Елементарні і багатокомпонентні напівпровідники

КЛАСИФІКАЦІЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

При аналізі властивостей конкретних напівпровідників раніше розглянуту основну класифікацію доцільно дещо деталізувати. Це дозволить виділити найбільш типові параметри матеріалів і полегшити вибір конкретних зразків для технічного використання. Найбільш раціонально на цьому етапі розділити матеріали за їх хімічним складом і структурою. Це неминуче відіб'ється на електронних властивостях напівпровідника.

Класичними напівпровідниками, що цілком задовольняють цьому класу матеріалів, є германій і кремній. До цієї ж групи матеріалів іноді відносять ще ряд елементів типу В, С, 5п, Р і т.д. Проте технічного застосування вони не знаходять і навряд чи складуть конкуренцію кремнію і германію - головним матеріалам сучасної електроніки.

До другої групи напівпровідників звичайно відносять ковалентно-іонні з'єднання А^⁵ та іонно-ковалентні з'єднання типу А^⁶, А^⁶ і деякі інші. Найбільш розроблені і перспективні матеріали цього класу - арсенід і фосфід галію, фосфід і антимонід індію. Особливі надії дослідники пов'язують із розробкою твердих розчинів на основі цих матеріалів, коли відкриваються широкі перспективи безперервного і незалежного керування декількома параметрами напівпровідника.

Третю групу напівпровідників утворюють оксиди металів із перемінною валентністю - Ре, 5п, V, Мп, Си і т.д., які спроможні при формуванні кристалічної ґратки змінювати свою валентність і утворювати вільні електронно-діркові пари. По своїй фізичній сутності зміна валентності компоненти однієї з підграток кристалу означає наявність у матеріалів цього класу відхилення від стехіометричного складу і значної області гомогенності. Керуюча концентрацією власних дефектів, в принципі можливо змінювати тип і величину електропровідності. Проте експерименти показують, що матеріали цього класу мають низьку рухливість носіїв заряду через специфічний механізм електропровідності, у них надзвичайно складно формувати р-п переходи. Тому такі напівпровідники в якості активного середовища електронного приладу не використовують. У той же час ці матеріали мають практично унікальні магнітні властивості і поряд із низькою електропровідністю формують той комплекс властивостей, що особливо необхідний у техніці НВЧ (ферити). Ці матеріали будуть розглянуті в окремому розділі, присвяченому матеріалам з особливими фізичними властивостями.

Класичними напівпровідниками є кремній і германій. Саме завдяки цим матеріалам досягнуто значних успіхів сучасної твердотільної електроніки. Можливості здійснення в одному кристалі провідностей двох типів відкрило широкі перспективи в створенні різноманітних за своїм функціонуванням р-п переходів. Комбінуючи їх кількість, розташування, варіанти вмикання і т.д., можна створювати найрізноманітніші прилади, інтегральні схеми, всі елементи яких формуються в одному технологічному циклі на одному монокристалі. Найбільш повно властивості елементарних напівпровідників виявляються в структурі з двома р-п переходами. Такі транзисторні структури застосовуються для посилення, генерації, детектування сигналів тощо. Крім класичних біполярних транзисторів кремній, завдяки наявності високотехнологічного власного окисла ЗіОз, широко використовується для створення структур типу метал-окисел-напівпровідник. Ці елементи складають основу електронних мікросхем цифрової обчислювальної техніки. Транзистори та інтегральні схеми випускаються у величезних кількостях -десятками млрд. штук у рік, і їх виробництво безупинно зростає.

Крім відзначеної універсальної продукції велике самостійне значення в медичній техніці мають наступні прилади на елементарних напівпровідниках:

1. Напівпровідникові прилади НВЧ діапазону - тунельні, лавинно-пролітні і ганновські прилади. Ці прилади призначені для роботи в якості підсилювачів і генераторів високочастотних каскадів медичної електронної техніки.

2. Перетворювачі фізичних величин в електричні - датчики тиску, прискорень, хімічного складу, температури, освітленості, радіації, магнітного поля і т.д. Цей напрямок використання кремнію є основним для біомедичної техніки, де перетворювачі грають головну роль.

Відзначимо, що приблизно п'ята частина виробництва датчиків припадає на їх напівпровідниковий різновид.

3. Оптоелектронні прилади: світлодіоди, лазери, фотодетектори, сонячні батареї і т.д.

Навіть цей далеко неповний перелік застосувань дозволяє судити про те, наскільки широкі області застосування елементарного кремнію у сучасній електронній техніці.

Яке ж положення германию - ще одного класичного напівпровідника в сучасній електроніці? Незважаючи на те, що германий у свій час послужив першим модельним матеріалом не тільки для фізики напівпровідників, але і для вивчення процесів одержання високоякісних монокристалів, усе ж його застосування в даний час достатньо обмежене. Це обумовлено більш вузьким температурним діапазоном роботи германієвих приладів, відсутністю окисла що пасивує поверхню матеріалу, досить низькою швидкістю дифузії домішок, високою вартістю і т.д. Тому попит на германій, як матеріал класичної електроніки, у даний час у процентному відношенні став стійко падати. У той же час для германію виявилася специфічна область застосування, де він дотепер поза конкуренцією - детектування різного роду випромінювань та інфрачервона оптика. Цей напрямок застосування підтримує світове виробництво особо чистих кристалів германію з року в рік на приблизно постійному масовому рівні.

Після освоєння у виробництві електронних приладів на базі елементарних напівпровідників почався пошук відповідних матеріалів серед хімічних сполук. Виходячи з розумінь симетрії таблиці Менделєєва та кристалохімічної аналогії був передбачений цілий ряд сполук, які повинні мати напівпровідникові властивості. Найближчими хімічними аналогами кремнію і германію є сполуки А^⁵. З часом на практиці були отримані високоякісні монокристали сполук елементів III групи таблиці Менделєєва з елементами V групи. Аналіз показав, що різниця у властивостях електронних оболонок цих елементів не дуже велика, і хімічний зв'язок між ними носить ковалентний характер із слабко вираженою іонною тенденцією. Це й обумовило їх напівпровідникові властивості.

Сполуки А^⁵ досить різноманітні за фізичними властивостями, що відображає широкий діапазон параметрів вихідних компонентів від практично металевих у сурми до діелектричних у фосфору. Зі сказаного випливає можливість розділити матеріали А^⁵ у відповідності з зонною структурою на широкозонні (ОаР, ОаАз, ІпР) і вузькозонні (Оа8Ь, ІпА§, Іп5Ь). Поява можливості вибирати необхідну ширину забороненої зони матеріалу різко розширило галузь застосування напівпровідників, а керування іншими параметрами принципово змінило ситуацію в електронній техніці.

Слідством істотних розходжень зонної структури матеріалів аналізованого класу є широкий діапазон рухливостей носіїв заряду від десятків до десятків тисяч см¹ ЇВ • с. Складна ж багатодолинна будова енергетичних зон у добавок до цього відкрила перспективу застосування матеріалів у приладах НВЧ техніки (діоди Ганна, лавинно-пролітні діоди), що працюють на квантових фізичних принципах. При цьому, якщо арсенид галію забезпечує граничні частоти роботи до 30-40 Ггц, то параметри фосфіда індію повинні забезпечувати функціонування приладів аж до 100 Ггц.

Високі високочастотні параметри підтверджують і дані за тривалістю життя носіїв заряду. Іншими словами, ці матеріали забезпечують високу швидкість випромінювальної рекомбінації, що забезпечує ефективне випромінювання, починаючи від ультрафіолетових і закінчуючи інфрачервоними довжинами хвиль.

Близькість властивостей різноманітних сполук А^В⁵, їх так званий ізоморфізм, обумовлює можливість утворювати в аналізованому гомологічному ряду системи твердих розчинів із різноманітним числом компонентів. Перехід до систем твердих розчинів дозволив створити новий вид р-п переходу -гетеропереход. Гетеропереход - це перехідний шар з існуючим там електричним полем між напівпровідниками, що відрізняються один від одного шириною енергетичних зон [2]. Саме зі створенням гетеропереходов з'явилася можливість реалізувати всі переваги напівпровідників. Зокрема, першим напівпровідниковим лазером, працюючим у безперервному режимі при кімнатній температурі був інфрачервоний лазер на гетеропереходах ОахАїї.хАз-ОаАз-СауАІі.уАз. У цьому приладі генерація випромінювання здійснювалася за рахунок інжекції носіїв заряду із широкозонних емітерів в активну область з СаАз.

Просунутися в більш довгохвильову область інфрачервоного спектру можливо, застосовуючи в якості активного середовища четверні тверді розчини ОахІпі.хРуАзі.у, ОахІпі.уАзі.уЗЬу, ІпА8у5Ьу та ін. Слід зазначити, що тільки перехід на чотирикомпонентні тверді розчини дозволив досягти високої якості структури матеріалу в гетеропереході. Саме введення в систему ще одного компоненту дало ще один термодинамічний ступінь свободи і дозволило незалежно керувати шириною забороненої зони матеріалу (спектром випромінювання) і періодом кристалічної ґратки матеріалів, що сполучаються, (кристалографічна досконалість структури).

Незважаючи на свої очевидні переваги, сполуки А^⁵ не позбавлені недоліків. Зокрема, для цих матеріалів спостерігається обмежена, не дуже велика розчинність активних домішок, що не забезпечує необхідний рівень інжекції в напівпровідникових приладах, а також ускладнює керування ефективністю випромінювальної рекомбінації. На відміну від кремнію в цих матеріалах відсутні власні стабільні оксиди, що обмежує їх застосування в МОН структурах. До сказаного варто додати і значні технологічні складності їх отримання. В даний час ведуться інтенсивні дослідження матеріалів цього класу.

Майже всі метали утворююь сполуки з елементами групи IV - сіркою, селеном і телуром. Велика частина цих матеріалів -напівпровідники. Найбільш характерною рисою цього класу матеріалів є їх висока фото- і п'єзо- чутливість.

Відмінністю цієї групи напівпровідників від вище розглянутих є' надзвичайно сильна залежність Їх властивостей від умов отримання. У першу чергу це пов'язано зі значними тисками парів летучих компонентів при температурі синтезу. Тиск пару грає вирішальну роль у визначенні дефектності матеріалу, концентрації носіїв заряду в ньому, рухливості і т.д. Тому досить часто для одержання кристалів із заданими властивостями необхідний тривалий випал у термодинамічне заданих умовах. Найбільш масове застосування сполуки А^⁶ знайшли в якості ефективних люмінофорів для екранів приладів електронної техніки. Завдяки чутливості до видимого спектру з цих матеріалів виготовляють сонячні батареї. При цьому їх ККД може досягати 10 %. Часто халькогеніди служать у якості фоторезисторів. Все таки в даний час виробництво цих напівпровідників досить обмежене.

Найбільше рельєфно переваги халькогенідів сконцентровано у вузькозонних напівпровідникових твердих розчинах РЬх§пі-хТе і СсіхН§і.хТе (КРТ). По виявній спроможності і чутливості в інфрачервоному діапазоні КРТ на багато перевершує Зі і Ое. Крім того, він стабільно працює при температурі рідкого азоту, тоді як інші матеріали потребують більш високого ступеня охолодження. Незважаючи на те, що цей твердий розчин надзвичайно складний у технологічному відношенні, обсяги робіт із його вивчення усе зростають. Виключивши стратегічні потреби в матеріалах, що працюють в інфрачервоній області спектру, відзначимо лише типові медичні аспекти їхнього застосування [3]:

1.• Безконтактне і локальне вимірювання температури шкіри;

2. Рання діагностика раку;

3. Контроль за протіканням процесу загоєння ран без зняття пов'язок;

4. Визначення вмісту вуглекислого газу в крові і видихуваному повітрі;

5. Визначення оптимального місця для ампутації;

6. Дослідження властивостей ока через непрозорі середовища.

Області застосування напівпровідників постійно поширюються, технологія їх отримання безупинно удосконалюється. У той же час варто визнати, що рішення задачі одержання напівпровідникових сполук із заданими властивостями ще далеке до повного завершення.

Дата добавления: 2014-01-04