Полупроводниковые материалы

Из большого количества полупроводниковых материалов неорганичес-кого и органического происхождения монокристаллической и поликристал-лической структуры в радиоэлектронике применяют главным образом герма- ний, кремний, селен, карбид кремния и арсенид галлия. Эти материалы широко используют в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Германий Ge – элемент 4-й группы Периодической системы. В резуль-тате сложных химических процессов получают слиток германия. Сначала этот слиток освобождают от примесей методом зоннной плавки. В очищен-ном полупроводниковом материале примеси должны составлять не более 10^-9 (% по массе) у германия и не более 10^-11 (% по массе) у кремния.

Чтобы получить монокристаллический германий, его сначала расплав-ляют в вакууме или в атмосфере инертного газа. Затем для получения герма- ния с электропроводностью п - или р -типа в расплав очищенного германия вводят донорную или акцепторную примесь. Германий имеет плотность 5320 кг/м³, температуру плавления 973,2°С. Очищенный нелегированный герма-ний обладает следующими электрическими характеристиками: удельное соп-ротивление ρ = 0,60 ÷ 0,68 Ом·м; ε _r = 16,3. У легированных сортов германия с электропроводностью п -типа ρ = 0,0003 ÷ 0,45Ом·м; с электропроводностью р -типа ρ = 0,004 ÷ 0,057Ом·м (в зависимости от степени легирования). Германий широко применяют для изготовления диодов, фотоэлементов и других полупроводниковых приборов.

Кремний Si является также элементом 4-й группы. Он широко распрос-транен в природе в виде кремнезема SiO₂, который служит одним из исход-ных веществ для получения технических сортов кремния.

В результате очистки слитков кремния методом зонной плавки и после- дующего введения легирующих примесей получают монокристаллический кремний с электропроводностью п- или р-типа в зависимости от введенных легирующих примесей. Основные характеристики очищенного нелегирован-ного кремния: плотность 2328 кг/м³; температура плавления 1420°С; ρ = (2 ÷ 3)10³ Ом·м; ε _r = 11,7. У легированных сортов кремния с электропровод-ностью п -типа ρ = 0,0001 ÷ 2,0 Ом·м; с электропроводностью р -типа

ρ = 0,00014 ÷ 0,50 Ом·м.

Кремний применяют более широко, чем германий, так как верхний пре-дел рабочей температуры полупроводниковых приборов на основе кремния 130 – 200°С, а на основе германия 80 – 100°С. Кремний применяют в качест-ве основания в интегральных полупроводниковых схемах.

Селен Se – элемент 6-й группы периодической системы. Селен может иметь аморфное или кристаллическое строение. Черный аморфный селен представляет собой диэлектрик с удельным сопротивлением ρ = 10¹¹ Ом·м. Кристаллический селен является примесным полупроводником р -типа, име- ющим следующие характеристики: плотность 4800 кг/м³; ε_r = 6,3 ρ = (0,8 ÷ 5)10³ Ом·м;. Селен применяют для изготовления фотоэлементов и фоторезисторов.

Карбид кремния SiC представляют собой материал с ярко выраженной нелинейной зависимостью между током и напряжением. Чтобы получить примесную электропроводность того или иного типа, вводят примеси – фосфор, сурьму, висмут, кальций, магний, алюминий и др.

Карбид кремния, легированный фосфором, сурьмой или висмутом об-ладает электропроводностью п -типа, а легированный кальцием, алюминием или бором – электропроводностью р -типа. Основные характеристики карбида кремния: плотность 3200 кг/м³; ρ = 10² ÷ 10⁵ Ом·м; ε _r = 6,5 ÷ 7,5. Удельное сопротивление карбида кремния зависит от его состава.

Основной областью применения наиболее чистых сортов карбида крем-ния является производство варисторов, обрадающих нелинейной симмет-ричной вольт-амперной характеристикой и могущих работать в интервале температур от -50 до +80°С. Кроме этого из поликристаллического карбида кремния изготовляют диоды и транзисторы на рабочие температуры до 500°С, а также светодиоды.

Арсенид галлия GaAs представляет собой соединение мышьяка и гал-лия и является монокристаллическим полупроводником. Характерними осо- бенностями арсенида галлия являются большая подвижность электронов и дырок. Это позволяет создавать на основе арсенида галлия приборы,которые могут работать в области высоких частот и повышенных температур. Для

р-п -переходов могут быть допущены рабочие температуры до 300 – 400°С, т.е. значительно выше, чем в приборах на основе германия и кремния.

Основные характеристики арсенида галлия: плотность 5400 кг/м³;

ρ = 10² ÷ 10⁷ Ом·м; ε _r = 11,2; температура плавления 1237°С.

Аморфные полупроводники. В отличие от рассмотренных полупровод-дниковых материалов кристаллической структуры аморфные полупровод-ники представляют собой специальные стекла.

Стеклообразные полупроводники отличаются от изоляционных стекол наличием электронной проводимости. Среди аморфных полупроводников различают три основные группы стекол: оксидные, элементные и халькоге-нидные. Наибольший практический интерес представляют халькогенидные стекла, обладающие устойчивой электронной электропроводностью, малой подвижностью носителей, фотопроводимостью и радиационной стойкостью.

Халькогенидные стекла могут состоять из двух, трех и более компонен- тов, таких, как сера, теллур, сурьма, мышьяк и др. Для обеспечения тех или иных свойств в исходный материал халькогенидных стекол вводят присадки: золото, серебро, медь и др.

Удельная проводимость халькогенидных стекол лежит в пределах:

γ = 10^-21 ÷ 10^-11 См/м. Температурная и частотная зависимость проводимости халькогенидных стекол имеют тот же характер, что и у кристаллических полупроводников.

Простая технология получения халькогенидных стеклообразных полу-проводников, легкость управления их электрическими свойствами обеспечи- вают им широкое применение в РЭА.

Дата добавления: 2014-01-20