Полупроводники

1.

полупроводники

2.

3.

Зонное строение полупроводников
если

4.

5.

6.

Полупроводниковые материалы
Полупроводники – наиболее распространенная в природе группа
веществ.
К ним относят химические элементы: бор (В), углерод (С), кремний (Si),
фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn),
сурьма (Sb), теллур (Те), йод (I);
химические соединения типа АI ВVII, АIII ВV, АIV ВIV, AI BVI, AII BVI (GaAs, GeSi,
CuO, PbS, InSb и другие); большинство природных химических
соединений - минералов, число которых составляет около двух тысяч;
многие органические вещества.
Наиболее подходящими для производства полупроводниковых
приборов считаются германий и кремний. Бор, фосфор, мышьяк,
сурьма, индий, галлий, алюминий используются в качестве примесей.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Собственный полупроводник
это полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примесей при
данной температуре.
Согласно зонной теории твердого тела для полупроводников характерно наличие
не очень широкой запрещенной зоны на энергетической диаграмме. Она выражает
количественно энергетические затраты на разрыв связи и освобождение
электронов из валентной зоны.
Собственный полупроводник при абсолютном нуле температур (0 K) не обладает
электропроводностью (зона проводимости свободна).
При температуре выше 0 K из-за тепловых флуктуаций некоторые электроны
могут оказаться в зоне проводимости. При этом в валентной зоне образуются
дырки. Дырки тоже участвуют в электропроводности за счет своих «эстафетных»
переходов под действием приложенного внешнего электрического поля.

13.

Собственные полупроводники

14.

Энергия, необходимая для переброски электрона в
зону проводимости, должна быть не меньше ширины
запрещенной зоны

15.

Кремний
Кремний – наиболее распространенный
Основными областями применения кремния являются:
(после кислорода) элемент, но в чистом
микросхемы (ИМС) с очень малыми
виде он не встречается. Давно известным • интегральные
размера- ми для электронной аппаратуры и
соединением является его двуокись SiO2.
вычислительной техники;
Твердая земная кора содержит по массе
27,6% Si и состоит более чем на 97% из
биполярные, полевые транзисторы и приборы с
природных силикатов, т.е. солей
зарядовой связью (ПЗС);
кремниевых кислот, а также двуокиси
выпрямительные плоскостные диоды, пропускающие
кремния SiO2 преимущественно в виде
ток в прямом направлении до 1500 А;
кварца.
стабилитроны и тиристоры;
Для производства полупроводниковых
приборов необходим также очень чистый • быстродействующие фотодиоды, работающие в
кремний. Получение чистых кристаллов
интервале длин волн от 0,3 до 1,1 мкм;
кремния еще более сложно, чем кристаллов
солнечные батареи;
германия.
детекторы ядерного излучения;
Кремний имеет высокую температуру
плавления (около 1500ºС) и в
расплавленном состоянии очень высокую • датчики Холла;
химическую активность. Это повышает
тензодатчики.
технологические трудности получения
Кремниевые приборы могут работать при температурах до
чистых кристаллов и легирования их
180°С.
нужными примесями.

16.

Марки кремния
В условное обозначение слитка монокристалла кремния входят следующие элементы:
1)
наименование (К – кремний);
2)
тип проводмости (Э – электронный, Д – дырочный);
3)
вид легирующей примеси (Б – бор, Ф – фосфор, С – сурьма);
4)
номинал удельного электрического сопротивления (от 0,005до 80 Ом × см);
5)
группа марки;
6)
подгруппа по диаметру монокристалла и базовой длине: диаметр 62,5 мм (а), 78,5 мм (б), 102,5
мм (в), 127,5 мм (г), 152,5 мм (д), длина – 100 мм (а), 15 мм (б), 250 мм (в, г, д).
7)
отклонение (± 0/1) от номинального диаметра после калиб-ровки до 60, 76, 100, 125, 150 мм;
8)
кристаллографическая ориентация: [111] – нет индекса, [100] – м, [013] – э;
9)
отсутствие свирлевых дефектов: с1 – для [100] и [013], с2 – для [111];
10) ГОСТ.

17.

Марки кремния
Для интегральных микросхем (ИМС) обозначение имеет вид дроби
1, 11 – толщина, мкм;
2,12 – наименование (К – кремний);
3,13 – тип проводимости (Э – электронный, Д – дырочный);
4,14 – вид легирующей примеси (Б – бор, Ф – фосфор, С – сурьма);
5,15 – номинал удельного электрического сопротивления (от 0,005 до 80 Ом × см); 6,16 – группа марки;
7,17 – подгруппа по диаметру монокристалла и базовой длине: диаметр 62,5 мм (а), 78,5 мм (б), 102,5 мм (в),
127,5 мм (г), 152,5 мм (д); длина – 100 мм (а), 15 мм (б), 250 мм (в, г, д); 8, 9, 10 – отклонение удельного
электрического сопротивления и размеров;
18 – кристаллографическая ориентация;
19 – диаметр (мм).

18.

Германий
Германий встречается в сернистых
минералах, некоторых силикатах и
карбонатах, а также в каменных углях и
богатых углем породах. Содержание
германия в земной коре – 7·10-4 %. Для
полупроводниковых приборов необходим
германий, почти не содержащий примесей
других элементов. На 108 его атомов лишь
один может быть чужеродным, но и то не
любым, а принадлежащим к группе
определенных "легирующих" элементов
(чаще всего Sb, As, Ga, In). Поэтому
производство германия представляет
известную сложность.
Применяется в выпрямительных
плоскостных диодах с рабочим
током от 0,3 до 1000 А;
транзисторах;
диодах;
варикапах (полупроводниковый
диод с регулируемой емкостью);
датчиках Холла и в других
магниточувствительных
приборах.
Недостатком германия является
сравнительно низкая рабочая
температура (не более 60 °С).

19.

Примесная проводимость
Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, называются донорными. Их уровни
располагаются в запрещенной зоне вблизи нижнего края зоны проводимости. В таком
полупроводнике концентрация электронов превышает концентрацию дырок (ni > pi), поэтому его
называют полупроводником n-типа.
Уровни, расположенные несколько выше валентной зоны, называются акцепторными, создающие
их примеси – также акцепторными. Так как электроны, «заброшенные» на них, не участвуют в
проводимости, в таком полупроводнике концентрация дырок превышает концентрацию электронов (pi
> ni), поэтому полупроводник называют полупроводником p-типа.

20.

Донорная (электронная) проводимость

21.

Акцепторная (дырочная) проводимость

22.

Полупроводниковые соединения АIIIВV
являются ближайшими электронными аналогами Si и Ge и образуются в результате взаимодействия
элементов большой подгруппы III Периодической системы (B, Al, Ga, In) с элементами большой
подгруппы V (N, P, As, Sb).
Висмут (Bi) и таллий (Tl) не образуют подобных соединений. Классифицируют соединения АIIIВV по
типу металлоида как нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды.
В этих соединениях преобладает донорно-акцепторный тип связи.
Соединения АIIIВV кристаллизуются (кроме нитридов) в решетке кубического типа сфалерита.
Нитриды имеют гексагональную решетку вюрцита.

23.

Полупроводниковые соединения АIIIВV
Их сравнительно легко легировать для формирования p–n-переходов.
• Примеси группы II (Be, Mg, Zn, Cd) образуют с ними твердые растворы
замещения (ТРЗ), являясь акцепторами.
• Примеси группы VI (S, Se,Te) располагаются в узлах ВV, являясь донорами.
• Примеси группы IV могут быть как донорами, так и акцепторами, исходя из
места, которое они занимают.
• У InSb, InAs, GaAs энергия ионизации доноров находится в пределах от 0,002 до
0,005 эВ.
• Ценным свойством многих полупроводников типа АIIIВV является высокая
эффективность излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда.
Фосфид галлия GaP излучает в видимой области спектра от 0,4 до 0,6 мкм (в
зависимости от концентрации Zn– в инфракрасной области. Наиболее важна
инжекционн), а GaAs ая электролюминесценция.

24.

Применение соединений АIIIВV
• Арсенид галлия GaAs является первым материалом, из которого в 1962 г. был создан
инжекционный лазер, работающий на основе генерации когерентного излучения с
помощью p–n-перехода. В настоящее время GaAs является одним из лучших материалов
для солнечных батарей. В оптоэлектронике GaAs используют как излучатель в
инфракрасной области. Он является материалом фото- катодов, туннельных диодов и
генераторов Ганна.
• Антимонид индия InSb является материалом для туннельных диодов (рабочая
температура выше, чем у германия), а также луч- шим фотоприемником для ИКизлучения в диапазоне от 3 до 7 мкм.
• Соединения InP, InAs используют для генераторов Ганна, работающих на частоте от 109
до 1010 Гц.
• Из соединений АIIIВV изготавливают светодиоды, отличающиеся высокой
эффективностью, малыми размерами и совместимостью с элементами интегральных
схем. Они являются материалом для люминофоров, фотодиодов и фотоэлементов
широкого спектрального диапазона, магниторезисторов, преобразователей Холла,
полевых транзисторов и больших интегральных схем (БИС).

25.

Твердые растворы на основе соединений АIIIВV
Среди соединений АIIIВV распространены твердые растворы замещения (ТРЗ).
Составы ТРЗ: Ах В1 – х С
(А, В – металлы группы III);
АСу Д1 – у (С, Д – металлоиды группы V);
х, у – мольная доля (может изменяться от 0 до 1 в зависимости от степени замещения).
С изменением х, как правило, наблюдается линейное изменение периода решетки.
ТРЗ на основе АIIIВV легко легируются.
Особый интерес к ТРЗ проявляется в связи с возможностью плавного изменения ширины
запрещенной зоны DЕ. Так, для ТРЗ Gax I1 – x As и InPy As1–y DE практически линейно
изменяется от 0,37 до 1,4 эВ.
Соединения имеют различную зонную структуру.
Изменение ширины запрещенной зоны у ТРЗ сопровождается соответственно смещением
спектров фоточувствительности, люминесценции, поглощения.

26.

Применение ТРЗ
• ТРЗ GaAs1–yPy, AlxGa1–xAs (x,y=0,3–0,4) эффективны как источники красного излучения (светодиоды,
лазеры)
• ТРЗ GaxIn1–xP (х=0,5–0,7) эффективно люминесцируют в желто-зеленой области.
• Монокристаллический слой ТРЗ получают эпитаксией из газовой фазы (GaAs1–yPy ), или из жидкой фазы
(AlxGa1– x As, AlxGa1–xSb, GaxI1– xAs, GaxIn1– x P). Подложками при этом могут являться GaAs, GaP и GaSb.
Растворителями могут быть In или Ga в жидком состоянии.
• ТРЗ открывают возможности создания гетеропереходов (ГП). Под гетеропереходом понимают контакт
двух проводников с различной шириной запрещенной зоны. Решающим критерием выбора материалов для
гетеропереходов является соответствие периодов решеток и температурных коэффициентов линейного
расширения. Наилучшими парами для гетеропереходов являются GaAs–AlxGa1– x As и GaSb–AlxGa1–хSb.
• Гетеропереходы позволяют плавно изменять свойства материалов на границе контакта. Это материалы для
инжекционных лазе ров. Гетероструктура может быть двойной:
• р-GaAs – р-АlGaAs – p-GaAs – n-AlGaAs – n-GaAs
• Такая структура обеспечивает непрерывную генерацию когерентного излучения при комнатной
температуре, при высоком квантовом выходе и низком пороговом токе.

27.

Полупроводниковые соединения AIIBVI и ТРЗ на
их основе
К полупроводниковым соединениям AIIBVI и ТРЗ на их основе относятся сульфиды,
селениды и теллуриды кадмия, цинкаи ртути. Они кристаллизуются в структуры
кубического сфалерита или гексагонального вюрцита. По сравнению с соединениями
АIIIВV в них более сильная ионная связь.
Ширина запрещенной зоны ΔЕ для некоторых соединений типа AIIBVI
АIIВVI
DЕ, эВ
АIIВVI
DЕ, эВ
АIIВVI
DЕ, эВ
ZnS
3,7
ZnSe
2,73
ZnTe
2,23
CdS
2,5
CdSe
1,85
CdTe
1,51
HgS
1,78
HgSe
0,12
HgTe
0,08

28.

Полупроводниковые соединения AIIBVI и ТРЗ на их
основе
Тип электропроводности у ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, HgS, HgSe – n-типа, ZnTe – p-типа, а CdTe и
HgTe могут быть как p-типа, так и n-типа.
Проводимость соединений AIIBVI может быть на несколько порядков изменена путем
термообработки в парах собственных компонентов.
Например, обработка CdS в парах S снижает проводимость селенида кадмия на 10 порядков.
Это трудные объекты для получения, так как они имеют высокие температуры плавления.
Синтез соединений AIIBVI часто проводят электрохимическим методом.

29.

Применение AIIBVI и ТРЗ на их основе
•С у л ь ф и д ц и н к а ZnS является люминофором и используется для телеэкранов. По квантовому выходу он
превосходит все другие соединения AIIBVI. Предпочтение отдают кубической сфалеритной модификации из-за
повышенной яркости свечения.Активация его медью дает зеленое или голубое свечение. С медьювводят соактиваторы
– галогены. При введении хлора образуется соединение Zn1 – 2y Cu2y S1 – 2x Cl2x. Активация ZnS марганцем дает
желтое свечение. Недостатком люминофоров на основе ZnS является высокая скорость деградации приборов из-за
высокой ионности связи, усиливающей процессы электролиза.
•С у л ь ф и д к а д м и я CdS является материалом для высокочувствительных фоторезисторов (ФР) видимой области
спектра. Введение специальных примесей, таких как Cl и Cu, значительно повышает чувствительность ФР. Получают его
гидрохимическим методом в виде пленок. В качестве ФР используют также пленки CdSe
Соединения HgSe, HgTe используют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Соединения AIIBVI
перспектив-ны для полупроводниковых лазеров.
Большое значение имеют ТРЗCdx Zn1 – x S, Cdx Zn1 – x Se и CdS1 – y Sey в качестве материалов солнечной энергетики.
Особое значение имеет ТРЗ Cdx Hg1 – xTe (КРТ), спектр фото- чувствительности которого перекрывает окно
прозрачности атмосферы 8–14 мкм, в котором излучают все объекты окружающей среды. Поэтому этот материал
является основой современной инфракрасной техники, используется в военном деле, экологии, медицине и других
областях. Получают его как в виде монокристалла, так и в пленочном виде эпитаксией из жидкой или газовой фазы.
Недостатком является деградация материала за счет сегрегации ртути.Его получение перспективно в космосе в
условиях невесомости.

30.

Применение ТРЗ
Создание идеальных ГП возможно на
основе четырехкомпонентных ТРЗ
Ах В 1 – х С у В 1 – у.
Наиболее изучен ТРЗ GaxIn1 – x As1 –
yPy (исходными компонентами являются
GaP, InP, GaAs, InAs). Ширина
запрещенной зоны изменяется от 0,75 до
1,35 эВ.
Инжекционные лазеры на основе InP–
Gax In1 – x As1 – y Py перспективны для
волоконно-оптических линий связи, так
как спектральный диапазон их
излучения соответствует минимальным
оптическим потерям в кварцевых
волноводах.

31.

Температурная зависимость концентрации
свободных носителей заряда в примесном
полупроводнике
Отрезок
1–4
на
рисунке
характеризует энергию ионизации
примеси.
Дальнейшее
увеличение
температуры приводит все электроны
примеси в зону проводимости, а для
активизации
своих
валентных
электронов энергии еще недостаточно.
4–6 область истощения примеси
6–9
область
электропроводности.
собственной

32.

Фотопроводимость - изменение электрической проводимости
полупроводника под воздействием излучения (а и г)
а - Собственное светопоглощение - обусловлено
переходом электронов из валентной зоны в зону
проводимости. Переходы могут быть прямыми
(электроны и дырки имеют одинаковые квазиимпульсы) и
непрямыми (в каждом акте поглощения участвуют
электроны, дырки и фотон, который компенсирует
разность импульсов электрона и дырки).
б - Экситонное поглощение - сопровождается
образованием
особого
возбужденного
состояния
электронов – экситонов (n + р).
в - Поглощение света носителями заряда
сопровождается переходами электронов и дырок на более
высокие уровни.
г - Примесное поглощение света сопровождается
ионизацией или возбуждением примесных атомов.
Фотопроводимость количественно равна разности проводимости полупроводника на свету и в темноте.
С возрастанием потока излучения фотопроводимость стремится к насыщению. Спектру оптического поглощения
полупроводника соответствует спектральная зависимость фотопроводимости.

33.

Фотопроводимость

34.

35.

36.

37.

Термисторы - приборы, которые основываются
на зависимости величины сопротивления от
температуры
Для их производства применяют полупроводники, обладающие существенной величиной
отрицательного сопротивления. Их изготавливают в форме цилиндрических стержней, бусин,
нитей, располагаемых в баллончиках из стекла, керамики или металла с изоляцией.
По предназначению термисторы классифицируют на:
• Измерительные. Применяют для получения данных о температуре и влажности воздуха.
Ток, пропускаемый через него, имеет малую величину, поэтому не способен вызвать
заметный разогрев термистора. Температура меняется вместе с температурой окружающей
среды.
• Прямого подогрева. Изменение сопротивления происходит за счет джоулева тепла. Его
использование способствует стабилизировать напряжение при существенных колебаниях и
небольших токах, как в телефонных линиях. Применение позволяет поддерживать
постоянство сопротивления электросетей. (Термисторы обладают отрицательным
температурным коэффициентом, а остальные металлические элементы – положительным).
Они способны заменить движковые реостаты. Данный тип термисторов способен
производить нарастание тока в цепи.
• Косвенного подогрева. Нагревание производится за счет внешнего источника. Применяются
в качестве сигнализации о перегреве отдельных частей машины.

38.

Фотосопротивления - прибор, который основывается
на изменении сопротивления полупроводников под
действием освещенности.
Для видимой части спектра применяют полупроводники из селена,
германия, сернистого кадмия, таллия. Для инфракрасной –
сернистый, селенистый и теллуристый свинец.
Электроны в полупроводниках способны переходить в зону
проводимости не только при повышении температуры, но и при
поглощении фотона (внутренний фотоэффект). Существуют
полупроводники, энергия перехода электронов у которых
составляет десятые доли электрон-вольта, то есть на
сопротивление подобных проводников оказывает влияние не
только видимый свет, но и инфракрасное излучение.

39.

Варисторы - полупроводники, проводимость которых
растет с увеличением напряженности
электрического поля.
Опытным путем было доказано, в небольших полях закон Ома для
полупроводников считается применимым. У разных веществ
величина критического поля имеет отличия. Она зависит от
природы полупроводника, температуры, концентрации примесей.
Примерами полупроводников варисторов считаются такие, в
состав которых входит карбид кремния, используемый в виде
дисков в разрядниках, защищающих высоковольтные линии
электропередач.

40.

• Полупроводниковые выпрямители - Некоторые проводники после контакта
характеризуются явлением, при котором ток хорошо проходит в одном
направлении и практически не идет в обратном. Существование такого
эффекта обусловлено наличием разного типа проводимости полупроводников.
Односторонняя проводимость разнородных полупроводников используется в
диодах, триодах. Чаще всего применяют германий и кремний. Такие триоды и
диоды имеют большой срок работы с малыми габаритами, высоким
коэффициентом выпрямления, экономят энергию.
Униполярная проводимость между проводником применяется в вентильных
элементах.
• Термоэлементы изготавливают из полупроводников. Они включают в себя два
полупроводника, соединенные металлической пластиной. Нагрев
полупроводника происходит на месте соединения, на противоположных
концах происходит охлаждение. К свободным концам присоединяют внешнюю
цепь, так как они считаются полюсами термоэлемента. Термоэлектрические
батареи создают из термоэлементов. При пропускании электротока через
термоэлемент, имеет место появление эффекта Пельтье, то есть один спай
нагревается, другой охлаждается. Данное явление применимо в холодильной
камере.

41.

Эффект Холла
Относится к классу гальваномагнитных. Суть его состоит в том, что
если пластину полупроводника, по которой проходит
электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное току, то на боковых гранях пластины в направлении,
перпендикулярном току, возникает электродвижущая сила, или
ЭДС (эффект) Холла. Эту величину используют для определения
характеристик полупроводников и концентрации носителей. Она
лежит в основе приборов для измерения магнитной индукции,
бесконтактных измерителей тока, анализаторов спектра,
модуляторов и фазочувствительных детекторов.