Полупроводниковые материалы. Их виды и основные характеристики

Полупроводнимк — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30% земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводниковые материалы — вещества с чётко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (~ 300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость у при 300 К составляет 104?10~10 Ом?1· см?1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Виды полупроводниковых материалов В различных отраслях техники и производства применяемые полупроводниковые материалы условно можно разбить на ряд групп:

• · кристаллы — германий, кремний, селен и др.;
• · оксиды металлов — оксиды титана, цинка, вольфрама, никеля, молибдена, кадмия, меди и др.;
• · сульфиды — химические соединения, для их получения используют серу;
• · селениды — химические соединения, в их состав входит селен;
• · соединения галлия, индия с фосфором, алюминия, сурьмой, мышьяком и др.; кое-какие органические материалы (полимеры).

Несколько десятилетий назад в электротехнике начали применять селеновые и меднозакисные полупроводниковые материалы для изготовления выпрямителей переменного тока. Широкое применение в дальнейшем нашли германиевые и кремниевые вентили. Применение полупроводниковых материалов на кремниевой основе особенно перспективно: неуправляемые и управляемые вентили в преобразовательной технике, интегральные схемы, нередко используются в радиоэлектронной промышленности для изготовления миниатюрных диодов, резисторов, транзисторов, конденсаторов, высоковольтные выпрямители для линий электропередач постоянного тока.

Связи в радиоэлектронике и электротехнике применяют нелинейные резисторы, называемые вариаторами. Их электрическое сопротивление не остается постоянным, а изменяется от приложенного к ним напряжения. От этого ток, проходящий по ним, растет нелинейно с увеличением напряжения. Например, по ряду причин в линиях электропередачи может значительно повыситься напряжение по сравнению с номинальным напряжением, что в свою очередь вызовет выход из строя аппаратуры управления и перерыв в электроснабжении потребителей — это явление называют перенапряжением. Разрядники позволяют избежать отрицательных последствий перенапряжений, изготовленные из нелинейных резисторов, которые устанавливают в линиях электропередачи. Также для изготовления стабилизаторов различного напряжения используют нелинейные резисторы, в ряде областей техники и регулирования частоты вращения электродвигателей, связанных с применением тока высокой частоты.

Термисторы — терморезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов — железа, оксидов меди, кобальта, цинка, марганца. Их главная особенность заключается в том, что они располагают большим по модулю отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Терморезисторы также широко применяют в различных устройствах автоматики и радиоэлектроники. Теллуриды, сульфиды, селениды, применяют для изготовления фотоэлементов и фоторезисторов, так как от освещенности в значительной мере зависит их сопротивление.

Также используют кремний и германий для изготовления фоторезисторов.

Для создания солнечных батарей применяют кремний — объединенных между собой фотоэлементов, преобразующих энергию солнечного света в электрическую. Большое применение солнечных батарей находят в космонавтике.

Кристаллические полупроводниковые материалы Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.

Элементарные полупроводники:

Ge, Si, углерод (алмаз и графит) В, б-Sn (серое олово), Те, Se.

Важнейшие представители этой группы — Ge и Si имеют кристаллическую решётку типа алмаза (алмазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.

Соединения типа AIIIBV элементов III и V группы периодической системы имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решётке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава). Обладают достаточно узкой областью гомогенности, то есть интервалом составов, в котором в зависимости от параметров состояния (температуры, давления и др.) преимуществ. тип дефектов может меняться, а это приводит к изменению типа проводимости (n, р) и зависимости удельной электрической проводимости от состава.

Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, GaN, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP, AlAs — непрямозонные полупроводники. Многие полупроводниковые материалы типа АIIIВV образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов — тройных и более сложных (GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1-xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т. п.), также являющихся важными.

Соединения элементов VI группы (О, S, Se, Те) с элементами I—V групп периодической системы, а также с переходными металлами и РЗЭ. В обширной группе этих полупроводниковых материалов наибольший интерес представляют соединения типа AIIBVI с кристаллической структурой типа сфалерита или вюрцита, реже типа NaCl. Связь между атомами в решётке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45−60%). Имеют большую, чем у полупроводниковых материалов типа AIIIBV, протяженность области гомогенности. Для соединений типа AIIBVI характерен полиморфизм и наличие политипов кубической и гексагональной модификаций. Являются в основном прямозонными полупроводниками. Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов — CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Многие соединения типа AIIBVI образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов, характерными представителями которых являются CdxHg1-xTe, CdxHg1-xSe, CdTexSe1-x. Физические свойства соединений типа AIIBVI в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.

Тройные соединения типа AIIBIVCV2 кристаллизуются в основном в решётке халькопирита. Обнаруживают магнитное и электрическое упорядочение. Образуют между собой твёрдые расплавы. Во многом являются электронными аналогами соединений типа АIIIВV.

Типичные представители: CuInSe2, CdSnAs2, CdGeAs2, ZnSnAs2.

Карбид кремния SiC — единственное химическое соединение, образуемое элементами IV группы. Обладает полупроводниковыми свойствами во всех структурных модификациях: в-SiC (структура сфалерита); б-SiC (гексагональная структура), имеющая около 15 разновидностей. Один из наиболее тугоплавких и широкозонных среди широко используемых полупроводниковых материалов.

Некристаллические полупроводниковые материалы Типичными представителями этой группы являются стеклообразные полупроводниковые материалы — халькогенидные и оксидные. К первым относятся сплавы Tl, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те, характеризующиеся широким диапазоном значений удельной электрической проводимости, низкими температурами размягчения, устойчивостью к кислотам и щелочам. Типичные представители: As2Se3-As2Te3, Tl2Se-As2Se3. Оксидные стеклообразные полупроводниковые материалы имеют состав типа V2O5-P2O5-ROx (R-металл I—IV гр.) и характеризуются удельной электрической проводимостью 10?4?10?5 Ом?1см?1. Все стеклообразные полупроводниковые материалы имеют электронную проводимость, обнаруживают фотопроводимость и термоэдс. При медленном охлаждении обычно превращаются в кристаллические полупроводниковые материалы. Другим важным классом некристаллических полупроводниковые материалы являются твёрдые расплавы ряда аморфных полупроводников с водородом, так называемые гидрированные некристаллические полупроводниковые материалы: a-Si:H, a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H, a-Si1-xNx:H, a-Si1-xSnx:H. Водород обладает высокой растворимостью в этих полупроводниковых материалах и замыкает на себя значительное количество «болтающихся» связей, характерных для аморфных полупроводников. В результате резко снижается плотность энергетических состояний в запрещенной зоне и появляется возможность создания р-n-переходов. Полупроводниковыми материалами являются также ферриты, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики.

Основные электрофизические свойства полупроводниковый материал проводимость кристаллический Основные электрофизические свойства важнейших полупроводниковых материалов (ширина запрещённой зоны, подвижность носителей тока, температура плавления и т. д.) представлены в табл. 1. Ширина запрещенной зоны DEg является одним из фундаментальных параметров полупроводниковых материалов. Чем больше DEg, тем выше допустимая рабочая температура и тем более сдвинут в коротковолновую область спектра рабочий диапазон приборов, создаваемых на основе соответствующих полупроводниковых материалов. Например, максимальная рабочая температура германиевых приборов не превышает 50−60 °C, для кремниевых приборов она возрастает до 150—170 °C, а для приборов на основе GaAs достигает 250—300 °C; длинноволновая граница собственной фотопроводимости составляет: для InSb — 5,4 мкм (77 К), InAs — 3,2 мкм (195 К), Ge — 1,8 мкм (300 К), Si — 1 мкм (300 К), GaAs — 0,92 мкм (300 К). Величина DEg хорошо коррелирует с температурой плавления. Обе эти величины возрастают с ростом энергии связи атомов в кристаллической решётке, поэтому для широкозонных полупроводниковых материалов характерны высокие температуры плавления, что создает большие трудности на пути создания чистых и структурно совершенных монокристаллов таких полупроводниковых материалов. Подвижность носителей тока в значительной мере определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов. Для создания приборов сверхвысокочастотного диапазона необходимы полупроводниковые материалы, обладающие высокими значениями m. Аналогичное требование предъявляется и к полупроводниковым материалам, используемым для изготовления фотоприемников. Температура плавления и период кристаллической решётки, а также коэффициент линейного термического расширения играют первостепенную роль при конструировании гетероэпитаксиальных композиций. Для создания совершенных гетероструктур желательно использовать полупроводниковые материалы, обладающие одинаковым типом кристаллической решётки и минимальными различиями в величинах её периода и коэффициентах термического расширения. Плотность полупроводниковых материалов определяет такие важные технические характеристики, как удельный расход материала, масса прибора.

• 1. Горелик С. С., Дашевcкий М. Я., Материаловедение полупроводников и диэлектриков, М., 1988.
• 2. *Мильвидский М. Г., Полупроводниковые материалы в современной электронике, М., 1986.
• 3. *Пасынков В. В., Сорокин В. С, Материалы электронной техники, 2 изд., М., 1986.
• 4. *Нашельский А. Я., Технология полупроводниковых материалов, М., 1987.
• 5. *Мейлихов Е. 3., Лазарев С. Д., Электрофизические свойства полупроводников. (Справочник физических величин), М., 1987.