4.2.Полупроводниковые химические соединения

Полупроводники типа А III B V

Это химические соединения, образующиеся при взаимодействии элементов А III и B V подгрупп периодической системы Менделеева. Эти соединения характеризуются наличием у А III на внешних оболочках по 3 валентных электрона – s 2 р 1 , а у В V – 5 валентных электронов в состоянии s 2 р 3 . На каждый атом приходится – 4 электрона, как в элементах IV группы, а отсюда и одинаковые кристаллические структуры и электронные свойства этих соединений с алмазом, кремнием, германием и другими элементами IV группы. Но отличаются типом связи – наряду с ковалентной есть и ионные, т.к. в узлах решетки располагаются положительные и отрицательные ионы.

Кристаллическая решетка соединений типа А III В V менее симметрична, чем решетка алмаза, германия, кремния. Примерами соединений этого типа могут быть: InSb – антимонид индия, InАs – арсенид индия, InР – фосфид индия, GаSb – антимонид галлия, GаАs – арсенид галлия, GаР – фосфид галлия, АlSb – антимонид алюминия.

Эти соединения имеют большую, чем у германия и кремния подвижность электронов. Электропроводность полупроводниковых соединений зависит от примесей, входящих в междоузлия или в узлы атомной решетки в виде атомов замещения (это элементы II, IV, VI групп).

Арсениды, антимониды и фосфиды индия и галлия получают сплавлением компонентов в вакууме в кварцевых ампулах. Выращивание кристаллов этих соединений – например, GаАs методом Чохральского , такое же как Gе и Si , но с магнитным управлением, с направленной кристаллизацией. Можно использовать зонную плавку.

Карбид кремния SiC ( A IV B IV )

Получается восстановлением из SiО 2 углем при высокой температуре в электрических печах:

SiO 2 + 3 C = SiC + 2 CO .

Примеси удаляют добавлением NаСl , образующиеся хлориды улетучиваются при высокой температуре. Чистый карбид кремния бесцветен. Величина проводимости и тип зависит от примесей. Удельное сопротивление чистого карбида кремния 10 11 Ом·м, с примесями - 0,001 Ом·м.

Химическая структура и тип связи у карбида кремния такой же как у элементов IVВ подгруппы. Имеется ряд модификаций карбида кремния. Ширина запрещенной зоны карбида кремния – 2,86 эВ.

Примесь элементов V группы (P , As , Sb , Bi ) и железа в карбиде кремния дает зеленую окраску и проводимость n – типа (электронную).

Примесь элементов II группы (Са , Мg ) и III группы (В , Аl , Gа , I n ) дает голубую окраску и проводимость р – типа. Избыток кремния в карбиде кремния дает проводимость n – типа, а избыток С – р –проводимость.

Карбид кремния применяют для нелинейных резисторов, термокомпенсаторов , силовых выпрямителей с р - n - переходом, работающих при высоких температурах (до 650 °С).

Оксиды

Из оксидов наибольшее применение получила закись меди Сu 2 О , обладающая ширной запрещенной зоны ∆ W = 0,22÷0,39 эВ. Является основой медно – закисных (купроксных ) выпрямителей. Медные пластины нагревают при 1020÷1040 °С в окислительной среде 5 мин, затем переносят в печь с температурой 600°С, где выдерживают 10 мин. Получается в итоге двойное покрытие: первое Сu 2 О (закись), второе СuО – окись. Закись меди Сu 2 О – полупроводник, а СuО – диэлектрик. Окись меди в требуемых местах вытравливают. Сu 2 О является примесным полупроводником n – типа, с интервалом рабочих температур от –40 до +60°С. Медное основание в прилегающей к пленке Сu 2 О имеет электронную проводимость, что обусловливает в слое закиси меди электронно – дырочный переход.

Меднозакисные выпрямители широко применялись в технике (в измерительных приборах, в схемах автоматических устройств и др.).

Мn 3 О 4 – закись – окись марганца – поликристаллический полупроводник с ∆ W = 1,25 эВ. Этот окисный полупроводник применяется в термисторах (термометрах сопротивления).

К оксидным полупроводникам с электронной электропроводностью относятся широко используемые радиоэлектронике ферриты и сегнетоэлектрики (сегнетова соль).

Полупроводниковые свойства проявляют те оксиды, у которых один или более ионов металла относится к элементу переходного ряда (Ti , Cu , Zn , Ni , Co , Fe , Mn , Cr , V ).

Сульфиды (люминофоры)

В полупроводниковой технике применяют: сульфид свинца РbS ; сульфид цинка ZnS ; сульфид кадмия СdS ; сульфид висмута Вi 2 S 3 .

Сульфид свинца имеет кристаллическую структуру с кубической решеткой. Плотность – 7,5 · 10 3 кг/м 3 , молекулярная масса – 239, температура плавления 1114 °С, ∆ W = 0,4 эВ. В зависимости от соотношения S и Рb получается проводимость: дырочная – если больше серы, электронная – если больше свинца, подвижность электронов 80 см 2 /(В·с). Сульфид свинца применяется для термоэлементов и фоторезисторов с высокой чувствительностью в ИК области спектра.

Сульфид цинка – кристаллическая структура с кубической или гексагональной решеткой природного или синтетического происхождения.

Сульфид кадмия – полупроводниковый кристаллический материал гексагональной структуры, молекулярная масса – 144,5; плотность – 4,82 · 10 3 кг/м 3 , ∆ W = 2,1 эВ. Применяют для фоторезисторов.

Сульфид висмута – кристаллическое вещество ромбической структуры, получают сплавлением висмута с серой в нейтральной среде или в вакууме. Плотность – 7,4 · 10 3 кг/м 3 ; молекулярная масса – 514,2; ∆ W = 1,25 эВ.

C оединения типа А II В VI

Селениды

Наибольшее применение получили CdSe , PbSe , HgSe .

Селенид ртути НgSе – кристаллическое вещество, получают сплавлением компонентов в вакууме при 960 °С; имеет электронную проводимость с подвижностью электронов 5000 см 2 /(В·с), ∆ W = 0,3 эВ. Применяется в датчиках э.д.с . Холла, фоторезисторах, лазерах.

Физические свойства соединений типа А II В VI

	CdS	CdSe	CdTe	PbS	PbSe	PbTe
Молекулярная масса	72,0	95,0	120,5	120,0	143,0	168,0
Температура плавления,°С	1475	1250	1040	1110	1065
Ширина запрещенной зоны ∆ W , эВ					0,55
Подвижность, см 2 /(В·с)
электронов
дырок

Теллуриды

Из полупроводниковых соединений теллура в ИК – технике используют теллурид свинца РbТе , теллурид кадмия СdТе , теллурид висмута Вi 2 Те 3 .

РbТе , обладающий высокой чувствительностью к ИК – излучению, в виде теллуристо – свинцового фоторезистора используется как приемник ИК – излучения.

Органические полупроводники

Органические полупроводники – это органические соединения с сопряженными связями:

то есть, есть электроны общего пользования, значит, молекула обладает свойствами металла и к ней можно применить зонную теорию в одномерном приближении. Дискретные уровни p электронов представляют собой валентную зону. Энергия активации электронов – запрещенную зону. Проводимость внутри молекулы очень велика, т. к. p электроны обладают высокой подвижностью и небольшой энергией возбуждения.

Так жидкий бензол – диэлектрик, так как электронам трудно преодолеть энергетический барьер, связанный с межмолекулярными взаимодействиями. Если соединить молекулы бензола определенным образом, то энергетический барьер можно понизить, и соединение может быть полупроводником.

Аморфные полупроводники

К аморфным (стеклообразным) полупроводникам относятся селениды, теллуриды , сульфиды элементов V группы периодической системы, образующие соединения с аморфной структурой:

Sb 2 Te 3 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , As 2 Se 5 .

Для них характерен ближний порядок и зонная теория не применима. Свойства можно объяснить на основе теории валентной связи. Их проводимость мало зависит от примесей, а зависит от размеров атомов, образующих соединения. С уменьшением радиуса атома полупроводниковые свойства переходят в диэлектрические.

), и веществами, [фактически не проводящими электрического тока (изоляторы или диэлектрики).

Для полупроводников характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Изменяя количество примеси в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1-1%, можно изменить их проводимость в миллионы раз. Другое важнейшее свойство полупроводников состоит в том, что электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами - электронами, но и равными им по величине положительными зарядами - дырками.

Если рассматривать идеализированный полупроводниковый кристалл, абсолютно свободный от каких-нибудь примесей, то его способность проводить электрический ток будет определяться так называемой собственной электропроводностью.

Атомы в кристалле полупроводника связаны между собой с помощью электронов внешней электронной оболочки. При тепловых колебаниях атомов тепловая энергия распределяется между электронами, образующими связи, неравномерно. Отдельные электроны могут получать количество тепловой энергии, достаточное для того, чтобы «оторваться» от своего атома и получить возможность свободно перемещаться в кристалле, т. е. стать потенциальными носителями тока (по-другому можно сказать, что они переходят в зону проводимости). Такой уход электрона нарушает электрическую нейтральность атома, у него возникает положительный заряд , равный по величине заряду ушедшего электрона. Это вакантное место называют дыркой.

Так как вакантное место может быть занято электроном соседней связи, дырка также может перемещаться внутри кристалла и являться уже положительным носителем тока. Естественно, что электроны и дырки при этих условиях возникают в равных количествах, и электропроводность такого идеального кристалла будет в равной степени определяться как положительными, так и отрицательными зарядами.

Если на место атома основного полупроводника поместить атом примеси, во внешней электронной оболочке которого содержится на один электрон больше, чем у атома основного полупроводника, то такой электрон окажется как бы лишним, ненужным для образования межатомных связей в кристалле и слабо связанным со своим атомом. Достаточно в десятки раз меньше энергии, чтобы оторвать его от своего атома и превратить в свободный электрон. Такие примеси называют донорными, т. е. отдающими «лишний» электрон. Атом примеси заряжается, разумеется, положительно, но дырки при этом не появляется, так как дыркой может быть только вакансия электрона в незаполненной межатомной связи, а в данном случае все связи заполнены. Этот положительный заряд остается связанным со своим атомом, неподвижным и, следовательно, в процессе электропроводности участия принимать не может.

Введение в полупроводник примесей, внешняя электронная оболочка которых содержит меньшее количество электронов, чем в атомах основного вещества, приводит к появлению незаполненных связей, т. е. дырок. Как было сказано выше, эта вакансия может быть занята электроном из соседней связи, и дырка получает возможность свободного перемещения по кристаллу. Иными словами, движение дырки - это последовательный переход электронов из одной соседней связи в другую. Такие примеси, «принимающие» электрон, называют акцепторными.

С увеличением количества примесей того или иного типа электропроводность кристалла начинает приобретать все более ярко выраженный электронный или дырочный характер. В соответствии с первыми буквами латинских слов negativus и positivus электронную электропроводность называют электропроводностью я-типа, а дырочную - р-типа, отмечая этим, какой тип подвижных носителей заряда для данного полупроводника является основным, а какой - неосновным.

При электропроводности, обусловленной наличием примесей (т. е. примесной), в кристалле по-прежнему остается 2 типа носителей: основные, появляющиеся главным образом за счет введения в полупроводник примесей, и неосновные, обязанные своим появлением тепловому возбуждению. Содержание в 1 см3 (концентрация) электронов п и дырок р для данного полупроводника при данной температуре есть величина постоянная: n- p=const. Это значит, что, увеличивая за счет введения

Если приложить к структуре металл - диэлектрик полупроводник n-типа напряжения (указанной на рисунке полярности), то в приповерхностном слое полупроводника возникает электрическое поле, отталкивающее электроны. Этот слой оказывается обедненным электронами и будет обладать более высоким сопротивлением. При изменении полярности напряжения электроны будут притягиваться электрическим полем и у поверхности создастся обогащенный слой с пониженным сопротивлением.

В полупроводнике р-типа, где основными носителями являются положительные заряды - дырки, та полярность напряжения, которая отталкивала электроны, будет притягивать дырки и создавать обогащенный слой с пониженным сопротивлением. Схема полярности в этом случае приведет к отталкиванию дырок и образованию приповерхностного слоя с повышенным сопротивлением.

Следующее важное свойство полупроводников - их сильная чувствительность к температуре и облучению. С ростом температуры повышается средняя энергия колебания атомов в кристалле, и все большее количество связей будет подвергаться разрыву. Будут появляться все новые и новые пары электронов и дырок. При достаточно высоких температурах собственная (тепловая) проводимость может сравняться с примесной или даже значительно превзойти ее. Чем выше концентрация примесей, тем при более высоких температурах будет наступать этот эффект.

Разрыв связей может осуществляться также за счет облучения полупроводника, например, светом, если энергия световых квантов достаточна для разрыва связей. Энергия разрыва связей у разных полупроводников различна, поэтому они по-разному реагируют на те или иные участки спектра облучения.

В качестве основных полупроводниковых материалов используют кристаллы кремния и германия, а в роли примесей - бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьму и многие другие элементы, сообщающие полупроводникам необходимые свойства. Получение полупроводниковых кристаллов с заданным содержанием примесей - сложнейший технологический процесс, проводимый в особо чистых условиях с использованием оборудования высокой точности и сложности.блоках электронной вычислительной машины. Инженеры не могут сегодня обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить

Займемся тем, что приготовим полупроводник. Один раз вам это уже удалось - когда вы превратили алюминиевую ложку в выпрямитель тока . Теперь опыт не менее интересный, и с теоретическими пояснениями. Ставить его лучше в химическом кружке или в школьной лаборатории, И не потому, что опыт опасный: просто дома у вас скорее всего нет требуемых веществ.

Сначала - предварительный опыт. Приготовьте раствор нитрата или ацетата свинца и пропустите через негo сероводород (работайте под тягой!). Выпавший осадок сульфида свинца PbS высушите и проверьте, как он проводит электричество. Оказывается, это самый обычный изолятор. Так причем же здесь полупроводники?

Не будем спешить с выводами, а поставим следующий, основной опыт. Для него придется приготовить равные количества, скажем, по 15 мл, 3%-ного раствора тиокарбамида NH 2 C(S)NH 2 и 6%-ного раствора ацетата свинца. Вылейте оба раствора в небольшой стакан. С помощью пинцета внесите в раствор стеклянную пластинку и держите ее вертикально (либо закрепите в таком положении). Надев резиновые перчатки, налейте в стакан почти доверху концентрированный раствор щелочи (осторожно!) и очень аккуратно размешайте стеклянной палочкой, стараясь не задевать ею пластинку. Слегка подогрейте раствор - так, чтобы появился пар; помешивание продолжайте. Минут через десять стеклянную пластинку аккуратно выньте, вымойте под струей воды и высушите.

И в этом случае вы получили сульфид свинца - так в чем же разница?

Во втором опыте реакция идет медленно, и осадок выпадает не сразу. Если вы наблюдали за раствором, то заметили, что сначала он помутнел и стал почти как молоко, и лишь потом потемнел,- это промежуточные соединения, разлагаясь, образовали черный сульфид свинца. И он оседает на стекле в виде тонкой черной пленки, которая состоит из очень маленьких, различимых только под микроскопом кристаллов. Поэтому пленка кажется очень гладкой, почти зеркальной.

Присоедините к пленке два электрических контакта и пропустите ток. Если сульфид свинца из предыдущего опыта вел себя как диэлектрик, то теперь он проводит ток! Включите в цепь амперметр, измерьте ток и подсчитайте сопротивление: оно окажется выше, чем у металлов, но не столь уж большим, чтобы служить препятствием для прохождения тока.

Поднесите к пластинке зажженную лампу совсем близко и снова включите ток. Вы сразу обнаружите, что сопротивление сульфида свинца резко упало. Примерно так же будет вести себя черная пленка, если ее просто нагреть. Но если при освещении и нагревании проводимость увеличивается, значит, мы имеем дело с полупроводником!

Отчего же у сульфида свинца такое свойство? Мы записали его формулу как PbS , однако истинный состав кристаллов этого вещества не вполне ей соответствует. Некоторые соединения, среди которых и сульфид свинца, не подчиняются закону постоянства состава. И все они - полупроводники. (Это же, между прочим, относится и к оксиду алюминия, выпрямлявшему переменный ток.)

В кристалле PbS порядок расположения частиц должен, казалось бы, строго повторяться. Но нередко благодаря тому, что концентрации растворов, из которых кристаллы получены, колеблются, порядок нарушается. Сказывается влияние температуры, других внешних причин. Как бы то ни было, в реальном кристалле соотношение атомов серы и свинца не точно 1:1. Отклонения от этого отношения очень невелики, всего около 0,0005. Но и этого достаточно, чтобы свойства существенно изменились.

Атомы свинца и серы связаны в кристалле двумя электронами: свинец отдает их сере. Ну а когда соотношение 1:1 нарушается? Если рядом с атомом свинца нет атома серы, электроны окажутся свободными - они-то и будут служить носителями тока. А таких случаев совсем не так мало, как может показаться. Конечно, отношение 1,0005:1 почти равно единице, но если вспомнить, как много атомов в кристалле, то эта незначительная разница уже не покажется вам такой пустячной.

Состав сульфида свинца можно регулировать. Нужно это затем, чтобы изменять его проводимость. Когда атомов серы в кристалле становится больше, то проводимость падает, а когда их меньше, то образуется больше свободных электронов, и проводимость растет. Словом, меняя соотношение атомов серы и свинца, можно получить требуемую проводимость. Опыт этот поставить непросто; если вы не рискнете проводить эксперимент, поверьте на слово, что он получается.

Возьмите кварцевую трубку и поместите в нее лодочку с сульфидом свинца. С другой стороны введите в трубку такую же лодочку со свинцом и очень сильно нагрейте трубку, чтобы свинец начал испаряться. Сульфид в этом случае будет поглощать пары, он обогатится свинцом, н его электропроводность значительно повысится.

Осталось лишь ответить на вопрос, отчего сульфид свинца так чувствителен к освещению. Световые кванты сообщают энергию электронам, причем в каждом конкретном случае наиболее эффективны лучи с определенной длиной волны. Для сульфида свинца - это инфракрасное тепловое излучение. Поэтому-то мы и советовали вам поднести лампу поближе к пленке.

Между прочим, в приемниках инфракрасного излучения и используют обычно прекрасный полупроводник - сульфид свинца.

О. Ольгин. "Опыты без взрывов"
М., "Химия", 1986

2 Полупроводники «Имеется существенное различие между полупроводником, таким как германий, и хорошим проводником, таким как серебро… Электросопротивление хорошего проводника быстро уменьшается с понижением температуры, в то время как у «плохого» проводника оно возрастает и становится очень большим, когда температура приближается к абсолютному нулю» А. Х. Вильсон Электросопротивление (Ом*см):

2 Собственная проводимость Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике при собственной проводимости концентрации электронов (n) и дырок (p) равны Температурная область собственной проводимости – примеси не оказывают влияния в данной области. - При абсолютном нуле в зоне проводимости все уровни свободны (вакантны) - Зона проводимости отделена от заполненной валентной зоны энергетической щелью шириной E g. - Ширина энергетической щели равна разности между наиболее низкой точкой зоны проводимости и наиболее высокой точкой валентной зоны (края зон)

2 Собственная проводимость По мере возрастания T электроны валентной зоны вследствие термического возбуждения будут переходить в зону проводимости В валентной зоне будут образовываться дырки (вакантные состояния) Движение электронов и дырок в электрическом поле Е. Направления скоростей разные, но создаваемый ток имеет направление электрического поля

2 Собственная проводимость Температурная зависимость логарифма проводимости Ge - Примеси влияют на концентрацию носителей при низких температурах - При высоких Т концентрация определяется собственными свойствами п/п (380 – 800) К – собственная пр. (273 – 300) К – примесная пр. Ширина запрещенной зоны:

2 Запрещенная зона Ширина запрещенной зоны (i – непрямые переходы; d – прямые) Полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону не сопровождается потерей импульса (прямой переход), называются прямозонными. Полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону сопровождается потерей импульса (непрямой переход), называются непрямозонными

2 Закон действующих масс n(E g) - кол-во электронов, переходящих в рез- те возбуждения при Т в зону проводимости, как функцию хим. Потенциала Функция распределения Ферми-Дирака: Позволяет найти вероятность, с которой фермион занимает данный энерг. уровень.

2 Примесная проводимость Добавление примесей (легирование) Нарушенная стехиометрия Примесная проводимость превышает собственную. Примеси: донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие) Примесными центрами могут быть: атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника; избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки; различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

2 Примесные состояния Примесь As в кристалле Si. Мышьяк имеет 5 валентных электронов, а кремний – 4. Четыре электрона As образуют тетраэдрические ковалентные связи, подобные связям Si, а пятый электрон осуществляет проводимость. Атом мышьяка – донор, поскольку при ионизации отдает электрон в зону проводимости (полупроводник n-типа)

2 Примесные состояния Если в кристалле 4-валентного элемента (Si, Ge) часть атомов замещена атомами 3-валентного элемента (Ga, In), то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Электрон может быть получен от атома основного элемента полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к появлению дырки. Примеси, захватывающие валентные электроны, называют акцепторными. За счет ионизации атомов исходного материала часть валентных электронов становится свободной. Однако свободных электронов значительно меньше, чем дырок. Поэтому дырки в таких полупроводниках являются основными, а электроны неосновными подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников p-типа.

2 Электронно-дырочные переходы Создадим контакт из двух полупроводников, n-типа и p-типа (p-n переход) Слева от перехода имеются свободные дырки, их концентрация равна концентрации отрицательно ионизованных акцепторных примесных атомов. Справа от перехода имеются свободные электроны, их концентрация равна концентрации положительно заряженных донорных примесных атомов. Толщина границы между p- и n-областью может быть порядка см

2 Электронно-дырочные переходы Носители тока находятся в тепловом равновесии с донорными и акцепторными примесями. Так же в тепловом равновесии будут находиться и неосновные носители с малой концентрацией. Неоднородность концентраций в кристалле будет вызывать диффузия дырок в n-область, а электронов в p-область. Это приведет к нарушению электрической нейтральности. В результате будет создаваться избыток отрицательно заряженных ионов акцепторных атомов в p-области и положительно заряженных в n-области. Образуется двойной слой разноименных зарядов, которые создадут электрическое поле, направленное от n- к p-области

2 Электронно-дырочные переходы Электростатический потенциал будет испытывать скачок в области перехода Электрохимический потенциал постоянен по всему объему Если концы кристалла соединить в цепь, а пучок света направить на переход, то потечет ток. Фотоны будут образовывать электроны и дырки. Когда пары электрон-дырка образуются в области перехода, электрическое поле двойного слоя будет перемещать дырки в p-область, а электроны в n-область. Ток потечет из n-области в p-область. Энергия фотонов будет превращаться в электрическую энергию

2 От песка до процессора Кремний (Si) и Песок (SiO 2) Восстановление: SiO 2 + 2C = Si + 2CO Технический кремний: % чистоты Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl 4), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl 3): 3SiCl 4 + 2H 2 + Si 4SiHCl 3 2SiHCl 3 SiH 2 Cl 2 + SiCl 4 2SiH 2 Cl 2 SiH 3 Cl + SiHCl 3 2SiH 3 Cl SiH 4 + SiH 2 Cl 2 SiH 4 Si + 2H 2 99, %

2 От песка до процессора Фотолитография «свет-шаблон- фоторезист» На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом. Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон Удаление отработанного фоторезиста.

2 От песка до процессора Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски. Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент

2 От песка до процессора Для соединения логических элементов пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

2 От песка до процессора Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов».

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu 2 O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 - неметаллами, из которых 13 обладают полупроводниковыми свойствами и 12 - диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие полиацетилен (СН) n, - полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd 1-x Mn x Te) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO 3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La 2 CuO 4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La 1-x Sr x) 2 CuO 4 .

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10 -4 до 10 7 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника - от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы - это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs - 1,5 эВ. GaN, материал для в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней - свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01-3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом - участком запрещённых энергий электронов.

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно - энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости. Примесные полупроводники - это проводники, обладающие примесной проводимостью.

Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут - это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь - основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий - акцепторные примеси для кремния.

Характеристики полупроводника находятся в зависимости от дефектов его кристаллической структуры. Это является причиной необходимости выращивания предельно чистых кристаллов. Параметрами проводимости полупроводника управляют путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируют фосфором (элемент V подгруппы), который является донором, чтобы создать кристалл кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в кремний вводят акцептор бор. Полупроводники с компенсированным уровнем Ферми для перемещения его в середину запрещённой зоны создают подобным образом.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа - фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва - dE = 5,47 эВ.

Кремний - полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме - в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.

Германий - полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.

Селен - полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3-4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа - антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути - полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2- 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1-7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Рост энергии сцепления кристалла по причине кулоновского межионного взаимодействия способствует структурированию атомов с шестикратной, а не квадратичной координацией. Соединения 4-6 групп - сульфид и теллурид свинца, сульфид олова - также полупроводники. Степень ионности данных веществ тоже содействует образованию шестикратной координации. Значительная ионность не препятствует наличию у них очень узких запрещённых зон, что позволяет использовать их для приёма ИК-излучения. Нитрид галлия - соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

GaAs, арсенид галлия - второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.

ZnS, сульфид цинка - цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.

SnS, сульфид олова - полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа - оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La 2 CuO 4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La 2 CuO 4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa 2 Cu 3 O 8 . При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов - интеркаляцией.

MoS 2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений - нафталин, полиацетилен (CH 2) n , антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида -С=С-С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки - тоже полупроводниками.

Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С 60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.

Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью

Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа - сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd 1-x- Mn x Te. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники - это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики

Этот тип кристаллов отличается наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Например, такими свойствами обладают полупроводники титанат свинца PbTiO 3 , титанат бария BaTiO 3 , теллурид германия GeTe, теллурид олова SnTe, которые при низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в нелинейно-оптических, запоминающих устройствах и пьезодатчиках.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-5 2 (AgGaS 2) и 2-4-5 2 (ZnSiP 2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3-5 и 2-6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As 2 Se 3), - полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.