 |
Основные теоретические сведения и положения
|
|
|
|
Введение
Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер. Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Однако характерным для них является не величина проводимости, а то, что их проводимость растет с повышением температуры (у металлов она уменьшается). Полупроводниками являются вещества, у которых валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны невелика (у собственных полупроводников не более 1 эв). Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.
История открытия
После изобретения в 1904 г. Дж. Флемингом двухэлектродной лампы-диода и Л. Де Форестом в 1906 г. трехэлектродной лампы-триода в радиотехнике произошла революция. Эти изобретения позволили усиливать не только телеграфные сигналы, но и перейти к радиотелефонии - передаче по радио человеческого голоса. Помимо этого, они позволили усиливать высокочастотные колебания. Началось бурное развитие радиотехники. Но одновременно с ним выявились недостатки применения вакуумных электронных приборов. Электронная лампа имеет небольшой срок службы. Приняв средний срок службы лампы за 500 часов, при количестве ламп в одном устройстве 2000 штук в среднем каждые 15 минут следовало бы ожидать отказа по крайней мере 1 лампы. Для обнаружения неисправности следовало проверить как минимум несколько сотен ламп. Недостатки электронных ламп особенно остро выявились в конце 40-х-начале 50-х гг. прошлого века с появлением первых электронно-вычислительных машин. Их надежность и размеры определялись именно размерами, энергетической емкостью и надежностью используемых в них вакуумных ламп. Выход из кризиса открыли полупроводниковые приборы, которые, несмотря на свои недостатки, имели явные преимущества по сравнению с лампами: небольшие размеры, мгновенная готовность к работе ввиду отсутствия нити накала, отсутствие хрупких стеклянных баллонов. Эти необходимые в то время свойства побудили к поиску способов устранения недостатков полупроводников. Исследования проводимости различных материалов начались непосредственно в XIX в. сразу после открытия гальванического тока. В 1929 г. советский ученый А. Ф. Иоффе высказал мысль о возможности получения с помощью термоэлектрического генератора из полупроводников электроэнергии с КПД в 2,5-4%. Уже в 1940-1941 гг. в Советском Союзе были получены полупроводниковые термоэлементы с КПД в 3%. Во второй половине 20-х гг. XX в. были созданы твердые выпрямители переменного тока, представлявшие собой окисленную медную пластинку. Позже их стали делать из селена. Серьезным недостатком первых твердых выпрямителей были большие тепловые потери. Использование новых веществ, в частности германия, позволило резко их снизить. Полупроводниковые выпрямители удобны в эксплуатации, поскольку они миниатюрны и прочны, не требуют тока накала, потребляют немного энергии и долговечны. То, что вещества по-разному проводят электричество, людям было известно еще 190 лет назад. В 1821 году английский химик Хэмфри Дэви установил, что электропроводность металлов уменьшается с ростом температуры.
|
|
|
|
|
|
Проводя дальнейшие эксперименты, его ученик Майкл Фарадей в 1833 году обнаружил, что у сернистого серебра электропроводность с ростом температуры не падает, а возрастает. Затем он открыл еще несколько веществ с необычной зависимостью проводимости от температуры. В то время, однако, это не заинтересовало научный мир, пока в 1873 году не обнаружили, что сопротивление селена (Se) меняется при освещении. Селеновые фотосопротивления сразу нашли применение в разных оптических приборах. И первым полупроводниковым прибором стал фоторезистор, представляющий собой обычный селеновый столбик, электрическое сопротивление которого в темноте ниже, чем на свету. 1 июля 1948 г. в газете «Нью-Йорк тайм» появилась заметка о демонстрации фирмой «Белл телефон лабораториз» прибора под названием «транзистор». Он представлял собой полупроводниковый триод, несколько напоминавший по конструкции кристаллические детекторы 20-х годов. Транзистор создали физики Дж. Бардин и У. Браттейн. Его устройство было простым: на поверхности пластинки из германия, с одним общим электродом-основанием, были помещены два близко расположенных металлических стержня, один из которых был включен в пропускном, а другой - в запорном направлении. Бурное развитие полупроводниковой электроники началось с изобретением сначала точечного, (1948г.), а затем и плоскостного (1951г) транзистора - основы любой современной микросхемы.
Основные теоретические сведения и положения
Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника. Типичными полупроводниками являются углерод I (С), германий (Gе) и кремний (Si). Германий - это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 г. I Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля.
|
|
|
Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом;
Рассмотрим подробнее образование электронов проводимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z = 14 в периодической системе Менделеева. Поэтому в состав его атома входят 14 электронов. Однако только четыре из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными и обусловливают четыре валентности кремния.
Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью, так называемой ковалентной связи. При ковалентной связи валентные электроны совместно используются различными атомами, что приводит к образованию кристалла.
При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток. В отличие от проводников, носителями тока в полупроводниках могут быть не только электроны, но и «дырки» - места на орбите положительно заряженных частиц - ионов, образовавшихся после потери электрона. Положительный заряд этих частиц стремится захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов. Таким образом, «дырка» путешествует по полупроводнику, переходя от атома к атому. Вместе с ней путешествует и положительный заряд, равный по значению отрицательному заряду электрона. Один и тот же полупроводник может обладать либо электронной, либо дырочной проводимостью. Все зависит от химического состава введенных в него примесей. Так, небольшая добавка в германий примесей, богатых электронами, например мышьяка или сурьмы, позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью, так называемый полупроводник n-типа (от лат. negativus - отрицательный). Добавка же алюминия, галлия или индия приводит к избытку «дырок» и образованию дырочной проводимости. Такие проводники называются проводниками р-типа (от лат. positivus - положительный). Все полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Чистые полупроводники являются объектом главным образом теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Без этих примесей не было бы большинства полупроводниковых приборов.
|
|
|
Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется легирование. Легирование - это добавление примесей в полупроводниковые материалы. Используются два типа примесей. Примеси первого типа - пятивалентные -состоят из атомов с пятью валентными электронами, например, мышьяк и сурьми. Примеси второго типа трехвалентные - состоят из атомов с тремя валентными электронами, например, индий и галлий. Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяка (Аs), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка.
Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится достаточное количество донорских атомов, а следовательно, и свободных электронов для поддержания тока. При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n-типа.
|
|
|
Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия, то атомы разместят свои три валентных электрона среди трёх соседних атомов.
Это создаст в ковалентной связи дырку. Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки, называются акцепторными. При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны - неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником р-типа. Полупроводниковые материалы n и р-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем р чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление. Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется р-л-переходом и обладает очень важным свойством - его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, р-л-переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости.
Электросопротивление различных полупроводников при комнатной температуре составляет 10-6...109 ОмЧм. В отличие от металлов полупроводники, как правило, характеризуются отрицательным температурным коэффициентом удельного электросопротивления.
Электрофизические параметры полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, даже в малых количествах присутствующих в кристалле. Поэтому концентрация примесей в исходных промышленных полупроводниковых материалах, применяемых для изготовления полупроводниковых приборов, как правило, не превышает 10-3 %, что соответствует содержанию примесных атомов в единице объема полупроводника около 1024 м-3. 
Для большинства практических применений полупроводниковые материалы должны обладать высоким структурным совершенством. В связи с этим их получают и используют в виде монокристаллов.
Технические трудности, связанные с синтезом полупроводниковых материалов высокой степени чистоты и структурного совершенства, явились одной из главных причин того, что длительное время, более 100 лет после открытия (1833 г., М. Фарадей), потенциальные возможности полупроводников не использовались в технике. Лишь значительный прогресс в технологии получения cверхчистых веществ и выращивания полупроводниковых монокристаллов позволил устранить принципиальные барьеры на пути целенаправленного изучения специфических свойств полупроводников и их широкого практического применения.
Одним из основных промышленных способов выращивания монокристаллов полупроводников стал метод, разработанный Чохральским (рис. 4). В этом методе врашающийся кристаллоноситель 1 с затравочным кристаллом 6 медленно поднимается, вытягивая за собой расплав 3, кристаллизующийся в кристалл 7. В зависимости от варианта метода Чохральского полученные монокристаллы имеют диаметр от 20 до 150 мм и массу 0,07…1,8 кг.
Классификация полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы по химическому составу и кристаллической структуре подразделяют на неорганические и органические полупроводники. Широкое практическое применение получили неорганические полупроводниковые материалы, к которым относятся кристаллические и аморфные (стеклообразные) полупроводники.
К классу кристаллических полупроводников относятся элементарные полупроводники, а также химические соединения и твердые растворы на основе химических соединений.
Элементарными (или простыми) полупроводниками являются двенадцать элементов периодической системы Д.И. Менделеева:
элементы 3 группы - В (бор);
элементы 4 группы - С (углерод), Si (кремний), Ge (германий), Sn (олово);
элементы 5 группы - Р (фосфор), As (мышьяк), Sb (сурьма);
элементы 6 группы - S (сера), Se (селен), Te (теллур);
элементы 7 группы - J (йод).
В современной микроэлектронике наиболее широкое практическое применение получили Si и Ge, используемые для изготовления транзисторов и других полупроводниковых приборов.
Двойные и тройные полупроводниковые химические соединения. Структурная формула двойных соединений записывается в виде АmВn, где индексы m и n представляют номер группы таблицы Менделеева. Полупроводниковые свойства проявляются у тринадцати классов бинарных соединений:
A1B5 (KSb, K3Sb, CsSb, Cs3Sb);
A1B6 (CuO, Cu2O, CuS, Cu2S, Cu2Se, Cu2Te, AgTe);B7 (CuCl, CuBr, CuJ, AgCl, AgBr, AgJ);B4 (Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, Ca2Si, Ca2Sn, Ca2Pb);B5 (ZnSb, CdSb, Mg3Sb2, Zn3As2, Cd3P2, Cd3As2);B6 (ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe);B7 (ZnCl2, ZnJ2, CdCl2, CdJ2);B5 (AlP, AlSb, AlAs, GaP, GaSb, GaAs, InP, InSb, InAs);B6 (GaS, GaSe, InS, InSe, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, Te2S);B4 (SiC, SiGe);B6 (GeO2, PbS, PbSe, PbTe, TiO2, GeTi, SnTe, GeS);B6 (MoO3,WO3);B6 (Fe2O3, NiO).
Широкое практическое применение получили полупроводниковые химические соединения классов A3B5 (GaAs, GaP, InP и др.), A2B6 (CdS, CdSe, ZnO и др.), A4B4 (SiC), A4B6 (PbS, PbSe, TiO2). Например, для изготовления оптоэлектронных приборов применяют твердые растворы замещения на основе бинарных полупроводниковых соединений A3B5, такие как AlxGa1-xAs, GaxIn1-xP, GaxIn1-xSb и другие, где x и 1-x представляют относительное содержание компонентов 3 группы.
К тройным химическим полупроводниковым соединениям относятся пять классов полупроводников:
A1B3B26 (CuAlS2, CuInS2, CuInSe2, CuInTe2, AgInSe2, AgInTe2, CuGaSe2, CuGaTe2);B5B26 (CuSbS2, CuAsS2, AgSbSe2, AgSbTe2, AgBiS2, AgBiSe2, AgBiTe2);B8B26 (CuFeSe2, AgFeSe2, AgFeTe2);B4B25 (ZnSiAs2, ZnGeAs2);4B5B26 (PbBiSe2).
полупроводник электронный проводимость
Аморфными полупроводниками являются соединения класса A5B6 (наиболее известны As2S3 и As2Se3).
|
|
|
