Полупроводниковые материалы. Модификация углерода в структуру графит

Полупроводниковые материалы

Полупроводники

Неорганические                                      Органические

Кристаллические           Аморфные

Магнитные                     Немагнитные

Элементы                       Химические соединения                   Твердые растворы

Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов периодической системы Менделеева. Ширина запрещенной зоны увеличивается при переходе между элементами слева направо, сокращается – сверху вниз.

Модификация углерода в структуру графит приводит к изменению ширины запрещенной зоны. Для графита E_g <0,1эВ. По свойствам эта структура близка к проводникам, тогда как углерод в виде алмаза обладает диэлектрическими свойствами. Полупроводниковые свойства для углерода можно получить путем введения примеси.

Среди используемых в электронной технике полупроводников наиболее распространены Si, Ge, а также химические соединения со структурой алмаза

A^III-B^V

A^II-B^VI, а также их твердые растворы.

Свойства органических, магнитных, аморфных полупроводников изучены недостаточно, хотя органические полупроводники сочетают электрические свойства с повышенной эластичностью.

Германий Ge

Присутствует в небольших количествах в ряде минералов. Содержание Ge в земной коре . В результате термической и химической обработки получают в поликристаллическом виде. Монокристаллы можно получить путем вытягивания кристаллической затравки из расплава (метод Чохральского), а также используя метод зонной очистки и зонной плавки. Чистый германий обладает металлическим блеском, высокой твердостью и хрупкостью. Имеет кристаллическую решетку алмаза. При T>650˚C окисляется на воздухе, однако оксид нестабильный и не может быть использован фотолитографии при создании интегральных микросхем по планарной технологии. В нормальных условиях растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот, а также в растворе перекиси водорода. T_плавл=936˚С. Не взаимодействует с кремнием, кварцем и графитом. Германий может поглощать водород в виде нейтральной примеси при температуре T200˚C. Прозрачен для электромагнитного излучения с λ>1,8мкм. Подвижность .

Примеси III и V групп создают мелкие акцепторные и донорные уровни в запрещенной зоне. Для полупроводников n-типа используют сурьму, для p-типа – галлий. Атомы 1, 2, 6, 7, 8 периодов создают глубокие уровни. Все перечисленные примеси образуют с германием твердые растворы (с растворимостью порядка 10-100 долей атомных %). В слаболегированном германии температурный коэффициент удельного сопротивления больше нуля в большом диапазоне температур, что связано со снижением подвижности за счет рассеяния на тепловых колебаниях. Собственная электропроводность при комнатной температуре возможная в германии <м^-3.

Скорость диффузии (коэффициент диффузии) тем выше, чем ниже растворимость примеси. В Ge большие скорости собственной диффузии по междоузлиям, поскольку растворимость примесей в междоузельном пространстве ограничена. Полезные примеси 3 и 5 групп диффундируют медленно. Вредные (Cu) – быстро, поэтому при обработке необходимы меры по исключению их проникновения.

Электрические своиства германия изменяются в результате термообработки (отжиг при температуре T=550ºC и закалка создают в германии “термоакцепторы” т.е. акцепторные состояния, обусловленные возникшими дефектами структуры

Для  маркировки регманиевых материалов применяют обозначения, содержащие : материал, название легирующей примеси, тип носителя, удельное сопротивление и длину свободного пробега. Например:

ГДГ 0,75/0,5

                    (галлий)

(дырки)

Германий удельное сопротивление ρ=0,75 Ом·м диффузионная длина не основных носителей Ln=0,5 мм,

ГЭС  - германий/электроны/сурьма

Германий применяют в  диодах и транзисторах.

Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи до 1000А., Транзисторы из Ge могут быть мощными, маломощными, высоко- и низкочастотными. Также материал используется для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов, варикапов, импульсных и СВЧ диодов, датчиков Холла и других магнито-чувствительных приборов. Из него создают фототранзисторы, фоторезисторы, оптические приборы.

Рабочий диапазон приборов: -60…+70ºC

Кремний

Составляет 29,5% земной коры. В природе встречается в виде оксидов SiO₂. Обладает структурой алмаза с несколько меньшим периодом решетки, чем у Ge

Т.к. период решетки меньше, ковалентная связь усиливается, и ширина запрещенной зоны увеличивается по сравнению с германием. Кремний растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот, а также в кипящих щелочах.

Материал окисляется при T>1100ºC взаимодействует с азотом с образованием Si₃N₄. Хорошо растворим в расплавленных металлах (Al, Ga, St, Ag и др.). С некоторыми металлами может образовывать устойчивые химические соединения – силициды.

T_плавл=1484˚С. При начале плавления кремний обладает повышенной химической активностью, что вызывает трудности с подбором тиглей.