Строение и свойства полупроводниковых материалов
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

 

Таблица 11.3. ширина запрещенной зоны ΔЕ полупроводниковых элементов
К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным электросопротивлением в пределах 10-5 – 108 Ом∙м. к этим материалам относятся 12 элементов (табл. 11.3), представляющие простые полупроводники, а также многие химические соединения элементов различных групп Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева (табл. 11.4).

 

Таблица 11.4. ширина запрещенной зоны ΔЕ и структура сложных полупроводниковых фаз
Из простых полупроводников наиболее распространены германий и кремний. Германий и кремний – элементы IV группы, имеют кристаллическую решетку алмаза с ковалентным типом межатомной связи. В такой решетке каждый атом расположен в центре правильного тетраэдра и имеет четырех соседей, с которыми он вступает в ковалентную связь, достраивая свою валентную зону до восьми электронов (рис. 11.9). В результате каждый валентный электрон становится «общим» для двух атомов и валентная зона каждого атома оказывается заполненной.

Появление электрического тока в полупроводнике возможно лишь тогда, когда часть электронов покидает заполненную валентную зону и переходит в зону проводимости, где они становятся носителями электрического тока. Для такого перехода электроны должны пройти зону запрещенных энергий Е, для чего необходима определенная энергия, которую полупроводник может получить в виде света или теплоты. При нагреве увеличивается концентрация носителей электрического тока, а электросопротивление полупроводника уменьшается.

Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше должна быть температура нагрева полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока. Так у кремния ширина запрещенной зоны существенно выше, чем у германия, поэтому при нагреве кремний сохраняет высокие постоянные значения электросопротивления до больших температур. Это позволяет использовать кремниевые приборы для работы при более высоких температурах, чем германиевые.

В кристаллах с ковалентной связью проводимость электрического тока может осуществляться как путем перемещения электронов (электронная проводимость, или n-проводимость), так и путем перемещения «дырок» (дырочная, или p-проводимость). Вследствие большой подвижности электронов в «идеальных» кристаллах химически чистого полупроводника электронная проводимость превалирует. В реальных кристаллах химически чистого германия и кремния может превалировать дырочная проводимость из-за неизбежных дефектов в упаковке атомов(дислокации; вакансии; границы зерен, блоков и т.д.). проводимость в химически чистом полупроводнике называется собственной проводимостью. Однако получить химически чистые элементы весьма сложно. Вследствие этого полупроводники всегда содержат примеси, которые изменяют характер и значение проводимости. Электрическая проводимость, обусловленная присутствием примесей в полупроводнике, называется примесной.

Примеси элементов V группы в германии и кремнии определяют электронный тип проводимости, так как отдают в валентную зону кристалла полупроводника четыре электрона, а пятый становится носителем электрического тока. Такие примеси называют донорными. Для германия ими являются мышьяк и сурьма. А для кремния – фосфор и мышьяк. Полупроводники, в которых преобладают донорные примеси, называются электронными, или n -типа.

Примеси элементов III обусловливают дырочный тип проводимости, так как отдают в зону кристалла полупроводника только три электрона. В кристалле образуются незаполненные связи – «дырки», что вызывает ряд последовательных перемещений электронов. В результате дырка перемещается подобно положительному заряду. Такие примеси называются акцепторными. Для германия ими служат галлий и индий. Для кремния – бор и алюминий. Полупроводники с преобладанием акцепторных примесей называются дырочными, или p -типа.

Примеси резко изменяют собственную проводимость полупроводника. Потенциал ионизации у примесей меньше, чем у полупроводников, поэтому уже при 20 – 25  практически все атомы примесей ионизированы. Благодаря этому концентрация примесных носителей электрического тока обычно выше концентрации собственных носителей. При содержании 1020 атомов примесей в 1 м3 полупроводника, что составляет всего 10-7%, собственное удельное электросопротивление германия снижается от 0,5 до 0,15 Ом м (рис. 11.10).

Помимо концентрации примесных носителей электрического тока большое влияние на проводимость оказывает их подвижность. Для германия подвижность электронов и дырок при 20  соответственно равна 0,38 и 0,18 м2/(В с). Дефекты кристаллической решетки, примеси, и тепловые колебания атомов вызывают рассеяние носителей, снижая тем самым их подвижность. Все это приводит к неконтролируемым изменениям проводимости полупроводника, но может быть частично устранено применением монокристаллов, в которых плотность дефектов кристаллической структуры значительно ниже.

Важной характеристикой полупроводников является также время жизни примесных носителей электрического тока. В полупроводнике одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок идет обратный процесс рекомбинации: электроны из зоны проводимости вновь возвращаются в валентную зону, ликвидируя дырки. В результате концентрация носителей уменьшается. При данной температуре между двумя этими процессами устанавливается равновесие. Среднее время, в течение которого носитель существует до своей рекомбинации, называется временем жизни. Расстояние, которое успеет пройти за это время носитель, называют диффузионной длиной. Некоторые примеси и дефекты уменьшают время жизни носителей электрического тока и тем самым ухудшают работу прибора. Для хорошей работы полупроводникового прибора время жизни носителей должно быть не меньше, чем 10-5с.

Таким образом, к основным характеристикам полупроводниковых материалов относятся удельное электросопротивление

 = (1/e)(Nn n + Np p),

где – e заряд электрона; Nn и Np – соответственно концентрация донорной и акцепторной примесей; n и n – подвижность электронов и дырок, которое зависит от концентрации и подвижности носителей электрического тока, а также время жизни носителей электрического тока. Каждая из этих характеристик определяет свойства полупроводника и зависит от вида и количества примесей, а также наличия дефектов кристаллической структуры.

В связи с этим для изготовления высококачественных приборов необходимы монокристаллы германия и кремния высокой степени чистоты и совершенной кристаллической структуры. Для получения нужного типа проводимости кристаллы легируют в строго контролируемых микродозах.

Кроме химически чистых элементов в полупроводниковой технике используют сложные полупроводниковые соединения. Это промежуточные фазы элементов разных групп Периодической таблицы Д.И. Менделеева: соединения элементов четвертой группы АIVBIV; третьей и пятой AIIIBV, а также второй и шестой групп AIIBVI.

Основной представитель соединения типа АIVBIV – карбид кремния SiC. В гексагональной кристаллической решетке карбида кремния, как и в кубической решетке алмаза, каждый атом кремния (или углерода) имеет четырех соседей (тетраэдрическое окружение), с которыми он вступает в ковалентную связь. Атомы углерода занимают тетраэдрические поры. Карбид кремния является фазой строго стехиометрического состава, поэтому его проводимость определяют точечные дефекты структуры, частичная разупорядоченность атомов в кристаллической решетке или примеси. Примеси III и II групп являются для него акцепторными, V и VI групп – донорными.

Полупроводниковые фазы типа AIIIBV определенного стехиометрического состава не являются чисто ковалентными кристаллами, так как из-за различия в валентности элементов в них наряду с ковалентными возникают и ионные связи. Кристаллическая решетка таких соединений аналогична решетке алмаза. Из соединений типа AIIIBV применяют соединения с сурьмой – антимониды (например, ZnSb) и с мышьяком – арсениды (например, GaAs). Они имеют определенные химический состав, поэтому неосновные носители электрического тока возникают из-за примесей, точечных дефектов и разупорядоченности. Примеси III и V групп мало влияют на проводимость. Примеси II группы являются акцепторными, VI – донорными. Элементы IV группы в тех случаях, когда они замещают атомы А – доноры, если замещают атомы В – акцепторы.

Применение находят также соединения типа AIIBVI. К ним относятся сульфиды и оксиды. В таких соединениях преобладает ионный тип связи, и они имеют переменный состав. Избыток ионов металла в соединении создает электронную проводимость. При избытке неметаллических ионов соединение приобретает дырочную проводимость. В соединении типа AIIBVI преобладания электронной или дырочной проводимости можно добиться изменением состава, нагревая кристаллы в парах одного из элементов.

Полупроводниковые соединения, которые имеют большую ширину запрещенной зоны, применяют в приборах, работающих при высоких температурах.

Наиболее перспективным полупроводником является арсенид галлия GaAs, несмотря на сложность технологии его получения. Значительно большая, чем в кремнии, скорость движения электронов позволяет использовать GaAs в быстродействующих системах.



Дата: 2019-02-18, просмотров: 1835.