12.43M

Category:

physics

Полупроводниковые материалы (лекци 7)

1.

Радиоматериалы и
радиокомпоненты
Лекция 7.
Полупроводниковые
материалы 1.

Диэлектрическая проницаемость: 12
Подвижность электронов: 1200—1450 см²/(В·c).
Подвижность дырок: 500 см²/(В·c).
Ширина запрещённой зоны 1,21 эВ при 0 К.
Время жизни свободных электронов: 5 нс — 10 мс
Длина свободного пробега электронов: порядка 1 мм.
Длина свободного пробега дырок: порядка 0,2—0,6 мм.

7.

Типы полупроводников
• Полупроводники встречаются среди различных химических соединений с
большим разнообразием кристаллических структур. Это могут быть
элементы, как Si и селен (Se), или двойные соединения, как арсенид галлия
(GaAs).
• Некоторые полупроводники проявляют магнитные
сегнетоэлектрические свойства.
(Cd1-xMnxTe) или
• Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками
(GeTe, SrTiO3).
• Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников
имеют неметаллические полупроводящие фазы.
• Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава
с Sr становится сверхпроводником (La1-xSrx)2CuO4 (смысл х в следующих
трех слайдах)

8.

твердые растворы
• химические соединения или интерметаллиды
(GaAs - арсенид галлия, CdS-сульфид кадмия
и т.д.); AIIIBV, AIIBVI
• фазы переменного состава, т.н. твердые
растворы (GaxIn1-xSb, PbxSn1-xTe и т.п.)

9.

ГЦК решетка меди
смысл х

10.

ГЦК решетка меди и (х) атомов
примеси золота Cu1-xAux
смысл х
Х=1/2
Cu1-xAux
Cu0,5Au0,5

11.

ГЦК решетка меди и х атомов
примеси золота Cu1-xAux
смысл х
Х → значение
определите
сами
Cu1-xAux

12.

1.1. Типы полупроводников
Элементарные полупроводники. Наиболее известным
полупроводником является, конечно, элемент Si
Вместе с германием Ge он является прототипом большого
класса полупроводников со схожими кристаллическими
структурами
Кристаллическая структура Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова
(называемого также «серым» оловом). В этой структуре каждый
атом окружен четырьмя ближайшими атомами, образующими
тетраэдр (говорят, что каждый атом имеет четырехкратную
координацию).

13.

Структурный тип алмаза

14.

Si
Si

15.

16.

17.

GaAs

18.

Структурный тип сфалерита ZnS

19.

Структурный тип вюртцита ZnS (или цинкита ZnO)

20.

Расположение атомов в вюрците (а) и
цинковой обманке (б)
вюртцит
сфалерит
ZnS
ZnS

21.

Si
ZnS
сфалерит
внутри
По углам и по граням

22.

Si
ZnS
внутри
По углам и по граням

23.

24.

25.

26.

Собственный полупроводник

27.

Собственный полупроводник

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

10 000
В одном кубическом сантиметре Атомов ~1022
В одном куб-ом сантиметре электронов ~1010
10 000 атомов кремния
Всего в кубе 1012 атомов кремния и только 1 электрон

36.

Кремний
• По распространенности в земной коре Кремний — второй
(после кислорода) элемент, его среднее содержание в
литосфере 29,5% (по массе).
• В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль,
как углерод в животном и растительном мире.
• Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь
его с кислородом. Около 12% литосферы составляет
кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его
разновидностей.
• 75% литосферы слагают различные силикаты и
алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.).
Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает
400.

37.

38.

Si
параметр
а = 0,54307
нм
Плотность
(при н.у.)
2,33 г/см³
из-за большей
длины связи
между атомами
Si—Si по
сравнению с
длиной связи
С—С твёрдость
кремния
значительно
меньше, чем у
алмаза.
Кремний
хрупок

39.

Песок... Кремний, после кислорода, является самым
распространённым химическим элементом в земной коре (25% по
массе). Песок, а особенно кварц, содержит большой процент
диоксида кремния (SiO2), который является базовым
ингредиентом для производства полупроводников.
SiО2

40.

кремний
Si
• Самый доступный источник кремния — песок.
• Но кремний, который получается из песка, на
самом первом этапе недостаточно чистый: в нём
есть 0,5% примесей.
• Может показаться, что чистота 99,5% — это
достаточно, но для процессоров нужна чистота
уровня 99,9999999%. Такой кремний называется
электронным, и его можно получить после
цепочки определённых химических реакций.
• Когда цепочка заканчивается и остаётся только
чистый кремний, можно начинать выращивать
кристалл.

41.

В промышленности кремний технической чистоты производят,
восстанавливая расплавление SiO2 коксом при температуре
примерно 1800 градусов Цельсия в руднотермических печках
шахтного типа.
SiCтв+ SiO2тв →
Siтв+ SiO2газ+ COгаз
• Это металлургический
кремний
• Чистота приобретенного
таковым образом
кремния может достигать
99,9 % (главные примеси
— углерод, сплавы).

42.

SiO2 + 2С = Si + 2CO
• Кремний в промышленности получают восстановлением
кремнезема коксом в дуговых электрических печах:
SiO2 + 2С = Si + 2CO
• Этот технологический этап реализуется с помощью дуговой
печи с погруженным в нее электродом.
• Печь загружается кварцитом SiO2 и углеродом в виде угля и
кокса.
• Температура реакции Т=1800°С
• В печи происходит ряд промежуточных реакций.
SiCтв+ SiO2тв →
Siтв+ SiO2газ+ COгаз
Результирующая реакция может быть представлена в виде:

43.

Производство электронного
кремния проходит в несколько этапов:
• из металлургического
кремния получают трихлорсилан.
• Температура реакции Т=300°C.
• Siтв +3HClгаз →
SiHCl3газ+ H2газ + Q
• Электронный кремний получают из
очищенного трихлорсилана путем осаждения из парогазовой
смеси.
• 2SiHCl3газ + 3H2газ
→
2Siтв + 6HClгаз

44.

• Зонная плавка является одним из наиболее
эффективных методов глубокой очистки
полупроводников.
• Идея метода связана с различной
растворимостью примесей в твердой и жидкой
фазах полупроводника.
• Монокристалл получают из расплава, однако,
перед началом кристаллизации расплавляется
не вся твердая фаза кристалла, а только узкая
зона, которая при перемещении вдоль кристалла
втягивает в себя примеси.