Файл: РМ текст лекций.doc

Эффект Ганна— относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности. Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индияInР. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие сигналы в диапазоне частот до сотен гигагерц.Фотоэлектрический эффект.При облучении полупроводников светом в них можно возбудить проводимость. Фотоны с энергией hv= или > ширины запрещенной зоны ΔWo переводят электроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара электрон—дырка является свободной и участвует в создании проводимости. На рис. 2.11 показана схема образования фотоносителей в собственном, донорном и акцепторном полупроводниках.

Таким образом, если hv≥Wo —для собственных полупроводников, hv≥Wn —для примесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и проводимость повышается. Это добавочная проводимость называется фотопроводимостью.Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называется темновой проводимостью.Из приведенных формул можно определить минимальную частоту или максимальную длину волны при которой свет возбуждает фотопроводимость

₀=ch/Wo и ₀=ch/Wn.

Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовляются из сернистого кадмия (CdS) и сернистого свинца (PbS). Используются и другие полупроводниковые материалы.

2.8. Полупроводниковые материалы

Германий.Один из наиболее хорошо изученных полупроводников. Упрощенная технологическая схема производства германия показана ниже:

германийсодержащая руда <- концентрированная НС1

↓

тетрахлорид германия <— глубокая очистка (экстракция и ректификация)

↓

очищенный GeCLt гидролиз водой дихлорид германия GeOs просушка Ge0₂<- восстановление в токе Н2 при 650°С

↓

Ge металлический <- травление в смеси кислот

↓

сплавление в слитки <- очистка зонной плавкой

↓

выращивание монокристаллов по Чохральскому.

При зонной очистке вдоль горизонтально расположенного образца создается 4—5 узких расплавленных зон, перемещающихся вдоль слитка. Примеси оттесняются к концу слитка. Процесс повторяют много раз. Монокристаллы германия можно создавать диаметром до 300—500 мм. Германий применяется для изготовления диодов различных типов, транзисторов, датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений и в ПК— оптике. Рабочий диапазон германиевых приборов, фотодиодов и фототранзисторов от —60 до +70°С.

Кремнийполупроводниковой чистоты получается по следующей технологии:

превращение технического кремния в легколетучее соединение;

очистка соединения физическими и химическими методами;

восстановление соединения, выделение чистого кремния;

очистка кремния бестигельной зонной плавкой;

выращивание монокристаллов.

Метод бестигельной зонной плавки позволяет получать кристаллы кремния до 100 мм. Схема этого метода показана на рис. 2.12. Кремниевые приборы благодаря большей, чем у германия ширине запрещенной зоны, могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний предел рабочей температуры достигает у кремниевых приборов 180-200°C.

Кремний является пока единственным материалом для изготовления БИС и микропроцессоров.

Кремний удается наращивать на монокристаллы или на инородные подложки при толщине слоя 5—10 мкм. Этот процесс производится при температуре, меньшей температуры плавления и называется эпитаксией, при наращивании кремния на инородных подложках, например, на сапфире — гетеро-эпитаксией. Такие структуры используются как основа ИС наиболее быстродействующих, энергоемких и радиационно стойких.

Селен —элемент VI группы таблицы Менделеева, обладающий рядом интересных электрических свойств. Применяется для изготовления выпрямителей переменного тока, фотоэлементов, а также в технологии красок, пластмасс, керамики, как легирующая добавка при производстве стали, в электрофотографии.

Теллур— элемент VI группы таблицы Менделеева с шириной запрещенной зоны 0,35 эВ. Применяется в виде сплавов с сурьмой и свинцом для изготовления термоэлектрических генераторов. Некоторые характеристики германия, кремния, селена приведены в табл. 2.2

Таблица 2.2

Карбид кремния —SiС — бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны 2,8—3,1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния — одно из наиболее твердых веществ, полупроводниковые приборы из которого могут работать при высоких температурах вплоть до 700°С. Карбид кремния устойчив против окисления до температур свыше 1400°С. При комнатной температуре он не взаимодействует ни с какими кислотами.

Карбид кремния применяется для изготовления варисторов (нелинейных резисторов), светодиодов, высокотемпературных диодов, транзисторов, тензорезисторов, счетчиков частиц высоких энергий, способных работать в химически агрессивных средах. В электротехнике карбид кремния применяется для изготовления вентильных разрядников, предназначенных для защиты от перенапряжений аппаратуры и линий передачи высокого напряжения. Карбид кремния применяется для изготовления силитовых стержней для электрических печей на максимальные температуры до 1500°С. Силитовые стержни изготовляются на основе карбида кремния, кристаллического кремния и углерода.

Бинарныесоединения—соединения А³В⁵классифицируют по металлоидному элементу. Различают нитриды, фосфиды и антимониды. Особое место среди них занимает арсенид галлия, отличающийся большой шириной запрещенной зоны (1,4 эВ) и высокой подвижностью электронов (0,85 м²/(B·c). Он используется для изготовления приборов, работающих при высоких температурах и высоких частотах, для инжекционных лазеров, светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов.

Широко применяются антимонид индия, фосфид галлия, антимонид галлия.

Соединения А²B⁶, к которым относятся халькогениды цинка, кадмия, ртути, сульфиды, селенилы, теллуриды применяются для изготовления фоторезисторов, высоковольтных датчиков Холла, в инфракрасной технике для создания промышленных люминофоров и др.

Контрольные вопросы к разделу Полупроводниковые материалы

1. К полупроводниковым материалам относят материалы, у которых ширина запрещенной зоны:

а) Больше 3 эВ

б) Меньше 3 эВ

в) Лежит в пределах от 3 до 8 эВ (+)

2. В общем случае электропроводность полупроводников обусловлена дрейфом:

а) Электронов и дырок (+)

б) Электронов

в) Электронов и ионов

3. В собственных полупроводниках:

а) n>p

б) n<p

в) n=p, где n и p и концентрация, соответственно электронов и дырок (+)

4. При введении в монокристалл кремния примеси с валентностью больше 4 получим:

а) Кремний p-типа

б) Собственный кремний

в) Кремний n-типа (+)

5. Мышьяк и бор в кремнии являются соответственно:

а) Акцепторной и донорной примесью

б) Донорной и акцепторной примесью (+)

в) Акцепторной примесью

г) Донорной примесью

6. Могут ли выполнять роль доноров или акцепторов дефекты кристаллической решетки:

а) Да, могут (+)

б) Нет, они лишь уменьшают удельное электрическое сопротивление полупроводников.

в) Могут, но только в полупроводниковых соединениях.

7. С ростом температуры удельная электропроводность полупроводниковых материалов:

а) Растет по экспоненте (+)

б) Растет по линейному закону

в) Уменьшается

8. Вид температурной зависимости удельной электропроводности полупроводников зависит от степени их легирования?

а) Да, зависит (+)

б) Нет, не зависит

в) Зависимость выражена очень слабо

9. В слаболегированных полупроводниках зависимость электропроводности от температуры (Т) определяется в основном зависимостью:

а) Подвижностью носителей заряда от Т