Полупроводниковые химические элементы.

Полупроводниковые материалы подразделяются на химические элементы и химические соединения. В Периодической системе имеется 12 элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами: B, C, Ge, Si, Sn, P, As, Sb, S, Se, Te, J. Техническое значение имеют Si и Ge.

Кремний. Кремний по распространенности в земной коре (27 %) занимает 3-е место после кислорода. Встречается главным обратом в виде диоксида кремния SiO₂ (кремнезем), а также в виде солей кремневых кислот - силикатов. В технике Si получают восстановлением кремнезема углем в присутствии железа в электрических печах. Получаемый таким образом технический кремний содержит 58 % примесей. Для достижения полупроводниковой чистоты (содержание примесей ниже 10^{- 9} %) технический кремний вначале доводят до химической чистоты путем перевода его в летучее соединение, которое очищают физическими методами (ректификацией) и затем восстанавливают водородом. Дальнейшая очистка проводится кристаллофизическими методами. В кремний в качестве донорных примесей вводят элементы 5 группы Периодической системы элементов: мышьяк As, сурьму Sb, фосфор P, а в качестве акцепторных примесей элементы 3 группы: алюминий Al и бop B. Ширина запрещенной зоны кремния - 1,12 эВ. Это позволяет использовать его до 125^оС. Кремний основной материал современного полупроводникового приборостроения. Он применяется для изготовления диодов, триодов, транзисторов, интегральных схем, управляемых вентилей для регулировки токов и напряжений на выходе мощных выпрямителей, туннельных диодов и фотодиодов и фототранзисторов, варикондов (управляемые конденсаторы) и пр.

Германий. Германий в противоположность кремнию является редким и рассеянным элементом. Он в незначительных количествах присутствует во многих сульфидных рудах и извлекается главным образом из отходов медного, свинцового и цинкового производств. Химическая часть производства германия многостадийна и включает последовательный перевод: GeGeO₂GeCl₄GeO₂ Ge. Химически чистый германий затем подвергают очистке зонной плавкой, после чего перечисленными ранее методами вводят легирующие примеси: акцепторные - галлий Ga, индий In, или донорные – ванадий V, сурьму Sb. Ширина запрещенной зоны германия - 0,72эВ, поэтому доступная рабочая температура германия ниже, чем у кремния и составляет 75°С. Долгое время германий был основным полупроводниковым материалом. Первые точечные диоды были изготовлены из Ge (I945 г.). До сих пор из германия, изготавливают диоды, триоды и другие традиционные элементы, однако все в меньшем объеме. В настоящее время германий широко используется в новых приборах в приборах с гетеропереходами (например, nGe-pGaAs) в транзисторах с оптической связью (pGaAs-nGaAs-pGe), в лавинопролетных приборах и т.д., а также в фотодиодах, фототранзисторах, датчиках Холла.

Рис.9.2. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава сплава и фазовая диаграмма.

Сплавы кремния с германием. Сплавы кремния с германием при всех соотношениях имеют структуру твердых растворов замещения, то есть их атомы статистически распределены в узлах кристаллической решетки. Параметры кристаллической решетки плавно изменяются с изменением состава сплава. Эти сплавы проявляют полупроводниковые свойства, причем ширина запрещенной зоны изменяется в зависимости от состава не линейно; подвижность электронов уменьшается при переходе от Gе к Si. Изготовление твердых растворов это один из эффективных путей управления основными свойствами полупроводниковых веществ. Зная фазовую диаграмму состояния системы, можно направленно создавать вещества с заранее заданными свойствами. Например, пусть требуется полупроводник с Hg=1эВ. Из рис..8.2 видно, что Hg=1эВ обладает сплав состава 80 % Si и 20 %Ge . Из фазовой диаграммы состояния система (рис.9.2) следует, что кристаллы такого состав можно вырастить из расплава, содержащего 50 % Si.