ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2021
Просмотров: 484
Скачиваний: 1
6
Таблица
1
Вещество
Σ
z
∆
Х
∆
G
a
т
,
ккал
/
моль
∆Е
(
эксп
),
эВ
∆Е
(
расч
),
эВ
BN 12
1,0
314,6
4,6 5,6
SiC 20
0,7
300 2,8 2,5
AlAs 46
0,5
170 2,2 1,92
GaP 46
0,6
170 2,25
1,99
AlSb 64
0,3
160 1,6 1,33
GaAs 64
0,4
146 1,4 1,22
InP 64
0,6
155 1,3 1,4
GaSb 82
0,4
135 0,7 0,78
Данные
табл
. 1
свидетельствуют
об
удовлетворительном
согласии
расчетных
данных
с
экспериментом
.
Влияние
характера
химической
связи
на
свойства
полупроводников
хорошо
прослеживается
в
ряду
изоэлектронных
аналогов
,
к
которым
отно
-
сятся
элементарные
полупроводники
–
германий
,
кремний
,
с
электронной
концентрацией
,
равной
четырём
электронам
на
атом
,
а
также
соединения
A
III
B
V
, A
II
B
VI
и
A
I
B
VII
,
где
в
среднем
на
один
атом
также
приходится
четыре
электрона
.
При
переходе
от
германия
к
арсениду
галлия
и
далее
–
к
селе
-
ниду
цинка
ширина
запрещенной
зоны
,
согласно
приведенным
выше
рас
-
суждениям
,
должна
расти
.
Действительно
,
в
приведенном
горизонтальном
ряду
электронных
аналогов
увеличивается
разность
электроотрицательно
-
стей
компонентов
,
соответственно
растет
и
ионная
составляющая
связи
.
С
ростом
доли
ионной
связи
увеличивается
степень
асимметрии
электрон
-
ного
облака
,
смещение
его
в
сторону
анионообразователя
,
что
приводит
к
большой
разнице
между
максимумом
и
минимумом
периодического
потен
-
циала
в
поле
кристалла
.
Поскольку
ширина
запрещенной
зоны
прямо
про
-
порциональна
этой
разнице
,
то
с
увеличением
доли
ионной
связи
она
растет
.
Так
,
у
чистого
германия
ширина
запрещенной
зоны
составляет
0,785
эВ
,
а
у
его
изоэлектронных
аналогов
GaAs
и
ZnSe
она
соответственно
равна
1,4
эВ
и
2,7
эВ
.
7
Глава
2.
Химическая
классификация
полупроводников
2.1.
Элементарные
полупроводники
Химическая
классификация
полупроводников
основана
на
Периоди
-
ческой
системе
элементов
Д
.
И
.
Менделеева
.
Прежде
всего
различают
эле
-
ментарные
полупроводники
,
т
.
е
.
полупроводниковые
простые
вещества
.
К
элементарным
полупроводникам
относятся
11
простых
веществ
.
Как
отмечалось
в
предыдущей
части
пособия
,
они
располагаются
вблизи
большой
диагонали
Периодический
таблицы
.
В
первых
двух
группах
Периодической
системы
Д
.
И
.
Менделеева
эле
-
ментарные
полупроводники
отсутствуют
.
Из
элементов
третьей
группы
по
-
лупроводником
является
бор
.
В
этом
проявляется
диагональная
аналогия
ме
-
жду
химией
бора
и
кремния
–
типичного
элементарного
полупроводника
.
Из
элементов
IV
группы
,
помимо
кремния
,
к
типичным
полупровод
-
никам
относится
германий
.
Углерод
,
его
аллотропические
видоизменения
–
алмаз
и
графит
–
также
проявляют
полупроводниковые
свойства
,
хотя
пер
-
вый
стоит
ближе
к
изоляторам
,
а
второй
–
к
металлам
.
Электрофизические
свойства
третьей
полиморфной
модификации
углерода
–
карбина
–
еще
не
изучены
из
-
за
очень
малых
размеров
кристаллов
.
Из
двух
модификаций
олова
белое
олово
–
металл
,
а
серое
олово
–
полупроводник
.
Свинец
–
только
металл
.
Среди
элементов
V – VII
групп
полупроводниковые
свой
-
ства
проявляют
некоторые
модификации
фосфора
,
мышьяка
и
сурьмы
,
а
также
сера
,
селен
,
теллур
.
При
переходе
от
элемента
к
элементу
в
группах
наблюдаются
законо
-
мерное
изменение
ключевых
свойств
полупроводников
.
Так
,
например
,
в
группах
сверху
вниз
закономерно
уменьшается
ширина
запрещенной
зо
-
ны
.
В
этом
же
направлении
происходит
уменьшение
температуры
плавле
-
ния
проводников
.
Уменьшается
твердость
полупроводниковых
кристал
-
лов
.
Увеличивается
подвижность
носителей
зарядов
.
Все
эти
изменения
связаны
с
возрастанием
металлического
вклада
в
химическую
связь
и
уменьшением
ковалентного
.
Подобные
закономерности
наблюдается
не
только
для
элементарных
полупроводников
,
но
и
для
полупроводниковых
соединений
.
Рассмотрение
элементарных
полупроводников
начнем
с
полупро
-
водящих
веществ
IV
группы
Периодической
системы
,
так
как
представи
-
телями
этой
группы
являются
практически
самые
важные
полупроводни
-
ки
–
кремний
и
германий
.
8
Кремний
.
В
настоящее
время
кремний
–
главный
полупроводнико
-
вый
материал
в
области
твердотельной
микроэлектроники
.
Преимущество
кремния
перед
германием
заключается
в
большей
ширине
запрещенной
зоны
.
Поэтому
кремниевые
приборы
могут
работать
при
более
высоких
температурах
.
Если
рабочая
температура
германиевых
приборов
не
пре
-
вышает
60 – 80 º
С
,
то
кремниевые
диоды
могут
работать
вплоть
до
200 º
С
.
Чистый
кремний
имеет
металлический
блеск
,
обладает
хрупкостью
.
Основные
физические
свойства
кремния
и
германия
приведены
в
табл
. 2.
Таблица
2
Подвижность
носителей
тока
,
см
2
/
В
⋅
с
Плотность
,
г
/
см
3
Температура
плавления
,
º
С
Ширина
запрещенной
зоны
(
при
300
К
),
эв
элек
-
тронов
дырок
Si 2,328
1421
1,21
1500
480
Ge 5,323
937
0,78
3900 1900
Кремний
кристаллизуется
в
кубической
решетке
(
структурный
тип
алмаза
)
с
восемью
атомами
в
элементарной
ячейке
.
Ширина
запрещенной
зоны
у
кремния
при
абсолютном
нуле
равна
1,21
эВ
и
с
повышением
температуры
уменьшается
:
∆Е
= 1,21 – 3,6
⋅
10
–4
Т
[
эВ
].
Ввиду
высокого
значения
ширины
запрещенной
зоны
собственное
со
-
противление
кремния
составляет
около
10
5
ом
⋅
см
,
и
кремний
такой
чисто
-
ты
не
должен
содержать
примесей
более
10
8
см
–3
.
Эмпирическая
зависи
-
мость
холловской
подвижности
электронов
U
n
и
дырок
U
p
от
температуры
выражается
формулами
:
U
n
= 4,0
⋅
10
9
⋅
Т
– 2,6
[
см
2
/
В
⋅
с
]
и
U
p
=
1,5
⋅
10
8
⋅
Т
– 2,3
[
см
2
/
В
⋅
с
]
.
При
300
К
U
n
= 1500
и
U
р
= 480
см
2
/
в
⋅
с
.
Как
видно
из
приведенных
формул
,
температурная
зависимость
подвижности
носителей
тока
в
крем
-
нии
не
подчиняется
закону
Т
–3/2
.
Это
связано
со
сложной
структурой
энер
-
гетических
зон
в
кремнии
.
Поскольку
подвижность
электронов
больше
подвижности
дырок
,
знак
эффекта
Холла
и
термо
-
э
.
д
.
с
.
в
кремнии
соответ
-
ствует
проводимости
n-
типа
.
Элементы
III
группы
(
В
, Al, Ga)
создают
в
кремнии
акцепторные
уровни
на
расстоянии
около
0,05
эВ
от
потолка
валентной
зоны
.
Энергия
ионизации
одних
и
тех
же
примесей
в
кремнии
больше
,
чем
в
германии
.
9
Германий
.
Чистый
германий
обладает
металлическим
блеском
,
до
-
вольно
тверд
.
Отличается
большой
хрупкостью
–
при
легком
ударе
мо
-
лотком
рассыпается
на
куски
.
Кристаллизуется
германий
,
как
и
кремний
,
в
структуре
алмаза
.
По
-
стоянная
решетки
и
расстояние
между
соседними
атомами
в
германии
больше
,
чем
в
кремнии
.
Ковалентная
связь
в
германии
менее
прочна
,
вследствие
чего
он
имеет
более
низкую
температуру
плавления
и
мень
-
шую
ширину
запрещенной
зоны
,
чем
кремний
.
Ширина
запрещенной
зоны
у
германия
при
абсолютном
нуле
0,785
эВ
.
Она
уменьшается
с
ростом
температуры
:
∆Е
= 0,785 – 3,5
⋅
10
– 4
[
эв
].
Концентрация
носителей
2,6
⋅
10
13
отвечает
чистоте
германия
99,99999999 %,
и
такие
образцы
уже
при
комнатной
температуре
облада
-
ют
собственной
проводимостью
,
т
.
е
.
остающиеся
в
них
примеси
не
влия
-
ют
на
их
электрофизические
свойства
.
Температурная
зависимость
подвижности
носителей
в
совершенных
монокристаллах
германия
выражается
формулой
:
U
n
= 4,90
⋅
10
7
Т
–1,66
[
см
2
/
в
⋅
с
]
В
германии
изменение
подвижности
электронов
в
отличие
от
дырок
почти
точно
следует
закону
Т
–3/2
.
Степень
отклонения
от
этой
зависимости
определяется
чистотой
образцов
.
В
германий
можно
ввести
большое
число
различного
рода
примесей
,
энергетические
уровни
которых
расположены
в
запретной
зоне
.
Эти
при
-
месные
уровни
могут
быть
донорными
или
акцепторными
в
зависимости
от
их
химической
природы
.
Энергия
активации
примесей
атомов
III
и
V
групп
Периодической
системы
в
германии
составляет
примерно
0,01
эВ
.
Для
германия
характерно
увеличение
энергии
ионизации
акцепторов
сверху
вниз
по
Периодической
системе
от
бора
к
индию
.
Это
объясняет
-
ся
тем
,
что
в
ряду
В
—Al – Ga—In—
Т
1
нарастают
металлические
свойства
,
а
способность
к
захвату
электрона
закономерно
падает
.
Серое
олово
.
Олово
существует
в
трех
полиморфных
модификациях
.
Полупроводниковыми
свойствами
обладает
серое
олово
(
α
-Sn).
Серое
оло
-
во
,
кристаллизующееся
в
решетке
алмаза
,
устойчиво
до
13,2 °
С
.
При
этой
температуре
α
-Sn
превращается
в
обыкновенное
металлическое
белое
оло
-
во
,
или
β
-Sn.
Белое
олово
кристаллизуется
в
тетрагональной
решетке
.
При
нагревании
выше
161 °
С
оно
переходит
в
ромбическую
модификацию
γ
-Sn
10
плотностью
6,60,
которая
отличается
высокой
хрупкостью
.
Взаимное
пре
-
вращение
различных
модификаций
олова
можно
изобразить
схемой
Как
видно
из
схемы
,
ромбическая
модификация
олова
непосредст
-
венно
не
может
быть
превращена
в
серое
олово
.
А
переход
белого
олова
в
серое
сопровождается
резким
изменением
плотности
(
от
7,298
до
5,846
г
/
см
3
).
Скорость
перехода
β
-Sn
в
серую
модификацию
растет
с
пере
-
охлаждением
и
достигает
максимума
при
– 34 °
С
.
Это
превращение
легче
протекает
при
соприкосновении
белого
олова
с
серым
1
.
Термическая
ширина
запрещенной
зоны
серого
олова
лежит
в
преде
-
лах
от
0,064
до
0,094
эВ
при
абсолютном
нуле
.
С
ростом
температуры
ширина
запрещенной
зоны
падает
со
скоростью
∆Е
= 0,08 – 5
⋅
10
–5
Т
[
эВ
]
.
Примесные
атомы
Al, Ga, In, Cd, Au, Zn
действуют
на
тип
прово
-
димости
серого
олова
как
акцепторы
; As, Sb, Bi –
как
доноры
; Cu, Si, Ge,
Se,
Те
, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni
могут
функционировать
как
акцепторы
и
как
доноры
в
зависимости
от
условий
.
Из
элементов
V
группы
Периодической
системы
при
определенных
условиях
полупроводниковые
свойства
проявляют
фосфор
,
мышьяк
и
сурьма
.
Однако
полупроводниковые
модификации
данных
элементов
ма
-
лодоступны
и
не
представляют
интереса
с
точки
зрения
их
применения
.
Поэтому
рассмотрим
полупроводники
VI
группы
Периодической
системы
селен
и
теллур
.
Селен
и
теллур
.
Первое
в
мире
фотосопротивление
было
изготовлено
из
селена
более
100
лет
тому
назад
,
а
история
селеновых
выпрямителей
начинается
с
1933
г
.
В
настоящее
время
элементарный
селен
–
один
из
важнейших
полупроводниковых
материалов
.
Кроме
того
,
на
основе
селена
получают
многочисленные
селениды
металлов
,
которые
также
проявляют
полупроводниковые
свойства
.
Теллур
как
полупроводник
самостоятельного
применения
в
технике
не
находит
.
Но
многочисленные
соединения
теллура
–
теллуриды
–
широ
-
ко
применяются
в
качестве
полупроводниковых
материалов
.
1
Оловянные
предметы
или
изделия
из
сплавов
олова
при
соответствующих
температурных
ус
-
ловиях
«
заражаются
»
друг
от
друга
,
и
таким
путем
распространяется
«
оловянная
чума
».
α
-Sn
β
-Sn
γ
-Sn
13,2 °
С
161 °
С
жидкое
олово
231,9 °