Вопрос 34. Классификация, свойства, структура и применение полупроводниковых материалов

Полупроводниками называют материалы, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Удельное электросопротивление полупроводников находится в пределах от 10^-2 до 10¹⁰ ом·см.

Электрический ток в полупроводниках обусловлен движением сравнительно небольшо­го количества электронов. Это объясняется тем, что валентные электроны атомов полупроводниковых материалов не являются свободными.

Полупроводники весьма чувствительны к повышению темпера­туры, поэтому их используют для создания термосопротивлений и для превращения тепловой энергии в электрическую.

Свойство не­которых полупроводников резко повышать свою проводимость под действием световых лучей используют для создания фотоэлементов.

Первой характерной чертой полупроводниковых материалов является их высокая химическая чистота.

Примеси исключительно сильно изменяют электрические характеристики полупроводников. Чтобы обеспечить заданную проводимость, полупроводнико­вые материалы легируют, вводя в них микродозы некоторых примесей.

Второй характерной чертой полупроводниковых материалов яв­ляется то, что применяются они в виде монокристаллов.

В поликристалле на границах зерен про­странственная решетка нарушает­ся. Незавершенные межатомные связи граничных участков захватывают или тормозят движение носителей тока, а это вызывает неконтролируемые изменения элек­трических характеристик полупроводникового прибора.

Таких явлений нет в монокристаллах, которые получают вытягиванием из расплава при соблюдении условий, исключающих образование различных внутренних пороков.

По химической природе полупроводники разделяют на; кристаллические материалы (элементы Ge, Si, Se); окислы металлов (Cu₂O, ZnO, CaO, NiO); интерметаллические соединения (соединения Sb с In, Ga и Al); сульфиды, селениды и теллур иды (соединения на основе S, Se и Те).

В современной технике наибольшее распространение имеют германиевые, кремниевые и селеновые полупроводниковые материалы.

Германий — элемент четвертой группы периодической системы элементов. Имеет серебристый цвет. Плотность 5, 35 г/см³, темпе­ратура плавления 958°С. Удельное сопротивление германия при 20°С равно 60 ом·см.

Германий обладает высокой твердостью и хрупкостью. На тон­кие пластинки он распиливается с помощью алмазной пилы. Гер­маний как полупроводниковый материал широко применяют для изготовления диодов и триодов; из него изготовляют фотосопро­тивления, различные датчики, сопротивления и т. д. Наибольшее значение имеют германиевые выпрямители электрического тока, широко используемые на железнодорожном транспорте в технике электрической тяги. Стекла, содержащие GeO2, характеризуются высоким коэффициентом преломления и механической прочностью.

Кремний, как и германий, — элемент четвертой группы перио­дической системы. Полированный кремний имеет металлический блеск. Его плотность 2, 4 г/см³ и температура плавления 1 420°С, удельное сопротивление кремния при 20°С равно 3·10⁵ ом·см. Крем­ний широко применяют для изготовления полупроводниковых при­боров.

Селен — элемент шестой группы периодической системы. Встре­чается в виде примесей в медных рудах и серном колчедане. В твер­дом состоянии селен может быть кристаллическим (серым) и аморфным (черным). Серый селен имеет плотность 4, 8 г/см³ и тем­пературу плавления 217°С. Кристаллический селен является полу­проводником (ρ =105 ом·см), а аморфный —диэлектриком (ρ =10¹³ ом·см). Отличительной особенностью селена является резкое возрастание его электропроводимости при освещении. На чувствительности к свету основано применение селена в фотоэле­ментах, телевидении, оптических и сигнальных устройствах. Особенно широко используют селен для изготовления выпрямителей тока в электро- и радиотехнике.

К другим полупроводниковым материалам относят карбид крем­ния и материалы, изготовляемые методом керамической техноло­гии— окислы металлов, интерметаллиды, сульфиды, селениды и некоторые другие.

Полупроводниковые металлы очищают методом зонной плавки, точнее зонной перекристаллизации, который состоит в следующем.

Подлежащий очистке слиток, например германия, помещают в графитную или кварцевую лодочку, которую вместе со слитком вводят в кварцевую трубу. Внутри трубы создают вакуум или атмосферу нейтрального газа. С помощью высокоча­стотных нагревателей слиток в начальной части лодочки нагре­вается, создавая расплавленную зону.

При медленном перемещении нагревателя вправо зона распла­ва перемещается вслед за ним. В левой крайней части зоны рас­плава будет кристаллизоваться почти чистый металл, а примеси останутся в расплаве и вместе с зоной расплава переместятся в крайнюю правую часть слитка, которую по окончании процесса очистки отрезают.

Метод зонной перекристаллизации основан на большей растворимости примесей в жидкой фазе, чем в твердой. Процесс повторяют несколько раз, в результате германий дости­гает высокой степени чистоты. В очищенном таким образом слитке германия не более 0, 00001 % примесей.