Электропроводность полупроводников

КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

А. ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА И

ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

ЦЫГАНОВА Людмила Викторовна

ФЕДОРЕНКО Анатолий Степанович

Федоренко А.С.

Учебно - методическое издание

Сабанов Валерий Иванович,

Голубев Алексей Николаевич,

Грибина Лариса Николаевна,

Мирошникова Оксана Витальевна,

Комина Елена Родионовна,

Бирюкова Людмила Федоровна,

Шамина Елена Николаевна.

Тестовые задания по медицинской информатике и статистике с правильными решениями. Учебно–методическое пособие к практическим занятиям.

Под редакцией профессора В.И. Сабанова

Для специальностей: 060101 65 Лечебное дело; 060103 65 Педиатрия; 060201 (060105) 65 Стоматология; 060105 (060104) 65 Медико-профилактическое дело; 060301 (060108) Общественное здравоохранение.

Редакторы _____________

Компьютерная верстка ______________

Подписано в печать __.__.2013г Формат 60х84/16

Гарнитура _________. Бумага офсетная.

Усл. печ. л. __. Уч.-изд. л. __. Тираж __ экз. Заказ № __.

Волгоградский государственный медицинский университет

400131, Волгоград, пл. Павших борцов, 1

Издательство ______

И...? Технология материалов и изделий электронной техники,

учебное пособие / А.С.Федоренко, Л.В. Цыганова.- Саранск:

Изд-во Мордов. ун-та, 2011.- 132 с.

ISBN 978-5-….-....-.

В учебном пособии дается анализ технологических свойств и требований к основным материалам (металлам, газопоглотителям, припоям, люминофорам, стеклам, керамике, газам, эмиттерам, полупроводникам, фоторезистам и др.), применяемым в производстве электровакуумных, полупроводниковых приборов и источников света. Рассмотрены основные процессы технологии и оборудование для производства указанных материалов и изделий с их применением.

Изложенный в работе материал предназначен для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов, обучающихся по специальности и профилю «Светотехника и источники света» направления «Электроника и наноэлектроника»

УДК 621.3-03(075.8)

ББК...?

Учебное издание

Печатается в авторской редакции

Компьютерная верстка.................

Подписано в печать...... 11 Формат 60х84 1/16. Усл. печ. л..,..

Тираж 100 экз. Заказ №...

Издательство Мордовского университета

Типография Издательства Мордовского университета

430005, Саранск, ул. Советская, 24

ISBN 978-5-….-....-. © Федоренко А.С., Цыганова Л.В., 2011

© Оформление. Издательство

Мордовского университета, 2011

В зависимости от рассматриваемой проблемы может быть несколько видов классификации материалов: по составу и структуре, по свойствам (температура плавления, давление паров, электропроводность, теплопроводность, способность растворять ртуть и т.д.), по техническому назначению (для электровакуумных приборов (ЭВП), для источников света (ИС), для полупроводниковых (п/п) приборов и др.).

По составу материалы классифицируются на чистые металлы (Ме), п/п или диэлектрики; материалы с двумя и более компонентами; материалы с легирующими добавками, примесями или активаторами.

Материалы по структуре классифицируются на: аморфные вещества (частицы располагаются хаотически); монокристаллические вещества (частицы во всем объеме тела располагаются в одном порядке); поликристаллические вещества (частицы располагаются упорядоченно в пределах отдельных областей). Монокристаллы обладают анизотропие – зависимостью какой-то характеристики (характеристик) от направления в пространстве. Одни и те же вещества могут иметь моно- или поликристаллическую структуру в зависимости от способа изготовления, например, прутки из вольфрама или трубки из окиси алюминия.

По температуре плавления (t_пл) материалы классифицируются на тугоплавкие (выше 2000 ^оС), легкоплавкие (50 – 500 ^оС) и со средними t_пл (500 – 2000 ^оС).

По значению давления паров металлов (Р_Ме) они располагаются в следующем порядке: Hg, Cs, Rb, Na, Cd, Zn, Mg, Li, …, In, Sn, …, Zr, Pt, Nb, Mo, Ta, W.

Классификация по электропроводности (значению удельного электрического сопротивления, ρ, Ом/см): проводники (ρ ≤ 10^-6); п/п (10^-6 ≤ ρ ≤ 10¹²); диэлектрики (ρ ≥ 10¹²). В проводнике 1 электрон приходится на 1 атом, в п/п – 1 электрон на 10⁶ атомов, в диэлектрике – 1 электрон на 10¹² атомов. Электропроводность п/п, которая зависит от рода и количества в них примеси, мы рассмотрим ниже.

Другие классификации материалов, в том числе п/п, приведены при рассмотрении отдельных материалов.

Рассмотрим возможные типы проводимости на примере чистого и легированного кремния.

Схемы изменения электроводности п/п кремния (i – тип проводимости) приведены ниже.

а)

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

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

в) в) чистый п/п (Si) при приложении электрического поля (Е), 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 Si при легировании его фосфором (n-тип 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 возникает 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 (Si легирован бором)

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-я пара остается незаполненной, т.е. образуется дырка, при этом свободных электронов нет. При приложении к такому п/п электрического поля происходит перемещение дырок, а его электропроводность называется дырочной (р-типа) и определяется формулой σ_р = eрμ_р (обозначения см. выше).

Зонные диаграммы для различных типов п/п

Собственный п/п Примесные п/п

i-тип n-тип р-тип

ЗП – зона проводимости, ЗЗ – запрещенная 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, Е_а – акцепторный уровень, Е_а << ∆Е.

Полупроводники (общие сведения и классификация)

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

Свойствами п/п обладает 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) твердые растворы: GeSi,GaAs_1-xP_x; In_xAl_1-xSb и др.

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

Ниже приведены характеристики отдельных п/п материалов.

Германий, Ge: IV группа периодической системы элементов, № 32, ат.вес – 72,59, t_пл = 937 ^оС, ΔЕ = 0,65 эВ (300 К), ρ = 0,47 Ом·м (20 ^оС), ТКЛР (температурный коэффициент линейного расширения) = 6∙10^-3 град^-1

(0 – 100 ^оС), уд. плотн. = 5,3 г/см³.

Получают из германийсодержащей руды путем 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 сырье 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, размельченный в порошок при 700 ^оС в воздухе образует GeO₂. Ge cлабо растворим в Н₂О и практически нерастворим 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 (0,75 Ом·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, t_пл = 1412 ^оС, ΔЕ = 1,12 эВ (300 К), ρ = 20 Ом·м (20 ^оС), ТКЛР = 4,2 10^-3 град^-1 (0 – 100 ^оС), уд. плотн. = 2,3 г/см³– один из самых распространенных 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 кремнезема (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 сырье для п/п Si.

Технология получения п/п Si: превращение технического Si в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; очистка соединения физическими и химическими методами; восстановление соединения с выделением чистого Si; конечная очистка Si методом бестигельной зонной плавки; 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 путем, в монокристаллический Si с определенными электрофизическими свойствами. Объемные кристаллы Si выращивают методами выращивания из расплава (крупные монокристаллы с ρ < 2,5 Ом·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 100 мм. Si n-типа или р- типа проводимости получают введением при выращивании примеси (Р или В), соответственно, марки КЭФ (кремний, электронная проводимость, фосфор) или КДБ (кремний, дырочная проводимость, бор).

Монокристаллический Si – 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 – 3,1 эВ, применяется в п/п приборах, работающих при температурах до 700 ^оС.

Технический SiC изготавливается в электрических печах путем 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 ~ 1 см. SiC – очень твердый 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, счетчиков 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) [2,28]: 1) в 60 – 70-е годы XX века были созданы СД, излучающие в ИК-области спектра (850 – 930 нм, ΔЕ = 1,3 – 1,6 эВ), которые с применением антистоксовых люминофоров, излучающих в зеленой области спектра, имели световую отдачу 1 – 2 лм/Вт (кристаллы на основе GaAs); 2) в 1975 – 1976 гг. Ж.И. Алферов сделал первый шаг к созданию эффективных СД – его школой разработана концепция многопроходных двойных гетероструктур (МДГС) в системе GaAlAs, получаемых методом жидкостной эпитаксии; 3) в 1991 г. для СД, излучающих в красной области спектра (650 – 680 нм, ΔЕ = 1,6 – 2 эВ) получена световая отдача 10 лм/Вт; 4) с 2000 г. световая отдача СД увеличилась до 30 – 40 лм/Вт на AlGaInP/GaAs, до 60 лм/Вт на InGaN, 100 лм/Вт на AlGaInP/GaP, ожидается ее рост до 150 – 200 лм/Вт с применением метода металлоорганического химического вакуумного напыления (диффузии) – метода MOCVD. Структура последних кристаллов приведена на рис. А1.1.

Кристаллы GaAs, InAs, InSb обычно выращивают из расплава вытягиванием на затравку из-под инертного флюса, находящегося 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 > 2,16 эВ для СД зеленого, синего, фиолетового и ультрафиолетового излучения, для InGaN ΔЕ =2,4 – 4 эВ. Для структуры AlGaInP/GaP характерно красно-оранжевое излучение (ΔЕ = 1,7 – 2,3 эВ). СД белого света получается путем преобразования части синего излучения (структура InGaN) с помощью люминофора, излучающего в зелено-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

а) б)

Рисунок А1.1. Структуры наиболее эффективных кристаллов:

а): 1 – Ni – Au, 2 – p-GaN:Mg (0,15мкм), 3 – p-AlGaN (60нм), 4 – активная область – структура квантовых ям, 5 – n-GaN:Si (5 мкм), 6 – GaN-буферный слой(30нм), 7 – сапфировая подложка, 8 – Ti-Al; б): 1 – Au-Zn, 2 – p-GaP, 3 – p-AlGaInP (~1мкм), 4 – активная область – структура квантовых ям, 5 – n-AlGaInP (~1мкм), 6 – n-GaAs или n-GaP, 7 – Au-Ge

Задания для самостоятельной работы

1. Охарактеризуйте виды классификации материалов для ЭВП, источников света и п/п приборов.

2. Рассмотрите типы электропроводности, характерные для материалов, применяемых в источниках света, в том числе плазменных, ЭВП и п/п приборах.

3. Приведите отличительные характеристики п/п материалов от материалов для ЭВП и источников света (тепловых и плазменных).

4. Назовите основные этапы развития материалов для плазменных и твердотельных источников света.

5. Перечислите основные области применения проводниковых и п/п материалов.

Дата добавления: 2014-11-25