admin / 31.03.2019

Кремний как полупроводник

Полупроводники

Подробности Категория: Документальные учебные фильмы. Серия «Научфильм».

Документальные учебные фильмы. Серия «Электротехника».

К простым полупроводниковым материалам относятся германий, кремний и селен.
Германий и кремний применяются для изготовления транзисторов и диодов различных типов, счетчиков ядерных частиц, датчиков э. д. с. Холла и других магниточувствительных приборов.
Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов, фотодиодов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой, оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн, тензометров и др.
Селен применяется для изготовления выпрямителей и фотоэлементов.
К перспективным полупроводниковым материалам относятся: антимонид индия (для изготовления фотоэлементов высокой чувствительности, датчиков э. д. с. Холла и оптических фильтров); арсенид галлия; карбид кремния (для изготовления высокотемпературных выпрямителей низковольтных маломощных сигнальных источников света, счетчиков частиц высокой энергии, излучателей и др.); закись меди; сернистый свинец, сернистый висмут и кадмий.

Исходный полупроводник для изготовления приборов должен быть химически чистым. Степень чистоты определяется концентрацией примесных электронов (дырок). Получение чистого материала является сложной задачей.
Характеристики, параметры и области применения полупроводниковых приборов в очень сильной степени зависят от природы контакта. Различают плоскостной и точечный контакты, при изготовлении которых используются различные технологические приемы. Наиболее распространенным способом приготовления плоскостных переходов является метод вплавления соответствующей примеси в пластинку полупроводника, обладающего’ определенным типом проводимости. Например, на пластинку германия электронного типа наносится капля индия (акцептор). После прогрева при температуре 600—800° С она сплавляется с полупроводником.
Другим способом приготовления плоскостного перехода является метод выращивания кристалла полупроводника из расплава, в котором содержится достаточное количество акцепторных и донорных примесей. Этот метод связан с принудительным вытягиванием кристалла с помощью затравки, погруженной в расплав. В зависимости от скорости вытягивания концентрация донорных и акцепторных примесей меняется. Изменяя скорость роста кристалла, можно получить образец с чередующимися слоями.
Для приготовления плоскостных переходов используется и способ диффузии примесей из жидкой, твердой либо газообразной фазы в исходный полупроводник. Глубина проникновения примесей определяется температурой, при которой производится диффузия, и временем диффузии. Сущность метода сводится к следующему. Пластинка полупроводника вместе с небольшим количеством акцепторов и доноров помещается в герметически запаянный сосуд, из которого удален воздух. Сосуд нагревается до температуры меньшей, чем температура плавления полупроводника. Внутри сосуда создается избыточное давление паров примесей. В результате атомы примеси начинают Диффундировать в глубь полупроводника, создавая в тонком поверхностном слое проводимость другого знака.
При методе диффузии максимальная концентрация примеси оказывается на поверхности полупроводника, а затем убывает по закону, близкому к экспоненциальному.
Точечный переход образуется в месте контакта острия металлической проволоки с исходным полупроводником. Образование р-области у полупроводников ц-типа происходит при нарушении структуры кристаллической решетки поверхности, что можно получить двумя методами: при чисто механических дефектах и при образовании оксидных пленок.
Однако такой переход обладает плохими вентильными характеристиками, и, чтобы их улучшить, контакт подвергают электрической формовке импульсами тока в несколько ампер продолжительностью 0,1-0,4 сек. При этом из разогретого острия проволоки в полупроводник диффундирует медь. Наиболее распространенными материалами для контактной проволоки являются вольфрам, молибден, золото и различные сплавы, содержащие бронзу.
Для изготовления сварного контакта, обладающего высокой механической прочностью, проволоку вытягивают из платины. Конец проволоки затачивается и приваривается к полупроводнику.

Публикации: Оптика и электроника (рубрикатор)

В этой статье ну нет ничего экстраординарно важного и интересного, только ответ на простой вопрос для «чайников», какие основные свойства отличают полупроводники от металлов и диэлектриков?

Полупроводники – материалы (кристаллы, поликристаллические и аморфные материалы, элементы или соединения) с существованием запрещенной зоны (между зоной проводимости и валентной зоной).

Электронными полупроводниками называют кристаллы и аморфные вещества, которые по величине электропроводности занимают промежуточное положение между металлами (σ = 104÷106 Ом-1·см-1) и диэлектриками (σ = 10-10÷10-20 Ом-1·см-1). Однако приведённые граничные значения проводимости весьма условны.

Зонная теория позволяет сформулировать критерий, который даёт возможность разделить твёрдые тела на два класса – металлы и полупроводники (изоляторы). Металлы характеризуются наличием в валентной зоне свободных уровней, на которые могут переходить электроны, получающие дополнительную энергию, например, вследствие ускорения в электрическом поле. Отличительная особенность металлов заключается в том, что у них в основном, невозбуждённом состоянии (при 0 К) имеются электроны проводимости, т.е. электроны, которые участвуют в упорядоченном движении по действием внешнего электрического поля.

У полупроводников и изоляторов при 0 К валентная зона заселена полностью, а зона проводимости отделена от неё запрещённой зоной и не содержит носителей. Поэтому не слишком сильное электрическое поле не в состоянии усилить электроны, расположенные в валентной зоне, и перевести их в зону проводимости. Иными словами, такие кристаллы при 0 К должны быть идеальными изоляторами. При повышении температуры или облучении подобного кристалла электроны могут поглотить кванты тепловой или лучистой энергии, достаточные для перехода в зону проводимости. В валентной зоне при этом переходе появляются дырки, которые также могут участвовать в переносе электричества. Вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости пропорциональна (-Еg/kT), где Еg – ширина запрещённой зоны. При большой величине Еg (2-3 эВ) эта вероятность оказывается очень малой.

Таким образом, подразделение веществ на металлы и неметаллы имеет вполне определённую основу. В отличие от этого деление неметаллов на полупроводники и диэлектрики такой основы не имеет и является чисто условным.

Ранее считали, что к диэлектрикам можно отнести вещества с величиной запрещённой зоны Еg ≈ 2÷3 эВ, однако позже выяснилось, что многие из них являются типичными полупроводниками. Более того, было показано, что в зависимости от концентрации примесей или избыточных (сверх стехиометрического состава) атомов одного из компонентов один и тот же кристалл может быть и полупроводником, и изолятором. Это относится, например, к кристаллам алмаза, оксида цинка, нитрида галлия и т.д. Даже такие типичные диэлектрики как титанаты бария и стронция, а также рутил при частичном восстановлении приобретают свойства полупроводников, что связано с появлением в них избыточных атомов металлов.

Деление неметаллов на полупроводники и диэлектрики также имеет определённый смысл, поскольку известен целый ряд кристаллов, электронную проводимость которых не удается заметно повысить ни путём введения примесей, ни путём освещения или нагрева. Это связано либо с очень малым временем жизни фотоэлектронов, либо с существованием в кристаллах глубоких ловушек, либо с очень малой подвижностью электронов, т.е. с чрезвычайно низкой скоростью их дрейфа в электрическом поле.

Электропроводность пропорциональна концентрации n, заряду e и подвижности носителей заряда. Поэтому температурная зависимость проводимости различных материалов определяется температурными зависимостями указанных параметров. Для всех электронных проводников заряд е постоянен и не зависит от температуры. В большинстве материалов величина подвижности обычно слабо уменьшается с ростом температуры из-за увеличения интенсивности столкновений между движущимися электронами и фононами, т.е. из-за рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решётки. Поэтому различное поведение металлов, полупроводников и диэлектриков связано в основном с концентрацией носителе заряда и её температурной зависимостью:

1) в металлах концентрация носителей заряда n велика и слабо изменяется при изменении температуры. Переменной величиной, входящей в уравнение для электропроводности, является подвижность. А поскольку подвижность слабо уменьшается с температурой, то также уменьшается и электропроводность;

2) в полупроводниках и диэлектриках n обычно экспоненциально растёт с температурой. Этот стремительный рост n вносит наиболее существенный вклад в изменение проводимости, чем уменьшение подвижности. Следовательно, электропроводность быстро увеличивается с повышением температуры. В этом смысле диэлектрики можно рассматривать как некоторый предельный случай, так как при обычных температурах величина n в этих веществах крайне мала. При высоких температурах проводимость отдельных диэлектриков достигает полупроводникового уровня из-за роста n. Наблюдается и обратное – при низких температурах некоторые полупроводники становятся диэлектриками.

Список литературы

  1. Вест А. Химия твердого тела. Ч.2 Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 336 с.
  2. Современная кристаллография. Т.4. Физические свойства кристаллов. – М.: Наука, 1981.

Студенты 501 группы химического факультета: Беззубов С.И., Воробьева Н.А., Ефимов А.А.

FILED UNDER : Железо

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*