Электропроводность полупроводников

Цоколёвочные мастики

Применяются для крепления цоколя к стеклу (неразъёмные соединения). По переходу из одной фазы (пастообразные, жидкие) в твёрдую мастики делятся на: 1) плавящиеся; 2) схватывающиеся (присоединение кристаллизационной Н₂О); 3) реакционные (постепенное протекание химических реакций между компонентами); 4) конституционные (отверждение в результате водоотщепления).

Соединение осуществляется: 1) путём адгезии (прилипания); 2) охватывание скреплённых деталей (фасонное крепление). Неприятное свойство некоторых мастик – водопоглощение и набухание (отвал цоколя или нарушение изоляции, если токовводы касаются мастики. Поверхности перед цоколеванием необходимо очищать от жирных и масляных пятен, ухудшающих адгезию. Для крепления пластмассовых цоколей (деталей) используются мастики с малой температурой отверждения (< 150^оС).

Плавящиеся мастики: 1) пицеин; 2) известково-саратная; 2) новолаковая; 4) шеллачно-фарфоровая.

Схватывающиеся мастики: 5) ГИПС; 6) мраморный цемент; 7) портландский цемент; 8) силикат калия – окись магния; 9) силикат калия - отмученный мел.

Реакционные мастики: 10) свинцовый глёт –глицерин; 11) розовая мастика; 12) каолин и бура.

Конституционные мастики: 13) шеллачная; 14) бакелитовая (резолевая); 15), 16) силиконосмоляные.

Составы, режимы (временные и температурные) всех мастик можно найти в [1, т. 3, табл. 19-1], там же (табл. 19-4) – электропроводяшая мастика.

Б. ХИМИЯ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ

И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Рассмотрим возможные типы проводимости на примере чистого и легированного кремния.

Электроводность п/п i - типа проводимости

а) а) чистый п/п (Si) (низкие температуры), 1 чёрточка соответствует 1 электрону

б) б) чистый п/п (Si) при температуре 200^оС: - 1 электрон покидает своё место под воздействием теплового излучения; - на месте электрона образуется дырка, квазичастица, аналогичная электрону, но имеющая положи- тельный заряд

в) в) чистый п/п (Si) при приложении электрического поля, электрон перемещается против поля, дырка - в направлении поля. Электропроводность чистого п/п определяется формулой:

σ_i = enμ_n + epμ_p,

где е - заряд электрона, n - концентрация электронов, p - концентрация дырок, μ_n и μ_p - подвижности электронов и дырок (скорости перемещения частиц, имеющих единичный электрический заряд, в электрическом поле единичной напряженности).

Электропроводность п/п n-типа проводимости

Если в чистый п/п ввести атомы примеси из группы на единицу больше, чем группа самого п/п (для Si это элемент 5 группы, Р), то 4 валентных электрона Р образуют прочные электронные пары с Si, а избыточный 5-й электрон

имеет слабую связь с ядром Р. Даже при комнатной температуре этот электрон становится свободным. При приложении электрического поля (Е) происходит ток (перемещение электронов, дырок при этом не образуется.

Проводимость такого п/п: σ_n = enμ_n - это проводник с электронным типом проводимости (обозначения см. выше).

Электропроводность п/п р-типа проводимости

Если в чистый п/п ввести атомы примеси из группы на единицу меньше, чем группа самого п/п (для Si это элемент 3 группы бор, В), то 3 валентных электрона атома В образуют прочные связи с соседними атомами Si, а 4-ая пара остаётся не заполненной, т.е. образуется дырка, при этом свободных электронов нет. При при ложении к такому п/п электрического поля (Е) происходит перемещение дырок, а его электропроводсть называется дырочной (р-типа) и определяется формулой: σ_р = eрμ_р (обозначения см. выше).

Зонные диаграммы для различных пипов п/п

Собственный п/п Примесные п/п

i-тип n-тип р-тип

ЗП – зона проводимости, ЗЗ – запрещённая зона, ВЗ – валентная зона

ΔЕ – ширина ЗЗ, Е_с - дно зоны проводимости, Е_v - потолок валент- ной зоны, Е_д - донорный уровень, Е_д «∆Е, Еа - акцепторный уровень, Еа «∆Е.

16. Полупроводники (общие сведения и классификация) [26].

По значению удельного электрического сопротивления (ρ) п/п занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками (ρ = 10^-6÷10⁹ Ом см). Отличия от проводников: 1) при увеличении температуры ρ_п/п уменьшается (отрицательный температурный коэффициент удельного электрического сопротивления); 2) ρ_п/п резко изменяется при введении в п/п ничтожного количества примесей; 3) п/п чувствительны к различного типа внешним воздействиям – свету, ядерному излучению, электрическому и магнитному полям, давлению и др.

Свойствами п/п обладают целый ряд материалов – природных и синтетических, органических и неорганических, простых и сложных по химическому составу.

Простые п/п: Ge, Si, Se, Te, B, C, P, S, Sb, As, серое Sn, J.

Сложные п/п: 1) бинарные (двойные) соединения: A^IB^VII (CuCl, AgBr и др.); A^IB^VI (Cu₂O, CuS и др.); A^IB^V (KSb, K₃Sb и др.); A^IIB^VII (ZnCl₂, CdCl₂ и др.); A^IIB^VI (ZnO, ZnS, CdS и др.); A^IIB^V (ZnSb, Mg₃Sb₂ и др.); A^IIB^IV (Mg₂Sn, CaSi и др.); A^IIIB^VI (GaS, In₂Fe₃ и др.); A^IIIB^V (GaP, GaAs, InSb и др.); A^IVB^VI (GeO₂, PbS и др.); A^IVB^IV(SiC); A^VB^VI (Sb₂Te₃, Bi₂S₃ и др.); A^VIB^VI (MoO₃, WO₃ и др.); A^VIIB^VI (Fe₂O₃, NiO); 2) тройные соединения: A^IB^IIIB₂^VI (CuAlS₂, CuInS₂ и др.); A^IB^VB₂^VI (CuSbS₂, CuAsS₂ и др.); A^IB^VIIIB₂^VI (CuFeS₂ и др.); A^II B^IVB₂^V (ZnSiAs₂, ZnGeAs₂); A^IVB^VB₂^VI (PbSiSe); 3) твёрдые растворы: GeSi,GaAs_1-xP_x; In_xAl_1-xSb и др.

К органическим п/п относятся фталоцианин, антрацин, нафталин, коронел и др.

Германий, Ge: IV группа периодической системы элементов, №32, ат.вес – 72,59, Т_пл = 937^оС, ΔЕ = 0,65 эВ (300 К), ρ = 0,47Ом·м (20^оС), ТКЛР = 6 10^-3 град^-1 (0÷100^оС), уд. плотн. = 5,3 г/см³.

Получают из германийсодержащей руды путём химической переработки сырья с помощью концентрированной НCl в виде GeCl₄ (тетрахлорида Ge) – летучая жидкость, которая подвергается глубокой очистке методами экстракции и ректификации. После гидролизации водой получают диоксид Ge (GeO₂) – порошок белого цвета. Восстанавливают при 650^оС в токе очищенного Н₂ – получают серый порошок Ge. Затем травят в смеси кислот и сплавляют в слитки, которые используются как сырьё для получения особо чистого Ge методом зонной плавки или же непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из расплава.

Кристаллический Ge химически устойчив в воздухе при комнатной температуре, размельчённый в порошок при 700^оС в воздухе образует GeO₂. Слабо растворим в Н₂О и практически не растворим в HCl и разбавленной H₂SO₄. Активные растворители: смесь HNO₃ и HF, раствор Н₂О₂. При нагревании активно взаимодействует с галогенами, серой и сернокислыми соединениями.

Маркировка ГДГ075/05: Г – германий, Д – дырочная электропроводность, Г – легирующая примесь галлий (Ga), 075 – удельное сопротивление (0,75Ом·см), 05 – диффузионная длина неосновных носителей заряда (0,5 мм), t_приб = -60÷70^оС.

Применяется для изготовления диодов, транзисторов, датчиков Холла, тензодатчиков, фотодиодов, фототранзисторов, модуляторов света, оптических фильтров, датчиков ядерных частиц.

Кремний, Si: IV группа периодической системы элементов, №14, ат.вес – 28,86, Т_пл = 1412^оС, ΔЕ = 1,12эВ (300К), ρ = 20Ом·м (20^оС), ТКЛР = 4,2 10^-3 град^-1 (0-100^оС), уд. плотн. = 2,3г/см³– один из самых распространённых элементов в земной коре (~ 29%), имеется только в соединениях в виде окислов и солей Si-кислот: монокристаллы кварца – чистота 99,9%; песок (в специальных месторождениях) – чистота 99,8÷99,9%.

Технический Si получают восстановлением кремнезёма (SiO₂) в электрической дуге с графитовым электродом, примеси при этом составляют около 1%. Такой Si не может использоваться как полупроводник (примеси должны составлять 10^-6%), он используется как сырьё для п/п Si.

Технология получения п/п Si: 1) превращение технического Si в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; 2) очистка соединения физическими и химическими методами; 3) восстановление соединения с выделением чистого Si; 4) конечная очистка Si методом бестигельной зонной плавки; 5) выращивание монокристаллов.

Метод водородного восстановления трихлорсилана (SiHCl₃): технический Si обрабатывают сухим паром HCl (300÷400^оС) по реакции Si + 3HCl ↔ SiHCl₃ + H₂ – получается жидкость с t_кип= 32^оС, которая легко очищается методами экстракции, адсорбции и ректификации.

Основная очистка Si от примесей осуществляется химическими методами. Кристаллизационные методы имеют цель превратить полукристаллический Si, полученный химическим путём, в монокристаллический Si с определёнными электрофизическими свойствами. Объёмные кристаллы Si выращивают методами выращивания из расплава (крупные монокристаллы с ρ < 2,5Ом·м) и бестигельной зонной плавки (для получения высокоомных монокристаллов с малым содержанием примесей).

Si более сложный материал в технологическом плане (t_пл=1412^оС) и в расплавленном состоянии весьма химически активен – вступает в реакцию со всеми тигельными материалами. Для выращивания монокристаллов Si метод вытягивания из расплава имеет недостаток: загрязнение монокристалла кислородом (источник – кварцевый тигель SiO₂(тв) + Si(ж) → 2SiO), также при этом вводятся и другие примеси.

Методом вертикальной бестигельной плавки делают монокристаллы Si диаметром до 100мм. Si n-типа или р- типа проводимости получают введением при выращивании соответствующей примеси (Р или В), соответственно, марки КЭФ (кремний, электронная проводимость, фосфор) или КДБ(кремний, дырочная проводимость, бор).

Si п/п – основной материал п/п техники для создания микросхем и дискретных п/п приборов: низко- и высокочастотных, маломощных и мощных, полевых транзисторов, стабилитронов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, фотоэлементов солнечных батарей, датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерного излучения.

Карбид кремния, SiC: ΔЕ = 2,8÷3,1эВ, применяется в п/п приборах, работающих при температурах до 700^оС.

Технический SiC изготавливается в электрических печах путём восстановления SiO₂ (кварцевого стекла) углеродом: SiO₂ +3C → SiC + 2CO. В печах образуются сросшиеся кристаллы SiC, называемые друзами (некоторые до 1,5÷2 см²), которые дробят до порошка SiC. Кристаллы SiC п/п чистоты получают методом возгонки в печах с графитовыми нагревателями и экранами. Процесс кристаллизации проводят в атмосфере Ar при 2400÷2600^оС – получаются кристаллы пластинчатой формы с поперечным размером ~ 1см. SiC – очень твёрдый материал, не окисляющийся до температуры 1400^оС, при комнатной температуре не взаимодействует ни с какими кислотами. При нагревании растворяется в расплавах щелочей, а также взаимодействует с ортофосфорной кислотой и смесью азотной и плавиковой кислот.

SiC применяется для выпуска вариаторов (нелинейных резисторов), светодиодов, а также высокотемпературных диодов, транзисторов, тензорезисторов, счётчиков частиц высоких энергий.

Бинарные соединения. Практическое применение находят соединения A^IIIB^V, A^IIB^VI, A^IVB^IV. Соединения A^IIIB^V являются ближайшими аналогами Si и Ge: III гр (B, Al, Ga, In) + V гр (N, P, As, Sb) – они классифицируются по металлоидному типу (нитриды, фосфиды, арсениды, антимониды). Получают из расплава, содержащего элементы в равных концентрациях, или из растворов соединений, имеющих в избытке элементы III группы, а также из газовой фазы.

Некоторые сведения из истории развития светодиодов (СД) [27]: 1) в 60-70-е годы 20 века были созданы СД, излучающие в ИК- области спектра (850÷930нм, ΔЕ = 1,3÷1,6эВ), которые с применением антистоксовых люминофоров, излучающих в зеленой области спектра, имели световую отдачу 1÷2 лм/Вт (кристаллы на основе GaAs); 2) в 1975-1976г.г. Алфёров Ж.И. сделал первый шаг к созданию эффективных СД – его школой разработана концепция многопроходных двойных гетероструктур (МДГС) в системе GaAlAs, получаемых методом жидкостной эпитаксии; 3) в1991г. для СД, излучающих в красной области спектра (650÷680 нм, ΔЕ = 1,6÷2эВ) получена световая отдача 10лм/Вт; 4) с 2000г. световая отдача СД увеличилась до 30÷40лм/Вт (на AlGaInP/GaAs), до 60лм/Вт (на InGaN), 100 лм/Вт (на AlGaInP/GaP), ожидается её рост до 150÷200лм/Вт с применением метода металлоорганического химического вакуумного напыления (диффузии) – метода MOCVD.

Кристаллы GaAs, InAs, InSb обычно выращивают из расплава вытягиванием на затравку из под инертного флюса, находящемся под давлением инертного газа, они требуют очистки, как для Si и Ge.

Для СД нового поколения применяются многослойные гетероструктуры на основе нитридных соединений (GaN, AlN, InN, InGaN) – это прямозонные широкозонные полупроводники с ΔЕ > 2,16эВ для СД зелёного, синего, фиолетового и ультрафиолетового излучения, для InGaN ΔЕ =2,4÷ ÷4эВ. Для структуры AlGaInP/GaP характерно красно-оранжевое излучение (ΔЕ = 1,7÷2,3эВ). СД белого света получается путём преобразования части синего излучения (структура InGaN) с помощью люминофора, излучающего в зелёно-оранжево-красной области спектра. Таким люминофором является алюмоиттриевый гранат, активированный церием, в котором добавкой галлия корректируется спектр излучения Се: Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce.

Структура кристалла InGaNСтруктура кристалла AlGaInP/GaP

1. Ni – Au 1. Au-Zn

2. p-GaN:Mg (0,15мкм) 2. p-GaP

3. p-AlGaN (60нм) 3. p-AlGaInP (~1мкм)

4. Активная область – 4. Активная область-

структура квантовых ям структура квантовых ям

5. n-GaN:Si (5 мкм) 5. n-AlGaInP (~1мкм)

6. GaN- буферный слой(30нм) 6. n-GaAs или n-GaP

7. Сапфировая подложка 7. Au-Ge

8. Ti-Al

Дата добавления: 2014-01-06