Опорный конспект темы «Полупроводниковые материалы»

Из большого количества полупроводниковых мате­риалов неорганического и органического происхождения монокристаллической и поликристаллической структуры в электротехнике применяют главным образом германий, кремний, селен и карбид кремния. Они широко использу­ются в производстве полупроводниковых приборов.

Кремний и германий от­носятся к алмазоподобным полупроводникам, так как они имеют кристаллическую структуру алмаза (рис. 36). Это куб, в вершинах и в центрах граней которого рас­положены атомы углерода. Кроме того, атомы углерода находятся в центрах четы­рех (из восьми) малых ку­бов (октантов), на которые делится большой куб.

На рис. 25 и 27 было показано плоскостное изобра­жение кубической структуры германия. Из этих рисун­ков видно, что в структуре алмазного типа каждый из рассматриваемых атомов (германия или кремния) окру­жен четырьмя такими же атомами, расположенными на одинаковом расстоянии от рассматриваемого, и каждый из атомов образует ковалентную связь с соседним ато­мом.

Германий (Ge) — элемент четвертой группы перио­дической системы Менделеева. Исходными сырьевыми материалами для его получения служат цинковые и сульфидные руды. В результате сложных химических процессов получают слиток германия, но его еще нельзя применить для изготовления полупроводниковых прибо­ров, так как он содержит примеси и не является моно­кристаллом. Сначала этот слиток освобождают от при­месей методом зонной плавки. В очищенном полупровод­никовом материале примеси должны составлять не бо­лее 10-⁶ — 10-⁸ %.

Чтобы получить монокристаллический германий, его расплавляют в вакууме или атмосфере инертного газа. Для получения германия с электропроводностью п- или р-типа в расплав очищенного германия вводят соответ­ственно донорную или акцепторную примесь. Затем из расплава вытягивают с определенной скоростью чистый монокристаллический германий в виде сплошного ци­линдра заданного диаметра. Германий имеет ярко-серебристый цвет, плотность 5320 кг/м³ и температуру плавления 937,2° С. Очищенный нелегированныйгерма­ний обладает следующими электрическими характери­стиками: удельное электрическое сопротивление р = 60—68 Ом·см; е= 16,3. У легированных сортов герма­ния с электропроводностью n-типа р = 0,003—45 Ом·см, с электропроводностью р-типа р = 0,4—5,7 Ом·см. Все сорта германия обладают большой твердостью и хруп­костью.

Германий широко применяют для изготовления дио­дов и фотоэлементов.

Кремний (Si) является элементом четвертой группы периодической системы Менделеева. Он широко распро­странен в природе в виде кремнезема (Si6₂), который служит одним из исходных веществ для получения тех­нических сортов кремния.

В результате очистки слитков кремния методом зон­ной плавки получают монокристаллический кремний с электропроводностью n- или р-типа в зависимости от введенных легирующих примесей.

Образцы полированного кремния имеют цвет стали. Кремний так же как и германий, представляет собой хрупкий материал. Основные характеристики очищенно­го нелегированного кремния: плотность 2330 кг/м³; тем­пература плавления 1417°С; р=(2—3)·10⁵Ом·см; ε= 11,7. У легированных сортов кремния с электропровод­ностью р-типа р = 0,01—200 Ом·см; с электропроводно­стью р-типа р=0,014—50 Ом·см.

Кремний применяют более широко, чем германий, так как верхний предел рабочей температуры полупро­водниковых приборов на основе кремния 130—200° С, а на основе германия 80—100° С. Кроме того, его исполь­зуют в интегральных полупроводниковых схемах в ра­диоэлектронике.

Селен (Se)—элемент шестой группы периодической системы Менделеева. Исходными материалами для его получения являются остатки, получающиеся при элек­тролитическом рафинировании меди. Твердый селен мо­жет иметь аморфное или кристаллическое строение. Чер­ный аморфный селен получают из очищенного расплав­ленного селена при быстром охлаждении его до комнат­ной температуры. Он представляет собой диэлектрик с удельным сопротивлением р=10¹³ Ом ·см.

Серый кристаллический селен получают из расплав­ленного аморфного селена при медленном охлаждении его от температуры плавления (220° С) до комнатной. Кристаллический селен является примесным полупро­водником р-типа с р = 10⁵ Ом·см, имеющим поликри­сталлическую структуру. Основные характеристики се­лена: плотность 800 кг/м³; температура плавления 217° С; р=(0,8—5) • 10⁵ Ом·см;ε=6,3.

Селен применяют для изготовления селеновых вы­прямителей фотоэлементов и фоторезисторов.

Карбид кремния (SiC) представляет собой хрупкий материал поликристаллического строения с ярко выра­женной нелинейной зависимостью между током и напря­жением (см. рис, 30). Он образуется в результате хими­ческого соединения кремния и углерода. Исходными

материалами для его получения являются чистый квар­цевый песок и каменный уголь. Чтобы получить примес­ную электропроводность того или другого типа, в исход­ный состав (шихту) вводят примеси — фосфор, сурьму, висмут или кальций, магний, алюминий и др. Реакция образования карбида кремния ведется при конечной температуре приблизительно 2000° С.

Карбид кремния, легированный фосфором, сурьмой или висмутом, имеет темно-зеленую окраску и обладает электропроводностью n-типа; легированный же кальци­ем, алюминием или бором, имеет темно-фиолетовую ок­раску и обладает электропроводностью р-типа. Основ­ные характеристики карбида кремния: плотность 3200 кг/м³; температура плавления 2600° С; р = 10⁴— 10⁷ Ом·см; ε=6,5—7,5. Как и кристаллический селен, карбид кремния является примесным полупроводником, но при температуре 1400° С и выше у него появляется собственная электропроводность.

Основной областью применения наиболее чистых сор­тов карбида кремния является производство варисторов, обладающих нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой и могущих работать в интервале темпе­ратур от —50 до +80° С. Варисторы используют в уст­ройствах автоматического регулирования.

Из поликристаллического карбида кремния могут быть получены методом возгонки в инертном газе моно­кристаллы карбида кремния, отличающиеся химической чистотой. Они широко используются для изготовления диодов и транзисторов на рабочие температуры до 500° С, а также для производства светодиодов.

Такие внешние воздействия, как влага и фоновые (радиационные) излучения, в значительной степени ухудшают характеристики полупроводниковых приборов. Поэтому для защиты от внешних воздействий их заклю­чают в герметические металлические, керамические или пластмассовые корпуса.