Доклад: Прості напівпровідники

Кремній – основний матеріал сучасного напівпровідникового виробництва. Для виготовлення дискретних напівпровідникових пристроїв він широко застосовується разом з іншими матеріалами, зокрема для виробництва діодів, транзисторів, фотоелементів, тензоперетворювачів, інтегральних мікросхем. Технічний кремній отримують в електричних печах відновленням його оксидів вуглецевмісними речовинами.

Кремній є одним з найпоширеніших матеріалів у земній корі (близько 29%). Але у вільному стані в природі він не зустрічається, а є присутнім тільки в з'єднаннях у вигляді окису й у солях кремнієвих кислот. Технічний кремній, який одержують шляхом відновлення природного діоксиду SiО2 в електричній дузі між графітовими електродами, містить близько 1% домішок і як напівпровідник використовуватися не може. Він є вихідною сировиною для одержання кремнію ідеальної чистоти, в якому вміст домішок не повинен перевищувати 10-6 %.

Об'ємні кристали кремнію одержують шляхом вирощування з розплаву при вертикальній зонній плавці. Перший метод застосовують для одержання великих монокристалів з відносно невеликим питомим опором ( ρ < 2,5 Ом·м). Другий метод використовують для одержання високоомних монокристалів кремнію з малим вмістом залишкових домішок. Кристали кремнію n — і p-типу одержують шляхом введення при вирощуванні відповідних домішок, серед яких найчастіше використовують фосфор і бор.

Питомий опір кремнію змінюється в широких межах залежно від концентрації в ньому домішок. Завдяки більш широкій заборо-неній зоні власний питомий опір кремнію більш ніж на три порядки перевершує власний питомий опір германію. При плавленні кремнію дещо збільшується його густина (на 8%) і стрибкоподібно зменшується питомий опір (в 30 разів). У розплавленому стані кремній має питомий опір порядку 10-4 Ом·м і має такі ж властивості, що й рідкі метали.

Чистий германій має металевий блиск і характеризується високою твердістю і крихкістю. Температура його плавлення становить 937 оС, густина при температурі 25 оС складає 5,33 Мг/м3. У твердому стані германій є типовим ковалентним кристалом.

Кристалічний германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі. Роздрібнений у порошок при нагріванні на повітрі до температури ≈ 700 оС він легко утворює діоксид германію GeО2 . Германій слабко розчинний у воді й практично нерозчинний в соляній і розведеній сірчаній кислотах. Активним розчинником германію в нормальних умовах є суміш азотної кислоти і розчину перекису водню. При нагріванні германій інтенсивно взаємодіє з галогенами, сіркою і сірчанокислими з'єднаннями.

Германій, який застосовується у напівпровідникових приладах, має питомий опір від мільйонних часток Ом·м до значень, близьких до питомого опору власного германію. На електричні властивості германію сильно впливає режим термообробки. Якщо зразок германію n-типу нагріти до температури порядку 550оС, а потім різко охолодити, то відбудеться зміна типу електропровідності. Аналогічна термообробка германію р-типу приводить до зменшення питомого опору без зміни типу електропровідності. Відпалювання загартованих зразків при температурі 500-550оС відновлює не тільки тип електропровідності, але й первісний питомий опір. При розплавленні германію його питомий опір стає близьким до питомого опору рідких металів.

Вміст германію в земній кулі невеликий, біля 7·10-4 %. В результаті хімічної переробки вихідної сировини утворюється тетра-хлорид германію, який шляхом подальших операцій переводять в діоксид германію (GeO2) – порошок білого кольору. Його піддають травленню в суміші кислот і сплавляють в зливки. Питомий опір германію залежить від концентрації носіїв, що визначається степеню очистки. Для отримання монокристалу за методом витягування з розплаву ретельно очищений від домішок германій розплавляють в спеціальних установках.

Основні властивості кремнію, германію, селену приведені в таблиці 5.1.

Табл.5.1.

Щоб отримати монокристали строго постійного діаметру по всій довжині необхідно температуру розплаву підтримувати постійною з точністю до десятих долей градуса. Цим способом отримують монокристали германію діаметром в десятки міліметрів. Зливки мають неоднаковий опір по довжині, так як верхня частина зливку містить менше число домішок, ніж нижня, що витягується із залишків розплавленого германію з підвищеною концентрацією домішок. При витягуванні монокристалу в нього вводять в строго контрольованій кількості домішок для отримання германію з визначеною величиною і типом електропровідності.

Застосовують германій для виготовлення діодів, давачів Холла, тензодавачів, фотодіодів, модуляторів світла тощо.

5.5. Електронно-дірковий перехід (p-n перехід)

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність p-типу, а інша – n-типу, називають електронно-дірковим переходом або p-n переходом. Такі переходи одержують шляхом введення в напівпровідник донорної і акцепторної домішок таким чином, щоб одна частина напівпровідника володіла електронною, а інша – дірковою електропровідністю. Створити електронно-дірковий перехід механічним з'єднанням двох напівпровідників з різними типами електропровідності неможливо. Допустимо, що n — і p-напівпровідники стикаються один з одним (рис.5.6).

Рис.5.6. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

при відсутності зовнішнього електричного поля.

Оскільки в n-напівпровіднику міститься велика кількість електронів, а в p-напівпровіднику – дірок, то між ними почнеться обмін носіями зарядів. У результаті цього в приконтактній області напівпровідника n-типу утворюється нескомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки, а в напівпровіднику р-типу виникає негативний заряд іонів акцепторної домішки.

Область розподілу напівпровідників n — і p-типу виявиться збідненою вільними носіями заряду й, незважаючи на малу ширину (h ≈ 10-6-10-8 м), буде володіти більшим опором, який значно перевищує опір іншої частини напівпровідників. Наявність негативного і позитивного об'ємного зарядів приводить до утворення електричного поля, що перешкоджає подальшому дифузійному потоку носіїв заряду. Якщо до p-області прикласти позитивний полюс джерела живлення, а до n-області – негативний, то зовнішнє електричне поле буде спрямоване зустрічно електричному полю, зумовленому об'ємними зарядами (рис.5.7).

Рис.5.7. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

(зовнішнє електричне поле спрямоване зустрічно дифузійному).

Основні носії заряду в p — і n — напівпровідниках, які мають найбільшу енергію, одержують можливість проникнути через збід-нений шар в області, де вони рекомбінуються. При такій полярності зовнішньої напруги електронно-дірковий перехід буде «відкритий» і через нього протікатиме прямий струм. При зміні полярності зовнішньої напруги електричне поле об'ємних зарядів і зовнішнє поле будуть збігатися за напрямком. У результаті дії сумарного електричного поля основні носії починають рухатися від переходу й перетнути перехід зможуть тільки неосновні носії (рис.5.8).

Рис.5.8. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

(зовнішнє електричне поле збігається за напрямком з дифузійним).

Вольт-амперна характеристика p-n переходу наведена на рис. 5.9. Для опису цієї залежності використовується вираз

(5.15)

де IS – струм насичення (при зворотному включенні p-n переходу IS = Ізв); U – прикладена напруга; q/k≈40 В-1 при t = 20 0C.

Рис.5.9. Вольт-амперна характеристика p-n переходу.

Оскільки кількість неосновних носіїв у багато разів менше основних, то й струм, викликаний ними, буде менше, ніж струм, що з'являється при прямому включенні. При такому включенні електронно-дірковий перехід «закритий» і через нього протікає тільки малий зворотний струм неосновних носіїв заряду.

5.6.Запитання до самоконтролю

1. Поясніть, які матеріали називаються напівпровідниковими.

2. Основні властивості напівпровідникових матеріалів.

3. Вкажіть, які енергетичні зони існують у напівпровідникових матеріалах.

4. Перелічіть зовнішні фактори, які впливають на електро-провідність напівпровідників.

5. Поясніть методику визначення типу провідності в напів-провідниках.

6. Поясніть, у чому полягає ефект Холла і при яких умовах він виникає.

7. Перелічіть особливості режимів роботи p-n переходу.

8. Перелічіть основні технологічні операції, які застосовуються у виробництві напівпровідників.