Основные группы полупроводниковых материалов

April 23, 2013 by admin Комментировать »

В настоящее время известно 104 химических элемента, из них 79 металлов и 25 неметаллов. Среди последних 13 элементов проявляют полупроводниковые, а остальные 12 — диэлектрические свойства (см. табл. 1.1).

Но кроме элементарных полупроводников насчитываются сотни и даже тысячи соединений, твердых растворов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Поэтому было бы целесообразно классифицировать полупроводниковые материалы.

Все полупроводники могут быть  разделены на  кристаллические и

некристаллические.

В настоящем курсе не будут рассматриваться особенности материаловедения и технологии некристаллических полупроводников, которые обычно выделяются в особый раздел физики полупроводников и о которых можно прочитать в специальной литературе [7, 8]. Однако для полноты классификации дадим о них самые общие сведения.

К числу некристаллических полупроводников относятся: аморфные полупроводники (a-Si, a-Ge, Se, Sb, Te); жидкие полупроводники (расплавленный Se, Te, расплавы оксидов, сульфидов, селенидов и теллуридов некоторых металлов); стеклообразные полупроводники.2 Наибольшее распространение среди стеклообразных полупроводников получили халькогенидные (сплавы P, As, Sb, Bi с S, Se, Te, например, As2Se3, As2S3, As2Te3) и оксидные (V2O5 − P2O5 − MeOx).3

Общей чертой некристаллических полупроводников является отсутствие дальнего порядка в расположении атомов, результатом которого оказываются существенные изменения в энергетическом спектре и низкая подвижность носителей заряда.

Исследования дифракции рентгеновских лучей, электронов и исследование дальней тонкой структуры рентгеновских спектров поглощения (EXAFS-спектроскопия) показывают, что ближайшее окружение и межатомные расстояния в некристаллических полупроводниках практически не отличаются от их кристаллических аналогов. Таким образом, можно сделать вывод, что полупроводниковые свойства материалов обусловлены ближним порядком (типом связи), а не дальним порядком (кристаллической структурой материалов).

Среди кристаллических полупроводников часто выделяют группы со сходными теми или иными свойствами. Так по количеству входящих в состав вещества компонент можно выделить:

1) элементарные (гомеополярные) полупроводники: C, Si, Ge, α-Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, I, B. Важнейшими представителями этой группы являются Ge и Si — основные материалы полупроводниковой электроники. Германий и кремний имеют кубическую структуру типа алмаза, где каждый атом окружен 4 ближайшими соседями (см. гл. 2).

2)гетерополярные полупроводники (бинарные, трехкомпонентные и так далее).

В этом курсе будут рассматриваться в основном только элементарные и бинарные полупроводники, что позволит на простых примерах выявить общие закономерности, характерные для полупроводников, и более детально разобраться в физико-химических проблемах, которые возникают при получении этих материалов. Кроме того, следует отметить, что в электронной промышленности из-за сложностей получения чистых многокомпонентных материалов, как правило, применяются элементарные и бинарные полупроводники.

Среди бинарных полупроводников выделим наиболее изученные и широко используемые группы полупроводниковых соединений. В одну группу обычно включают соединения с одинаковой стехиометрической формулой, то есть образованные из элементов, расположенных в одних и тех же группах периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

а) Алмазоподобные полупроводники.

3Me — металлы I–VI групп.

Таблица 1.1. Фрагмент таблицы периодической системы Д. И. Менделеева. Для каждого элемента в нижней строке указаны его атомный радиус (в A˚ ) (слева) и величина электроотрицательности по Полингу (справа) [20].

Стехиометрическая формула этих полупроводников — ANB8−N, где A и B — компоненты соединения, N — номер группы компонента A в периодической таблице Менделеева. Компоненты этих соединений расположены симметрично относительно IV группы в таблице Менделеева.

Соединения имеют гранецентрированную кубическую решетку и кристаллизуются в структурах типа алмаза или сфалерита (цинковой обманки), либо гексагональную решетку и кристаллизуются в структуре типа вюртцита.

Физические свойства соединений элементов VI группы в значительной мере определяются концентрацией собственных точечных дефектов структуры (см. гл. 3), проявляющих электрическую активность (центры рассеяния и рекомбинации).

Полупроводники ANB8−N находят широкое применение во многих областях техники и, прежде всего, в оптоэлектронных приборах.

К ним относятся:

AIIIBV  — GaAs, InSb, InP, GaSb, GaP, AlSb (структура сфалерита). AIIBVI  — CdSe, CdTe, HgTe, ZnS, ZnSe (структура сфалерита); CdS,

CdSe, ZnS, ZnSe (структура вюртцита).4

AIBVII (кристаллизующиеся в кубической структуре типа сфалерита) — CuBr, AgI.

AIVBIV  — β-SiC (структура сфалерита).

б) Халькогениды элементов четвертой группы.

Стехиометрическая формула этих полупроводников — AIVBVI. Типичные представители — PbS, PbTe, SnTe.

Эти материалы имеют гранецентрированную кубическую решетку типа NaCl или слабо искаженные структуры на ее основе. Они имеют узкую запрещенную зону и используются как источники и приемники ИК-излучения. Собственные точечные дефекты структуры в AIVBVI имеют низкую энергию ионизации и проявляют электрическую активность.

в) Халькогениды элементов пятой группы.

Стехиометрическая формула этих материалов — AVBVI. К этой груп2     3

пе относятся халькогениды мышьяка (As2S3, As2Se3, As2Te3), кристаллизующиеся в структуры с моноклинной решеткой; халькогениды сурьмы (Sb2Se3, Sb2S3) — соединения с ромбической решеткой; халькогениды висмута (Bi2Te3, Bi2Se3) — соединения с ромбоэдрической решеткой.

Халькогениды сурьмы и висмута используются для создания полупроводниковых термоэлектрических генераторов.

4 Обратите внимание на то, что некоторые из приведенных полупроводников существуют в двух кристаллических модификациях.

Среди гетерополярных полупроводников принято также выделяют следующие группы полупроводников:

а) Магнитные полупроводники [9, 10].

Во всех этих материалах присутствуют атомы с частично заполненными dи f-оболочками (атомы переходных металлов и редкоземельных элементов). Отличительной особенностью многих из них является возникновение магнитного упорядочения при низких температурах.

Эта группа включает такие соединения как, например, EuS, EuSe, MnTe, простые (NiO, CoO, FeO, ZnO, EuO, Cu2O) и сложные окислы

переходных металлов, например, ферриты типа MeO·Fe2O3 или MeFe2O4

(ZnFe2O4, MnFe2O4), кристаллизующиеся в структуре шпинели.

Эти материалы находят применение в радиотехнических приборах,

оптических устройствах, управляемых магнитным полем, и в волноводных устройствах СВЧ. Оксидные полупроводники (NiO, ZnO, EuO, Cu2O) используются как разнообразные датчики — температуры, химического состава газа.

б)  Полупроводники-сегнетоэлектрики [11, 12].

Отличительными особенностями этой группы кристаллов является наличие электрических моментов в кристалле и возникновение спонтанной поляризации при понижении температуры.

Типичным примером этих материалов являются полупроводники со структурой перовскита и стехиометрической формулой ABO3. Их примером могут служить BaTiO3 и PbTiO3. К этой же группе полупроводников-сегнетоэлектриков относятся и некоторые соединения AIVBVI — GeTe и SnTe.

Используются эти материалы при создании запоминающих и нелинейно-оптических устройств, в качестве пьезодатчиков.

в) Органические полупроводники: антрацен, нафталин, фталоцианины, поливинилкарбазол [13, 14].

В последние годы наметился существенный прогресс в использовании

этих материалов в разных областях техники, например, для создания транзисторов и оптоэлектронных приборов.

Такое деление полупроводников можно было бы продолжить и дальше, однако остановимся  на приведенных наиболее часто выделяемых группах.

Изучение курса основы материаловедения и технологии полупроводников начнем с обсуждения природы химических связей и анализа особенностей химической связи в полупроводниках.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты