17.2. Полупроводниковые материалы

Строение и свойства полупроводниковых материалов. К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным электрическим сопротивлением в пределах . К этим материалам относятся 12 элементов (табл. 17.5), представляющие простые полупроводники, а также многие химические соединения элементов различных групп периодической таблицы Д. И. Менделеева (табл. 17.6).

Из простых полупроводников наиболее распространены германий и кремний.

Германий и кремний - элементы IV группы, имеют кристаллическую решетку алмаза с ковалентным типом межатомной связи. В такой решетке каждый атом

ТАБЛИЦА 17.5. Ширина запрещенной зоны полупроводниковых элементов

ТАБЛИЦА 17.6. Ширина запрещенной зоны и структура сложных полупроводниковых фаз

расположен в центре правильного тетраэдра и имеет четырех соседей, с которыми он вступает в ковалентную связь (см. рис. 1.12), достраивая свою валентную зону до восьми электронов (рис. 17.9). В результате каждый валентный электрон становится «общим» для двух атомов и валентная зона каждого атома оказывается заполненной.

Появление электрического тока в полупроводнике возможно лишь тогда, когда часть электронов покидает заполненную валентную зону и переходит в зону проводимости, где они становятся носителями электрического тока. Для такого перехода электроны должны пройти зону запрещенных энергий для чего необходима определенная энергия, которую полупроводник может получить в виде света или теплоты. При нагреве увеличивается концентрациа носителей электрического тока, а электрическое сопротивление полупроводника уменьшается.

Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше должна быть температура нагрева полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока. Так, у кремния ширина запрещенной зоны существенно выше, чем у германия, поэтому при нагреве кремний сохраняет высокие постоянные значения электрического сопротивления до больших температур. Это позволяет использовать кремниевые приборы для работы при более высоких температурах, чем германиевые.

В кристаллах с ковалентной связью проводимость электрического тока может осуществляться как путем перемещения электронов (электронная - -проводимость), так и путем перемещения «дырок» (дырочная - -роводимость). Вследствие большой подвижности электронов в «идеальных» кристаллах химически чистого полупроводника электронная проводимость превалирует. В реальных кристаллах химически чистых германия и кремния может превалировать дырочная проводимость из-за неизбежных дефектов в упаковке атомов (дислокации, вакансии, границы зерен, блоков и т. д.). Проводимость в химически чистом полупроводнике называется собственной проводимостью. Однако получить химически чистые элементы весьма сложно. Вследствие этого полупроводники всегда содержат примесн, которые меняют характер и величину проводимости. Электрическая проводимость, обусловленная

Рис. 17.9. Схема ковалентной связи в кремнии: а — чистом; б — легированном акцепторной примесью; в — легированном донорной примесью

Рис. 17.10. Зависимость электрического сопротивления германия от содержания примесей при 20 °С

присутствием примесей в полупроводнике, называется примесной.

Примеси элементов V группы в германии и кремнии определяют электронный тип проводимости, так как отдают в валентную зону кристалла полупроводника четыре электрона, а пятый становится носителем электрического тока. Такие примеси называют донорными. Для германия ими являются мышьяк и сурьма, а для кремния — фосфор и мышьяк. Полупроводники, в которых преобладают донорные примеси, называются электронными или -типа.

Примеси элементов III группы обусловливают дырочный тип проводимости, так как отдают в валентную зону кристалла полупроводника только три электрона. В кристалле образуются незаполненные связи-«дырки», что вызывает ряд последовательных перемещений соседних электронов. В результате дырка перемещается подобно положительному заряду. Такие примеси называют акцепторными. Для германия ими служат галлий и индий, для кремния-бор и алюминий. Полупроводники с преобладанием акцепторных примесей называются дырочными или -типа.

Примеси резко изменяют собственную проводимость полупроводника. Потенциал ионизации у примесей меньше, чем у полупроводников, поэтому уже при температуре 20-25 °С практически все атомы примесей ионизированы. Благодаря этому концентрация примесных носителей электрического тока обычно выше концентрации собственных носителей. При содержании атомов примесей в полупроводника, что составляет всего собственное удельное электрическое сопротивление германия снижается от 0,5 до (рис. 17.10).

Помимо концентрации примесных носителей электрического тока большое влияние на проводимость оказывает их подвижность. Для германия подвижность электронов и дырок при соответственно равна 0,38 и Дефекты кристаллической решетки, примеси и тепловые колебания атомов вызывают рассеяние носителей, снижая тем самым их подвижность. Все это приводит к неконтролируемым изменениям проводимости полупроводника, но может быть частично устранено применением монокристаллов, в которых плотность дефектов кристаллической структуры значительно ниже.

Важной характеристикой полупроводников является также время жизни примесных носителей электрического тока. В полупроводнике одновременно с процессом возникновения «свободных» электронов и дырок идет обратный процесс рекомбинации: электроны из зоны проводимости вновь возвращаются в валентную зону, ликвидируя дырки. В результате концентрация носителей уменьшается. При данной температуре между этими двумя процессами устанавливается равновесие. Среднее время, в течение которого «живет» носитель до своей рекомбинации, называют временем жизни. Расстояние, которое успеет пройти за это время носитель, называют диффузионной длиной. Некоторые примеси и дефекты уменьшают время жизни носителей электрического тока и тем самым ухудшают работу прибора. Для хорошей работы полупроводникового прибора время жизни носителей должно быть не меньше, чем .

Таким образом, к основным характеристикам полупроводниковых материалов относятся электрическое сопротивление, которое зависит от концентрации и подвижности носителей электрического тока, а также время жизни носителей электрического тока. Каждая из этих характеристик определяет свойства полупроводника и зависит от вида и количества примесей, а также наличия дефектов кристаллической структуры.

В связи с этим для изготовления высококачественных приборов необходимы

монокристаллы германия и кремния высокой степени чистоты и совершенной кристаллической структуры. Для получения нужного типа проводимости, кристаллы легируют в строго контролируемых микродозах.

Кроме химически чистых элементов в полупроводниковой технике используют сложные полупроводниковые соединения. Это промежуточные фазы элементов разных групп периодической таблицы: соединения элементов четвертой группы третьей и пятой а также второй и шестой группы

Основной представитель соединения типа — карбид кремния . В гексагональной кристаллической решетке карбида кремния, как и в кубической решетке алмаза, каждый атом кремния (или углерода) имеет четырех соседей (тетраэдрическое окружение), с которыми он вступает в ковалентную связь. Атомы углерода занимают тетраэдрические поры. Карбид кремния является фазой строго стехиометрического состава, поэтому его проводимость определяют точечные дефекты структуры, частичная разупорядоченность атомов в кристаллической решетке или примеси. Примеси III и II групп для него являются акцепторными, а примеси V и VI групп — донорными.

Полупроводниковые фазы типа определенного стехиометрического состава не являются чисто ковалентными кристаллами, так как из-за различия в валентности элементов в них наряду с ковалентными возникают и ионные связи. Кристаллографическая решетка таких соединений аналогична решетке алмаза. Из соединений типа применяют соединения с сурьмой (антимо-ниды), например и с мышьяком (арсе-ниды), например Они имеют определенный химический состав, поэтому неосновные носители электрического тока возникают из-за примесей, точечных дефектов и разупорядоченности. Примеси III и V групп мало влияют на проводимость. Примеси II группы являются акцепторными, -донорными. Элементы IV группы в тех случаях, когда они замещают атомы А-доноры, если замещают атомы В-акцепторы.

Применение находят также соединения типа . К ним относятся сульфиды (соединения с серой) и оксиды (соединения с кислородом). В таких соединениях преобладает ионный тип связи, и они имеют переменный состав. Избыток ионов металла в соединении создает электронную проводимость. При избытке неметаллических ионов соединение приобретает дырочную проводимость. В соединении типа преобладания электронной или дырочной проводимости можно добиться изменением состава, нагревая кристаллы в парах одного из элементов.

Полупроводниковые соединения, которые имеют большие значения ширины запрещенной зоны, применяют в приборах при более высоких рабочих температурах.

Наиболее перспективным полупроводником является арсенид галлия несмотря на сложность технологии получения. Значительно большая, чем в скорость движения электронов позволяет использовать его в быстродействующих системах.