Основные группы полупроводниковых материалов. (Лекция 8)

1. Лекция №8 Тема: Основные группы полупроводниковых материалов

• 1. Простые полупроводники
• 2. Полупроводниковые соединения

2. Классификация полупроводников

Полупроводники
Неорганические
(кристаллические,
аморфные)
Органические
Простые
Соединения
Si, Ge, Sb, Te, B, I, Se
AIIIBV
AIVBVI
II V
A
AIIBBVI
I
AIVBIV
оксиды

3. Способы получения монокристаллов полупроводников

• 1. Вытягивание из расплава по методу
Чохральского.
• 2. Метод бестигельной зонной плавки.
• 3. Кристаллизация из газовой фазы с
использованием методов сублимации из
газовой
фазы
и
химических
транспортных реакций (CdS, ZnS, SiC).

4. Простые полупроводники

• 1. Германий
• 1s22s22p63s23p63d104s24p2
• GeCl4 +2H2O GeO2 + 4HCl
• GeO2 +2H2 Ge+2H2O

5. Алмазоподобная кубическая гранецентрированная решетка германия и кремния

6. Основные свойства германия и кремния

Свойства
Постоянная решетки, Å
Плотность при 20 0С, Мг/м3
Температурный коэффициент линейного расширения
(0 100 0С), К-1
Удельная теплопроводность, Вт/(м·К)
Удельная теплоемкость (0 100 0С), Дж/(кг·К)
Температура плавления, 0С
Собственное удельное сопротивление при 20 0С, Ом·м
Собственная концентрация носителей, м-3
Ширина запрещенной зоны, эВ при 0 К
Ширина запрещенной зоны, эВ при 300 К
Подвижность электронов, м2/(В·с)
Подвижность дырок, м2/(В·с)
Работа выхода электронов, эВ
Диэлектрическая проницаемость
Германий Кремний
5,66
5,3
5,42
2,3
6х10-6
55
333
936
0,68
2,5·1019
0,785
0,72
0,39
0,19
4,8
16
4,2х10-6
80
710
1414
2·103
1016
1.21
1,12
0,14
0,05
4,3
12,5

7. Кремний 1s22s22p63s23p2

Марка
Уд.сопротивление, 102,
Ом м
Полтность
дислокаций, см-2
Диаметр
слитка,
мм
Длина
слитка,
мм
Ориентация
слитка
КДБ
1-20
10
33,5-72,5
50
(111)
ЭКДБ
0,005-1
3 103
33,5-72,5
40
(111)
ЭКДБ
0,5-20
103
33,5-62,5
40
(100)
ЭКЭС
0,01-0,1
10
33,5-72,5
30
(111)
ЭКЭФ
0,01-1
3 103
33,5-72,5
30
(111)
ЭКЭФ
1-20
10
33,5-72,5
40
(111)
ЭКЭФ
0,1-10
2 103
33,5-62,5
40
(100)

8. Основные параметры кремния

Ширина запрещенной зоны
Eg(300K) =1,1242 эВ
Эффективная плотность состояний
(свободная зона)
3,22 1019 см-3
Эффективная плотность состояний
(валентная зона)
1,83 1019 см-3
Концентрация собственных
носителей заряда, ni (300K)
1, 3 1016 см-3
Подвижность электронов (300К)
1400 см2/В с
Подвижность дырок (300К)
500 см2/В с
Время жизни
1 мс ( 100 Ом см)
Плотность
2,33 г/см3 = 5 1022 атома/см3

9. Механические свойства кремния

ТКЛР, Si
10-6 К-1
2,5
Ge
GaAs SiO2
Si3N4
Al
Полимеры
5,8
6,86
3,2
24
50200
0,5

10. Теплопроводность кремния

k,
Si
Вт см-1 К-1
(300K)
1,4
1,5
Ge
GaAs SiO2
0,6
0,54
0,46
Si3N4 Al
0,014 0,2
Алмаз
3,5 1030
Cu,
Ag
4

11. Способы получения

• 1. Метод Чохральского
• SiO2 + 2C Si + 2CO, Т 2000 С

12. Метод бестигельной зонной плавки

1-затравка;
4
5 2- кристалл;
3
6
3- расплавленная зона;
4- исходный материал;
2
5- стенки герметичной камеры;
1
6- индуктор;
7
7- кристаллодержатель

13.

• Вид
монокристалла
Si диаметром
200 мм после
извлечения из
расплава

14.

15. Вид слитка после процесса выращивания

16. Промышленная установка для полировки кремниевых подложек диаметром 300 мм

17. Маркировка кремниевых подложек в зависимости от кристаллографической ориентации и типа легирования

18. Удельное сопротивление кремния в зависимости от концентрации легирующей примеси

1021
Концентрация примесей, N, см-3
1020
1019
1018
Бор
1017
1016
1015
Фосфор
1014
1013
10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104
Удельное сопротивление, Ом см

19.

• Нанесение покрытий
методом
центрифугирования
• (spin-on)

20. Полупроводниковые соединения группы АIIIВV

Соединение Tпл.,0С Eg,
эВ
3000 6,0
BN
AlN
2400 5,88
GaN
1700 3,40
InN
1100 1,95
AlP
2000 2,45
GaP
1467 2,26
InP
1070 4,6
AlAs
1770 2,16
GaAs
1238 1,43
InAs
942
0,36
AlSb
1060 1,58
GaSb
710
0,72
InSb
525
0,18
n,
p,
м2/В с м2/В с
7,1
9,1
12,2
0,03
0,008
0,019
0,46
0,028
0,95
3,3
0,02
0,4
7,8
0,003
0,012
0,015
0,045
0,046
0,055
0,14
0,075
9,8
11,1
12,4
10,1
13,1
14,6
14,4
15,7
17,7

21. Примеси в соединениях AIIIBV

Элементы II – Be, Mg, Zn, Cd – акцепторы
Замещают узлы металлического компонента
Элементы VI – S, Se, Te – доноры
Замещают узлы элемента BV
Элементы IV
Замещают узлы как AIII, так и BV

22. Арсенид галлия GaAs

Ширина запрещенной зоны - 1,43 эВ
Подвижность электронов - 0,85 м2/В с
Концентрация электронов - 1022м-3
Предельная рабочая температура - 450 С
Акцепторы – Zn, Cd, Cu
Доноры – S,Se, элементы IV

23. Антимонид индия InSb

• Ширина запрещенной зоны - 0,17 эВ
• Подвижность электронов - 7,7 м2/В с
• Собственная проводимость при комнатной
температуре
• В области примесной проводимости материал
близок к вырождению

24. Фосфид галлия GaP

Ширина запрещенной зоны - 2,25 эВ
Подвижность электронов - 0, 46 м2/В с
Концентрация электронов – 1017-1020м-3
Акцепторы – Mg, Zn, Cd, C, Be
Доноры – O, S, Se, Te, Si, Sn

25. Полупроводниковые соединения группы АIIВVI

0
Соединение Tпл., С Eg, n,
p,
ZnS
1020
эВ м2/В с м2/В с
3,74 0,014 0,0005
CdS
HgS
ZnSe
CdSe
HgSe
ZnTe
CdTe
HgTe
1750
1480
1520
1264
790
1239
1041
670
2,53
1,78
2,73
1,85
0,12
2,23
1,51
0,08
0,034
0,07
0,026
0,072
2,0
0,053
0,12
2,5
0,011
0,0015
0,0075
0,003
0,006
0,02

26. Особенности соединений AIIBVI

• Изменение удельного сопротивления в широких
пределах термообработкой в парах одного из
собственных компонентов.
• Монокристаллы соединений выпускаются в
ограниченных объемах.
• Области применения – люминесцентные
покрытия
и
экраны,
фоторезисторы,
солнечные
элементы,
тонкопленочные
транзисторы

27. Халькогениды кадмия – CdS, CdSe, CdTe

• Электронный тип проводимости – обусловлен
отклонением стехиометрического состава
(недостаток S, Se, Te)
• CdTe
• n-CdTe-(избыток Cd)
• p-CdTe-(вакансии Cd)
• Концентрация свободных
• носителей заряда – 1020-1025 м-3
• Подвижность электронов – 5,7 м2/В с

28. Халькогениды цинка – ZdS, ZnSe, ZnTe

• - Широкая запрещенная зона – 3,6; 2,7; 2,2 эВ

29. Полупроводниковые соединения группы АIVВVI

• Халькогениды свинца – PbS, PbSe, PbTe, SnTe
• Добавление олова (Sn) к теллуриду свинца
(PbTe) приводит к уменьшению ширины
запрещенной зоны до нуля.

30. Халькогениды свинца – PbS, PbSe, PbTe

• При отклонении от стехиометрического
состава
обладают
электронной
проводимостью при избытке Pb, дырочной
проводимостью – при избытке элемента VI
группы.
• Узкозонные материалы.

31. Полупроводниковые соединения группы АIVВIV

Карбид кремния
SiO2 + 3C SiC + 2CO, Т=2400-2600 С
ширина запрещенной зоны
2,39 эВ
подвижность электронов 0,1 м2/В с
подвижность дырок
0,006м2/В с
избыток Si – n-тип проводимости
избыток С – р-тип проводимости
Собственная проводимость начиная с 1400 С

32. Способ формирования монокристаллов SiC

T2<T1
T1
Затравка
кристалла
Источник
SiC

33. Области применения SiC

• Светодиоды, мощные выпрямительные диоды,
высокотемпературные тензорезисторы.
• Штампы при формировании низкоразмерных
структур

34. Тонкопленочный светоизлучательный диод (LED)

N-контакт
Активный
слой
Микропризма
P-контакт

35. Органические полупроводники

• Органический материал на основе полимера
• Силы Ван-дер-Ваальса

36.

• Линейные – пентацен
• Двумерные соединения со сшитыми кольцами –
производные нафталина и фталоцианинов
• Гетероциклические олигомеры – производные
тиофена с р-типом проводимости
• Применение
• Светодиоды, органические фотовольтаические
элементы,
прозрачные
тонкопленочные
транзисторы, дисплеи с использованием гибких
материалов.