципиальные особенности по сравнению с германием и кремнием состоят в следующем.

1. Высокая подвижность электронов n делает InP, GaAs перспективными для приборов СВЧ-диапазона.

Быстродействие приборов зависит от времени пролета носителей межэлектродного промежутка. Это время обратно пропорционально скорости дрейфа носителей - . Так как , то важна и (величина напряженности поля) при которой эффективно может работать материал. Известно, что линейная зависимость от и постоянство наблюдаются лишь в полях небольшой напряженности. При повышении величина постепенно убывает, а др стремится к насыщению. Но наступает оно в разных материалах при неодинаковых значениях напряженности (см. рис.17).

Таблица 4

Применение GaAs
СВЧ техника	Оптоэлектроника
ПТ с барьеров Шотки	Светоизлучающие диоды
ИС на ПТШ	Солнечные батареи
Диоды Ганна	Фотоприемные диоды и гетероструктуры
Туннельные диоды	Оптопары
ЛПД	Светодиоды для интегральной оптики
П/п лазеры

Основные свойства соединений АIIIВV приведены в таблице 5.

Таблица 5

Соединения	, эВ	Параметр решетки, нм	n, см2/Вс	p, см2/Вс	Тип межзонных переходов
AlP	2,45	0,546	80	30	Непрямой
GaP	2,26	0,545	190	120	-
InP	1,35	0,587	4600	150	Прямой
AlAs	2,16	0,566	280	-	-
GaAs	1,43	0,565	8500	450	Прямой
InAs	0,36	0,606	33000	460	-
AlSb	1,58	0,614	200	550	Непрямой
GaSb	0,62	0,609	4000	1400	-
InSb	0,18	0,648	78000	650	-

Для GaAs max = 2,2107 см/с при = 3,2 кВ/см, а для InP 2,5107, но при 10,5 кВ/см.

Оказывается, что материал с меньшей подвижностью (у InP она 4600) за счет больших рабочих полей обеспечивает меньшее время пролета и, следовательно, большее быстродействие, чем GaAs 8500. Именно с InP связаны надежды на освоение диапазона до 100 ГГц, тогда как предельные частоты, обеспечиваемые сегодня GaAs, 30.40 ГГц, Si - 1 - 13 ГГц.

2. В прямозонных проводниках может выполняться квантово-механическое условие туннелирования и на ВАХ p-n-перехода имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления. Это и был первый СВЧ-диод (диод Эсаки) - твердотельный генератор СВЧ. Сейчас выпускается около 50 типов таких диодов на GaAs и Ge, причем вследствие непрямого перехода зоны германиевые диоды требуют больших Е.

3. Реализуются в этой группе и междолинные переходы электронов. Из последнего рисунка следует, что, так как зависимость = f (E) для прямозонных (GaAs и InP) полупроводников имеет максимум, за которым следует падение дрейфовой подвижности. Так как при этом уменьшается электропроводность ( nq), то участок с отрицательной производной проявляется на ВАХ как отрицательное дифференциальное сопротивление. Причиной является стимулированный полем переход электронов из низкоэнергетической долины, где их подвижность велика (4000 - 8000 см2/ (Вс)) в высокоэнергетическую, характеризующуюся малой подвижностью 100 см2/ (Вс). Эти переходы, которые сопровождаются выделением энергии в виде когерентных СВЧ-колебаний, используются в диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах. Явление междолинного перехода, называемое по имени открывшего его ученого эффектом Ганна, используется, как и туннелирование для генерации СВЧ-излучения в твердом теле; оно возможно только в прямозонных полупроводниках, а среди них наиболее перспективны GaAs и InP.

Особенности зонной структуры GaAs обеспечивают ему значительные преимущества при изготовлении и третьего основного типа генераторов СВЧ-колебаний - ЛПД; их КПД выше, а шумы значительно меньше кремниевых.

Высокая эффективность излучательной рекомбинации, характерна для прямозонных полупроводников, объясняет огромную роль которую играют соединения АIIIВV в оптоэлектронике. Основными приборами здесь являются светодиоды и лазеры. В первых - используется самый экономный метод преобразования электрической энергии в фотоны - электролюминесценция (за счет снижения неосновных носителей в прямосмещенном p-n-переходе можно получить спонтанное излучение УФ, видимой и ИК областях спектра, используя полупроводники группы АIIIВV с различной ).

Во-вторых, когерентное стимулированное ИК-излучение в прямозонных полупроводниках группы АIIIВV с p-n-переходом (предсказано в 1962г.Д.Н. Наследовым теоретически). Такие полупроводниковые лазеры (рис.18) в сочетании с ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) и электронно-оптическими кристаллами являются основными компонентами устройств интегральной оптики - наиболее многообещающего направления оптоэлектроники.

Рис. 18

5. Образование тройных и более сложных твердых растворов. Изоморфизм соединений АIIIВV (близость свойств) обуславливает возможность образования совершенных по структуре твердых растворов замещения. Это тройные соединения с катионами (Ga1-xAlxAs) или анионами (GaAs1-xPx) замещения (заметим, что анионов и катионов в ковалентных соединениях АIIIВV нет, в основу этой терминологии положены лишь небольшие признаки ионной связи), а также четверные (например, Ga1-xInxAs1-yPy), выпускаемые в промышленных масштабах в виде гетероэпитаксиальных структур на подложках из бинарных соединений.

Они позволяют изменять в широких пределах, причем их можно наращивать с переменным по толщине или по площади составом, что и обеспечивает повышение эффективности лазеров. Строение такой структуры называют вследствие изменения - варизонной (пример на рис. 19).

Рис. 19

6. Широкозонные соединения АIIIВV (GaAs, InP, GaP) могут быть получены в высокоомном состоянии из-за низкой собственной концентрации носителей. Однако снижение примесей до уровня собственной концентрации невозможно, причем главной примесью является кремний. Доноры кремния эффективно нейтрализуются глубокими акцепторами (Cr, O2), которые мало влияют на удельное сопротивление. Возможности точной компенсации примесей позволили освоить выпуск высокоомных, "полуизолирующих" монокристаллов GaAs (с 107 - 108 Омсм), с высокой 5000 - 7000 см/ (Вс). Последнее, что позволяет применять его для изготовления не только транзисторов, но и ИС.

На основе GaAs созданы сверхрешетки гетероэпитаксиальные структуры, в которых чередуются сотни тонких слоев полупроводников, отличных по . То есть, при этом на электрон кроме основного периодического потенциала решетки, действует дополнительный потенциал с периодом намного больше основного. Поведение электрона определяется не столько свойствами материала слоев, сколько параметрами искусственного потенциала. Изменяя путем подбора вида и толщины слоев, амплитуду, форму и период потенциала можно управлять зонным строением. Создаются полупроводники с требуемой , m*n, m*p и др.

Технологические трудности соединений АIIIВV следуют из их сложной двухкомпонентной природы, приводящей к стехиометрическим дефектам. При этом компоненты ВV - As и P летучи. Давление паров мышьяка над расплавом GaAs 0,1 МПа (1 атм), а фосфора над расплавом In P = 2,5 МПа, то есть фосфиды и арсениды теряют летучие компоненты при нагреве.

Существующие технологические способы предотвращения разложения соединений не обеспечивают контроля стехиометричности с нужной точностью. Диаграмма состояний GaAs, показывает, что размах отклонений от стехиометрии в пределах области существования твердых растворов на основе GaAs при его выращивании (см. рис. 20) из расплава может достигать 1018 см-3 и даже при температурах эпитаксии - 1015 - 1016 см-3, то есть 10-4 - 10-5 %. Даже при одинаковых условиях получения и легирования дефектность и электрические свойства кристаллов АIIIВV могут резко и непредсказуемо меняться из-за небольших, неподдающихся контролю изменений режима выращивания - температуры, давления, гидродинамических потоков в расплаве, тепловых полей и др. Аппаратурные трудности производства соединений АIIIВV: высокие температуры, высокое давление токсичных и взрывоопасных газов и паров. Кроме того, широкому внедрению препятствуют:

1. Низкая растворимость легирующих примесей (<11018см-3).

2. Отсутствие собственных окислов, обладающих стабильностью для получения МОП систем (поэтому изготавливают лишь ДБШ и ПТ с барьером Шотки).

3. Токсичность реагентов, используемых для выращивания монокристаллов и эпитаксии металлоорганических соединений в сочетании с взрывоопасностью водорода - реактивной среды.

Рис. 20

Образование вредных отходов (арсенидов и фосфидов) и необходимость их улавливания и обезвреживания. Хотя сами по себе эти соединения не токсичны, к их обработке следует относиться осторожно, так как при шлифовке фосфидов образуется ядовитый газ - фосфин, а при растворении арсенидов в присутствии восстановителей - арсин.

Таким образом освоение технологии любого из соединений АIIIВV - является технологической задачей высшей сложности и работы в этом направлении требуют высококвалифицированных специалистов, располагающих самой современной технологической, исследовательской и контрольно-измерительной аппаратурой.

5rik.ru

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

sesaga.ru

---

• 
  Повышающий коэффициент на одн
• 
  Анкерные опоры
• 
  Можно ли в поезде заряжать телефон
• 
  Телефон нэск гулькевичи
• 
  Категория размещения у3
• 
  Газокомпрессорные станции
• 
  Испытание кабельных силовых линий
• 
  Обозначение радиодеталей на схеме
• 
  Резистор реостат
• 
  Специальность энергообеспечение предприятий
• 
  Жарко в квартире что делать зимой