Полупроводниковые соединения

Карбид кремния SiC – единственное бинарное соединение элементов ΙV группы Периодической системы элементов. Структура кристаллов SiC аналогична структуре алмаза, а прочность связи Si – C лишь немного меньше прочность связи С – С в алмазе. Этим объясняется высокая твёрдость карбида кремния (9,6 по шкале Мооса), высокая химическая стойкость.

Получают карбид кремния взаимодействием диоксида кремния с углеродом при высоких температурах SiO₂ + 3C = SiC + 2CO. Образовавшийся SiC растворяют в расплаве кремния или хрома и выкристаллизовывают. Окончательную очистку проводят путём сублимации при 2400 – 2600 ^оС, в результате чего образуются кристаллы размером до 20 мм.

В зависимости от количества примесей удельное объёмное сопротивление SiC может изменяться от 10¹⁵ до 10^-3 Ом^.м. SiC – широкозонный полупроводник, ΔЕ = 2,86 эВ, причём температура слабо влияет на ширину запрещённой зоны. Так, при 500 ^оС ΔЕ = 2,66 эВ. В качестве донорных примесей используются элементы V группы – азот N, фосфор Р, мышьяк Аs, сурьма Sb, висмут Вi, а в качестве акцепторных – элементы ΙΙΙ группы – бор В, алюминийА1, галлий Ga, индий In и элементы ỊỊ группы – кальций Са и магний Мg.

Высокая термическая устойчивость и стойкость к радиации определяют применение карбида кремния в полупроводниковых приборах, работающих в экстремальных условиях, а большая ширина запрещённой зоны позволяет использовать его в качестве люминофора, проявляющего люминесценцию в видимой части спектра.

В карбиде кремния проявляется только электролюминесценция р-n – переходов при энжекции электронов из n -области в р -область, а ловушки создаются примесями атомов N, Al, B, Ga, Be, Sc. В зависимости от вида примеси излучение происходит в красной, жёлтой или зелёной частях спектра.

SiC применяют в качестве светоизлучателей для световых эталонов, опорных источников света в измерительных устройствах, цифровых и знаковых светодиодах, приборах с управляемой геометрией светового поля и т.д.

Полупроводниковые соединения типа А^ΙΙΙВ^V. В этой формуле А^ΙΙΙ – это А1, Ga или In, а В^V – Р, As или Sb. Наибольшее значение имеют GaAs – арсенид галлия, InSb – антимонид индия, GaP – фосфид галлия. Все эти вещества чаще всего получают прямым синтезом из элементов, например, In + Sb = InSb, с последующей очисткой кристаллофизическими методами. Химическая связь в этих соединениях ковалентная с большим вкладом ионности. Ширина запрещённой зоны наибольшая у фосфидов (ΔЕ_GaP = 2,25 эВ, наименьшая – у антимонидов (ΔЕ_InSb = 0,17 эВ). В настоящее время основная область применения этих материалов – оптоэлектроника, т.е. электроника, использующая превращение электрического сигнала в световой или светового в электрический (переход типа электрон – фотон).

К приборам оптоэлектроники относятся инжекционные лазеры, светоизлучающие диоды, СВЧ-генераторы, формирователи и преобразователи изображения, фотокатоды, элементы интегральной оптики и пр.

Антимонид индия InSb – узкозонный полупроводник, акцепторной примесью является Zn, донорными - S, Se, Te. При комнатной температуре все примеси ионизированы и проявляется собственная проводимость. По этой причине InSb не примени м для изготовления традиционных полупроводниковых приборов. Отличительной особенностью антимонида индия является рекордно большая подвижность носителей заряда U_n = 80000 см²/В^.с. Это определило применение InSb в качестве материала для датчиков Холла. Кроме того, InSb применяется для производства фотосопротивлений, фотодиодов, фотоэлектромагнитных детекторов для ИК-спектра, туннельных диодов (требуется охлаждение жидким азотом).

Арсенид галлия GaAs – среднезонный полупроводник, ΔЕ = 1,43 эВ. Акцепторные примеси Zn, Cd, Cu, донорные - S, Se.. Чаще всего используется для эпитаксиального наращивания на полупроводниковые подложки при изготовлении приборных структур по групповой технологии. Подложками могут служить арсенид галлия другого типа проводимости, германий, селенид цинка и др. Приборы с арсенидом галлия могут работать до 300 ^оС – выше наступает собственная проводимость. Одно из применений GaAs – инжекционные лазеры, имеющие преимущество в сравнении с диэлектрическими лазерами: работа без охлаждения, высокий КПД, возможность амплитудной модуляции с частотой до 1 ГГц, миниатюрность. Арсенид галлия широко применяется для изготовления светодиодов, тунельных диодов, диодов Ганна, полевых транзисторов, солнечных батарей, мощных выпрямителей.

Фосфид галлия GaP относится к широкозонным полупроводникам, поэтому он применим для изготовления полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах, а также в качестве люминофоров, излучающих в видимой части спектра. Люминофоры на основе GaP являются самыми эффективными. Донорными примесями для GaP служат О, S, Se, Te, Sn, акцепторными - Mg, Zn, Cd, Be, C.

Твёрдые растворы соединений А^ΙΙΙВ^V. Полупроводники этой группычасто используются не как индивидуальные соединения, а в виде сплавов со структурой твёрдых растворов замещения. Для этих целей используются соединения, отличающиеся друг от друга природой А^ΙΙΙ или В^V. Широкое распространение получили такие твёрдые растворы, как арсенид-фосфид галлия GaAs_xP_1-x, арсенид-антимонид галлия GaAs_xSb_1-x, арсенид-фосфид индия InAs_xP_1-x, арсенид галлия-индия Ga_xI_1-xAs, арсенид алюминия-галлия Al_xGa_1-xAs и др. Основные области применения таких материалов – полупроводниковые приборы с гетеропереходами, фотоумножители, электронно-лучевые трубки.

Халькогенидные полупроводники. К этой группе полупроводников относятся соединения типа А^ΙΙВ^V1 и А^1VB^V1 , где А^ΙΙ – Zn, Cd, Hg, A^1V – Pb⁺², B^V1 – S, Se, Te.

Химическая связь в этих соединениях имеет ионно-ковалентный характер, причём в рядах A^ΙΙS → A^ΙΙ Se → A^ΙΙ Te и ZnB^V1→ CdB^V1 → HgB^V1 ионность связи уменьшается. Соответственно, уменьшается прочность связи и связанные с ней характеристики: Т_пл и ширина запрещённой зоны ΔЕ. Наибольшая ширина запрещённой зоны в этой группе – у сульфида цинка ZnS – 3,7 эВ.

Халькогениды ртути (кроме HgS) и свинца являются узкозонными полупроводниками.

Тип проводимости чаще всего формируется в результате отклонения состава полупроводника от стехиометрического. При избытке металла проявляется электронная проводимость, при избытке халькогенида – дырочная.

Широкозонные полупроводники ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe обладают фоторезистивным эффектом, фото- и электролюминесценцией. Узкозонные полупроводники применяются для изготовления датчиков Холла, высокочувствительных приёмников излучения, ИК-лазеров.

(добавить о новых энергосберегающих источниках тока – светоизлучающих диодах)

Дата добавления: 2014-12-26