Все словари русского языка: Толковый словарь, Словарь синонимов, Словарь антонимов, Энциклопедический словарь, Академический словарь, Словарь существительных, Поговорки, Словарь русского арго, Орфографический словарь, Словарь ударений, Трудности произношения и ударения, Формы слов, Синонимы, Тезаурус русской деловой лексики, Морфемно-орфографический словарь, Этимология, Этимологический словарь, Грамматический словарь, Идеография, Пословицы и поговорки, Этимологический словарь русского языка.

элементарные полупроводниковые материалы

Энциклопедический словарь

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ - ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ (простые полупроводники), химические элементы, простые вещества которых проявляют полупроводниковые свойства (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ).

Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической системы Д. И. Менделеева (см. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ МЕНДЕЛЕЕВА). К ним относятся: элементы IVА подгруппы - углерод (алмаз), кремний, германий, олово; элементыподгруппы - фосфор, мышьяк, сурьма и висмут; элементы VIА подгруппы - сера, селен, теллур; элементы VIIА подгруппы - иод. Все они являются p-элементами, в атомах которых постепенно заполняются электронами p-орбитали. В простых веществах с валентными s- и p-электронами выполняется правило Юм-Розери (правило октета), согласно которому координационное число (см. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО) К = (8 - N) , где N - номер группы в Периодической системе. В полупроводниках группы IVА координационное число равно четырем (тетраэдр). У полупроводниковых модификаций простых веществ группы VА - фосфор, мышьяк, сурьма - координационное число равно трем, что способствует формированию слоистых структур. S, Se, Te (группа VIА) в полупроводниковом состоянии имеют координационное число 2 и образуют линейные и цепочечные структуры, связанные в трехмерную решетку силами Ван-дер-Ваальса (см. МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ). У полупроводниковой модификации йода (группа VIIА) координационное число равно единице. Из 12 элементарных полупроводниковых элементов приборное применение имеют только три - кремний, германий и селен.

Элементы VII А подгруппы

Из элементов этой группы к полупроводникам относится только йод. В твердом состоянии он обладает полупроводниковыми свойствами, в нем реализуются р-связи.

Элементы VI А подгруппы

Полупроводниковыми свойствами обладают сера, селен и теллур. Кристаллы этих элементов состоят из спиральных цепочек или колец, в которых каждый атом имеет две ковалентные связи с атомами той же цепочки. Между собой цепочки связаны силами Ван-дер-Ваальса. Ширина запрещенной зоны (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА) убывает с увеличением порядкового номера и составляет у серы - 2,4 эВ, у селена 1,7 эВ, у теллура 0,35 эВ. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях AIIIBV.

В качестве полупроводникового материала в микроэлектронике из элементов VIА подгруппы используется гексагональная модификация селена. Это полупроводник p-типа проводимости, полупроводниковые свойства которого проявляются и используются и в поликристаллических структурах. Ширина запрещенной зоны 1,8 эВ. Монокристаллы гексагонального селена получают выращиванием из расплава или осаждением из газовой фазы. Испарением Se в вакууме на подложку можно получать пленки толщиной 50-100 мкм, которые применяют для производства полупроводниковых приборов. Гексагональный селен используется для изготовления полупроводниковых выпрямителей фотоэлементов, солнечных батарей.

Для селена характерен внутренний фотоэффект: под действием света растет число дырок и увеличивается собственная электропроводность. На этом свойстве основано действие селеновых фотоэлементов и многих других приборов. Влияние света на электрические свойства селена двояко. Первое - это уменьшение его сопротивления на свету. Второе, не менее важное - фотогальванический эффект, т. е. непосредственное преобразование энергии света в электроэнергию в селеновом приборе. Для осуществления фотогальванического эффекта необходимо, чтобы энергия фотонов была больше некоей пороговой, минимальной для данного фотоэлемента, величины. Простейший прибор, в котором используется именно этот эффект, - экспонометр. Более сложные устройства - солнечные батареи, работающие на Земле и в космосе.

Элементыподгруппы

У полупроводниковых элементовподгруппы - фосфора, сурьмы, мышьяка и висмута - химические связи реализуются за счет образования р3-орбит, они имеют структуры с координационным числом =3, относящимся к ромбоэдрической сингонии. Такие кристаллы можно представить состоящими из двухслойных пластин. Каждый атом имеет в соседнем слое той же пластины трех ближайших соседей, с которыми он связан ковалентными связями. Соседние пластины связаны между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях AIIIBV.

Элементы IVА подгруппы

К полупроводниковым элементам IVА подгруппы относятся основные полупроводниковые материалы германий и кремний, а также углерод (алмаз) и полиморфная -модификация олова. Эти элементы имеют кристаллическую решетку типа алмаза. Связи между атомами sp3-гибридные, тетраэдрические.

Недостатком германия и кремния как полупроводниковых материалов, являются малая ширина запрещенной зоны, поэтому рабочая температура германиевых приборов не превышает 60-80 оC. Германий относится к числу редких и очень рассеянных химических элементов. Кремний не имеет указанных недостатков, а по распространенности занимает второе место после кислорода. Ширина запрещенной зоны кремния значительно больше, чем у германия, поэтому кремниевые приборы могут функционировать при более высокой температуре (200-220 оC), однако подвижности носителей тока у кремния меньше, чем у германия. Поэтому частотный предел кремниевых полупроводниковых приборов ниже германиевых. Технологически кремний труднее получить в чистом состоянии, чем германий. Поэтому один из самых распространенных элементов в виде простого вещества нужной чистоты становится дороже редкого и рассеянного германия.

Германий полупроводниковый. Кристаллизуется в решетке типа алмаза (см. Типы кристаллических структур (см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ)). Связь между атомами в решетке германия - ковалентная. Число атомов Ge в единице объема - 4,45.1022атом/см3. Ширина запрещенной зоны небольшая и равна 0,72эВ. Германий прозрачен в ИК-области спектра, начиная с длины волны 1,8 мкм.

Одно из преимуществ технологии германия - относительно невысокая температура плавления (936 оС) и ничтожно малое давление насыщенного пара при этой температуре, что существенно упрощает процесс кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Кроме этого германий даже в расплавленном состоянии практически не взаимодействует с кварцем, из которого изготавливают тигли. Монокристаллический германий получают методом Чохральского (см. Методы выращивания кристаллов (см. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ)), реже - методом зонной плавки (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА). Основной фоновой загрязняющей примесью в германии является кислород. Для некоторых приборов (например, для счетчиков ядерных излучений) требуются монокристаллы германия с пониженным содержанием кислорода. Монокристаллы германия с малым содержанием кислорода выращивают методом Чохральского на высоковакуумных установках при остаточном давлении 10-5Па. В связи с сильным испарением германия в таких условиях процесс проводят в атмосфере высокочистого водорода или в смеси водорода с инертными газами.

Для получения необходимых электрофизических свойств германий легируют различными примесями. В качестве доноров и акцепторов в германии используют соответственно элементы V и III групп Периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0,01 эВ. Большинство примесей других групп проявляют свойства многозарядовых центров (создают несколько уровней в запрещенной зоне (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА)). Мелкие доноры и акцепторы при температуре выше 90 К полностью ионизованы, поэтому в нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси. В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления. Температура, при которой начинает проявляться собственная электропроводность, зависит от концентрации легирующей примеси.

Германий - один из первых полупроводниковых материалов, который широко использовался для изготовления большого количества приборов. На его основе можно изготавливать выпрямительные плоскостные диоды, низко- и высокочастотные, мощные и маломощные транзисторы, лавинно-пролетные и туннельные диоды, варикапы, точечные высокочастотные импульсные и СВЧ-диоды. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла (см. ХОЛЛА ЭДС ДАТЧИК) и других магниточувствительных приборов.

В последние годы основное применение германий находит в производстве оптических приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз и фильтров инфракрасной техники, модуляторов света и коротковолнового радиоизлучения. Он не имеет конкуренции в счетчиках ядерных частиц. Недостаточно высокое значение ширины запрещенной зоны позволяет изготовленным из германия приборам работать при относительно невысоких температурах (до 60-70 оС). Это явилось основной причиной вытеснения его из многих приборов более широкозонным кремнием и арсенидом галлия (см. ГАЛЛИЯ АРСЕНИД).

Кремний полупроводниковый, монокристаллический - основной материал для твердотельной электроники. Ежегодно в мире производится около 9000 тонн высокосовершенных бездислокационных монокристаллов кремния. Кремний находит широкое применение в микроэлектронике, силовой электронике, солнечной энергетике, кремниевой оптоэлектронике.

Кремний, как и германий, кристаллизуется в решетке типа (см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ) алмаза. Связь между атомами в решетке германия - ковалентная. Число атомов Si в единице объема - 5,0.1022атом/см3. Ширина запрещенной зоны равна 1,12 эВ.

Получение монокристаллов кремния

В качестве исходного материала при производстве монокристаллов используется поликристаллический кремний высокой чистоты, полученный путем водородного восстановления прошедших глубокую очистку хлорсиланов или путем термического разложения особо чистого моносилана. Оба метода обеспечивают получение исходного кремния с суммарным содержанием остаточных примесей 1011-1012 ат.см-3. Для получения монокристаллов используют метод (см. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ) Чохральского и бестигельную зонную плавку (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА). Процесс бестигельной зонной плавки, в котором предварительно проводится дополнительная глубокая зонная очистка исходной поликристаллической заготовки от остаточных примесей, используют для получения наиболее чистых и обладающих высоким удельным сопротивлением монокристаллов. Монокристаллы, полученные таким способом, обладают удельным сопротивлением до 100 кОм.см и большой диффузионной длиной носителей заряда, имеют низкое содержание кислорода, но однородность распределения электрофизических свойств в объеме такого материала ниже, чем в случае выращивания методом Чохральского. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов кремния. Установки для выращивания кристаллов кремния полностью автоматизированы и снабжены системами прецизионного поддержания постоянного диаметра слитка. Основным недостатком метода Чохральского при выращивании полупроводникового кремния является загрязнение выращиваемых монокристаллов кислородом и примесями, содержащимися в кварцевых тиглях, из которых обычно производится вытягивание слитка. Для управления электрофизическими свойствами (тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей заряда) широко используют процессы легирования электрически активными примесями. Основными легирующими примесями при получении монокристаллов электронного типа проводимости являются P, As, Sb, а при получении монокристаллов дырочного типа проводимости - B и Al. Эти примеси образуют в кремнии твердые растворы замещения и обладают достаточно высокой растворимостью (1018-1019 ат.см-3) в широком интервале температур. Растворимость их носит ретроградный характер с максимумом при температурах 1200-1350 оС. Легирование может быть осуществлено как непосредственно в процессе выращивания, так и на стадиях последующих обработок. Легирование в процессе выращивания производят либо с помощью специальных лигатур сплавов кремния с легирующей примесью, либо из паровой фазы легколетучих соединений легирующей примеси. Для обеспечения равномерного распределения легирующей примеси в объеме кристалла применяют вытягивание из двойного (плавающего) тигля, эффект компенсации накопления примеси в расплаве ее испарением (для летучих примесей), а также различные варианты магнитогидродинамического (МГД) воздействия на расплав с целью управления массопотоками в расплавленной ванне.

Основными структурными дефектами в монокристаллах бездислокационного кремния являются микродефекты (см. МИКРОДЕФЕКТЫ). Именно ростовые микродефекты, содержащиеся в пластинах кремния, оказывают наиболее существенное влияние на рабочие характеристики ультра сверхбыстрых интегральных схем (УСБИС). Наибольшее отрицательное влияние на параметры УСБИС оказывают межузельные дислокационные петли и поры. Основную роль в образовании ростовых микродефектов выращиваемых методом Чохральского монокристаллах играют собственные точечные дефекты (см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ) (СТД) - вакансии и междоузельные атомы, а также кислород. Наличие преципитатов, например, фазы SiO2 в Si приводит к образованию механических напряжений и, следовательно, возможному появлению микротрещин.

Применение полупроводникового кремния

Кремний находит широкое применений в микроэлектронике (см. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА). На его основе осуществляется производство УСБИС с динамической памятью на 256 Мбит-1Гбит и микропроцессоры с тактовыми частотами на уровне 0,5-1,0 ГГЦ. Усложнение УСБИС сопровождается ужесточением требований к качеству пластин (общая и локальная плоскостность, снижение уровня поверхностного загрязнения, повышение структурного совершенства и однородности исходного материала) при одновременном увеличении их диаметра и снижении стоимости. Резкое увеличение плотности монтажа и уменьшение размеров рабочих элементов УСБИС обусловливает необходимость снижения рабочих токов и напряжений. В этих условиях существенно возрастает роль посторонних шумов. В связи с этим возрастают требования к чистоте, структурному совершенству и микронеоднородности активной области приборной композиции. Особенно высоки требования по содержанию примесей, способных образовывать электрически- и рекомбинационноактивные центры.

В силовой электронике к мощным диодам и тиристорам на основе кремния добавилась широкая гамма мощных транзисторов и разнообразных «силовых» интегральных схем. Сильноточные кремниевые электронные устройства успешно используются для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями, в энергоемких металлургических и химических производствах, на транспорте, в системах электропривода и электропитания. В солнечной энергетике используются солнечные батареи на основе кремния. Суммарная мощность электроэнергии, вырабатываемой кремниевыми солнечными батареями, превысила уровень тысячи мегаватт. В оптоэлектронике кремний используется в разнообразных сенсорных устройствах, прецизионных микромеханических системах.

Кремний является непрямозонным полупроводником, эффективность межзонной излучательной рекомбинации в нем очень низка. Легирование кремния эрбием позволяет формировать в кристаллической решетке эффективные центры излучательной рекомбинации. Одним из направлений создания эффективных излучателей является наращивание на кремниевые подложки гетероэпитаксиальных структур прямозонных соединений АIIIВV (GaAs, InGaAs).

Для изготовления волноводов используют структуры Si/SiO2, имеющие разницу в величинах коэффициентов преломления составляющих компонентов равную 2, что обеспечивает условие надежного оптического ограничения. В таком волноводе свет распространяется по тонкому слою монокристаллического кремния, который прозрачен для излучения с длиной волны =1,3-1,55 мкм. Данная волноводная структура обеспечивает надежную связьминимальными оптическими потерями) с излучателем и фотоприемником.

Полезные сервисы

поликристаллические полупроводники

Энциклопедический словарь

ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ - ПОЛИКРИСТАЛЛИ́ЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ́, полупроводниковые вещества в поликристаллическом состоянии. Представляют большой практический интерес, так как получение полупроводника в виде поликристаллического слитка или пленки технологически более простой и производительный процесс, удешевляющий полупроводниковые материалы и изготавливаемые на их основе приборы.

Поликристаллические полупроводники являются исходным сырьем для выращивания монокристаллов. Основной проблемой при получении поликристаллических полупроводников является достижение максимальной чистоты, определяемой минимальными концентрациями неконтролируемых примесей или разностной концентрацией основных носителей заряда в сочетании с минимальной степенью компенсации. В отдельных случаях в полупроводниках лимитируют содержание некоторых примесей (кремния в полупроводниковых соединениях, кислорода и углерода в элементарных полупроводниках).

Поликристаллические полупроводниковые материалы имеют большие потенциальные возможности применения в микроэлектронике и производстве дешевых тонкопленочных солнечных батарей. Прогресс технологий получения поликристаллических пленок уже позволил предложить много новых устройств: резисторов (см. РЕЗИСТОР), диодов (см. ДИОД), биполярных и MOS-транзисторов (см. ТРАНЗИСТОР). Потенциальная полезность поликристаллических полупроводников зависит от кристаллического совершенства зерен и электронных свойств их границ.

Распространенными методами получения поликристаллических пленок полупроводниковых соединений являются процессы вакуумного и плазменного напыления. Поликристаллические слои GaAs и других соединений AIIIBVполучают методом МОС-гидридной технологии, обеспечивающей низкие температуры наращивания, воспроизводимость размеров зерна и высокую однородность пленок по толщине. Пленки можно наращивать на металлические, графитовые, алундовые подложки и подложки из кварцевого стекла. Для получения поликристаллических слоев кремния обычно используют традиционные методы кристаллизации из газовой фазы с применением в качестве летучих кремнийсодержащих веществ моносилана, дихлорсилана, трихлорсилана и тетрахлорсилана.

Одной из важнейших характеристик поликристаллических пленок является размер зерна. Размер зерна зависит от температуры осаждения, состава газовой фазы, скорости кристаллизации и типа используемой подложки. При прочих равных условиях размер зерна зависит от природы вводимой легирующей примеси. Поликристаллические слои, получаемые при кристаллизации из газовой фазы, обычно текстурированы, причем степень их текстурирования возрастает с повышением температуры осаждения. Для управления размером зерна и текстурой поликристаллических пленок используют процесс твердотельной рекристаллизации. Для рекристаллизации тонких слоев применяют нагрев лазерным или электронным лучом, а также нагрев с помощью специальных ленточных нагревателей сопротивления. Поликристаллические пленки с контролируемым размером зерна и текстурой могут быть получены путем перекристаллизации аморфных и мелкокристаллических слоев, осажденных на аморфных подложках, на поверхность которых с помощью травления наносится специальный рельеф, например, в виде микронных размеров треугольной или квадратной сетки (графоэпитаксия),

Для получения необходимых электрических свойств поликристаллические полупроводники легируют. Наиболее распространенные методы легирования - легирование из газовой фазы в процессе получения слоев и ионная имплантация. При диффузионной технологии изготовления приборов на основе поликристаллического кремния в качестве источников используют низкоомные сильно легированные традиционными примесями поликристаллические слои кремния. Такая технология позволяет существенно повысить воспроизводимость по толщине и свойствам диффузионно-легированных слоев и применяется при создании эмиттеров в микроволновых транзисторах и затворов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник.

Границы зерен являются основными структурными дефектами в поликристаллических слоях и оказывают существенное влияние на формирование электрофизических свойств таких материалов. Время жизни и подвижность носителей заряда зависят от размера зерен. Границы зерен в полупроводниках обладают специфическими электрическими и рекомбинационными свойствами, которые реализуются в ряде приборных применений. Наличие примесей и дефектов на межзеренных границах приводит к возникновению на них несбалансированного электрического заряда. При этом проводимость поликристаллического образца в целом может меняться на много порядков. Межзеренные границы, в общем случае, двояким образом влияют на электронные свойства материала. Во-первых, потенциальные барьеры, создаваемые межзеренными границами, существенно уменьшают подвижности основных носителей заряда, что приводит к увеличению эффективного удельного сопротивления полупроводника. Это нежелательно для многих практических применений не только из-за повышенных удельных сопротивлений, но и из-за трудностей получения образцов с воспроизводимым удельным сопротивлением. Во-вторых, межзеренные границы - это оборванные связи, которые могут являться ловушками носителей, притягивать к себе примеси или собственные дефекты. Эти состояния губят подвижности и времена жизни неосновных носителей заряда. В то же время граница зерен, являясь серьезным нарушением совершенства кристаллической решетки, играет роль эффективного внутреннего геттера, способствующего очистке основного объема материала от остаточных примесей и собственных точечных дефектов.

Наиболее широкое применение в полупроводниковом приборостроении находят поликристаллические слои кремния. Эти слои используют для таких элементов интегральных схем, как резисторы, диоды, полевые и биполярные транзисторы. Высокоомные поликристаллические слои кремния используют для изоляции активных элементов интегральных схем. Поликристаллические тонкие пленки также перспективны для солнечной энергетики. Слои из поликристаллических полупроводниковых материалов применяются при создании солнечных батарей наземного применения. Если размер зерна существенно превышает величину диффузионной длины носителей заряда, то границы зерен не должны оказывать большого влияния на процессы рекомбинации в материале и рабочие характеристики фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Для кремния, который является непрямозонным полупроводником, толщина слоя поглощения солнечного излучения составляет 50-100 мкм, это условие выполняется при размере отдельных кристаллитов. В прямозонных полупроводниках типа GaAs и Cu2S толщина слоя поглощения составляет единицы микрометров, а соответствующий критический размер зерна не превышает нескольких десятков микрометров. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) - 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1,0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Теллурид кадмия (CdTe) - еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА) (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg с другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Поликристаллические пленки PbS, PbTe, PbSе применяются для создания эффективных детекторов ИК-излучения. На основе поликристаллических пленочных гетероструктур в системах Cu2S/CdS, Cu2S/Zn1-xCdxS, CuInSe2/CdS создаются преобразователи солнечной энергии. Тонкие поликристаллические пленки металлооксидных полупроводников на основе SnO2, ZnO и др. широко применяются в качестве газочувствительных слоев в твердотельных датчиках газов.

Полезные сервисы