Напівпровідникові матеріали

Зростання провідності обумовлено збільшенням  числа носіїв заряду, оскільки під впливом поля вони легше звільняються тепловим збудженням. Подальше зростання поля викликає ударну іонізацію, яка інколи призводить до руйнування структури напівпровідника.

При проходженні  електричного струму через напівпровідник під дією достатньо сильного електричного поля носії заряду можуть набувати енергії більшої, ніж рівноважна теплова. Такі носії називають “гарячими”. При цьому їх рухливість може значно змінюватись, що може, в свою чергу супроводжуватись електричними коливаннями (ефект Ганна). 

3.5  Ефект Холла

Цей ефект  належить до гальваномагнітних ефектів, тобто до тих фізичних явищ, які  виникають  у напівпровіднику  при одночасному впливі на нього  електричного й магнітного полів. Якщо напівпровідник, уздовж якого тече електричний струм, помістити  в магнітне поле, перпендикулярне до напрямку струму, то в напівпровіднику виникне поперечне електричне  поле, перпендикулярне до струму й магнітного поля. Це явище одержало назву ефекту Холла, а виникаюча поперечна е.р.с. - е.р.с. Холла (рис.3.8).

                              

Рис.3.7 - Виникнення ефекту Холла в напівпровідниках

Поява е.р.с. Холла обумовлена тим, що на носії заряду, які рухаються зі швидкістю v, у магнітному полі з індукцією В, діє сила Лоренца, що відхиляє їх до однієї з бічних граней пластини.

Для напівпровідника n-типу умову рівноваги діючої на електрон сили в скалярній формі запишемо у вигляді

де v_n   - середня швидкість спрямованого руху електрона;

В - магнітна індукція в зразку;

Е_х – напруженість поперечного електричного поля, яке виникнуло.

Вважаючи  поперечне електричне поле однорідним,  одержимо

де  а – ширина пластини; U_x – е.р.с. Хола.

Щільність струму, що протікає в зразку під  дією зовнішнього електричного поля, дорівнює

Використовуючи (3.23), з (3.21) одержимо

де R_x =1/(q*n) – називається коефіцієнтом Холла.

У напівпровіднику n-типу е.р.с. Холла визначається за формулою

де b - товщина  пластини.

Знак  мінус вказує на те, що носіями заряду в даному напівпровіднику є електрони. Для напівпровідників р - типу вираз має аналогічний вигляд, тільки е.р.с. Холла буде позитивною. Ця обставина використовується для визначення типу електропровідності в напівпровіднику.

Рівняння  (3.25) справедливо тільки для вироджених напівпровідників, коли можна не враховувати розподіл носіїв заряду за швидкостями. Більш точне вираження R_x  буде відрізнятися від наявного у рівнянні  (3.25) множником А. Для різних напівпровідників чисельне значення  А змінюється залежно від механізму розсіювання при різних температурах від 1 до 2. 

Вимірявши е.р.с. Холла в деякому діапазоні температур, можна одержати експериментальні дані для побудови залежності концентрації носіїв заряду від температури, за якою визначити енергію іонізації донорів або акцепторів.     

 

3.6 Вплив деформацій  на провідність  напівпровідників

Провідність  твердого кристалічного тіла змінюється при впливі на нього різного виду деформацій у зв'язку зі зміною міжатомних відстаней і зміни концентрації і рухливості носіїв заряду.

Концентрація змінюється внаслідок зміни ширини енергетичних зон напівпровідника  й зсуву домішкових рівнів, що приводить, у свою  чергу, до зміни енергії активації носіїв заряду й, отже, до зменшення або збільшення концентрації.

Рухливість змінюється через збільшення  або зменшення амплітуди коливань атомів при їхньому зближенні або віддаленні.

Величиною, що чисельно характеризує зміну питомої  провідності напівпровідника при певному виді деформації, є тензочутливість

яка є відношенням відносної зміни питомого опору до відносної деформації в даному напрямку.

3.7 Прості напівпровідники

Одним з найбільш вивчених напівпровідникових матеріалів є германій, існування якого передбачив Д.І. Менделєєв у 1870 році.

Чистий  германій має металевий блиск, характеризується високою твердістю і крихкістю. Температура його плавлення становить 937 ^оС , щільність при температурі 25^оС складає 5,33. У твердому стані германій є типовим ковалентним кристалом.

Кристалічний  германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі. Роздрібнений  у порошок при нагріванні на повітрі до температури  ≈ 700 ^оС він легко утворює  діоксид германію GeО₂ . Германій слабко розчинний у воді й практично не розчинний в соляній і розведеній сірчаній кислоті. Активним розчинником германію в нормальних умовах є суміш азотної й плавикової кислот і розчин перекису водню. При нагріванні германій інтенсивно взаємодіє з галогенами, сіркою і сірчанокислими з'єднаннями.

Германій  – елемент IV групи періодичної  системи Д.І.Менделєєва. Хоча вміст германію в земній корі незначний – близько 7×10-4%, він є одним з найкраще вивчених напівпровідникових матеріалів. Саме германій історично визначив науково-технічну революцію в напівпровідниковій електроніці, хоча згодом і поступився першим місцем кремнію.

Одержують германій з відходів переробки поліметалевих  сульфідних руд, золи кам’яного вугілля. Германієвий концентрат розкладають соляною кислотою. Чотирьоххлористий германій GeCl4 служить сировиною для одержання чистого германію: гідролізом одержують двоокис германію GeО2, який при нагріванні до 600-800° в водневому середовищі відновлюється до германію. Технічний германій надалі очищають зонною плавкою або вирощуванням монокристалів в вакуумі. Ступінь очищення германію досягає 109 атомів германію на один атом домішки.

Германію  властиві істотні недоліки, які обмежують  його застосування: він непридатний  для виготовлення мікросхем, оскільки на ньому неможливо створити ізоляцію активних областей оксидом; через відносно вузьку заборонену зону температурний діапазон роботи германієвих приладів істотно вужчий, ніж у кремнієвих (від –60 до +70°С).

Германій, який застосовується у напівпровідникових приладах, має питомий опір від мільйонних часток Ом*м до значень, близьких до питомого опору власного германію. На електричні властивості германію сильний вплив робить режим термообробки. Якщо зразок германію n-типу нагріти до температури порядку 550^оС, а потім різко остудити, то відбудеться зміна типу електропровідності. Аналогічна термообробка германію р-типу приводить до зменшення питомого опору, без зміни типу електропровідності. Відпал загартованих зразків при температурі 500-550^оС відновлює не тільки тип електропровідності, але й первісний питомий опір. При розплавленні германія його питомий опір стає близьким до питомого опору рідких металів.

Проте германій зберіг своє значення для  виготовлення обмеженої номенклатури діодів та транзисторів, зокрема деяких типів лавинно-прольотних, тунельних, точкових високочастотних та імпульсних діодів, датчиків Холла, детекторів іонізуючого випромінювання та ін.

Поки  що поза конкуренцією залишаються дві  області застосування германію: виготовлення оптичних деталей інфрачервоного діапазону та у вигляді діоксиду для виготовлення волоконно-оптичних ліній зв’язку.

Застосовують  германій для виготовлення діодів, датчиків Холу, тензодатчиків, фото діодів, модуляторів світла, оптичних фільтрів і т.д. 

Кремній є одним з найпоширеніших матеріалів у земній корі (близько 29%). Але у вільному стані в природі він не зустрічається, а є присутнім тільки в з'єднаннях у вигляді окисла й у солях кремнієвих  кислот. Технічний кремній, який одержують шляхом відновлення природного діоксиду SiО₂ (кремнезем) в електричній дузі між графітовими електродами, містить близько 1 % домішок і як напівпровідник використовуватися не може. Він є вихідною сировиною для одержання кремнію напівпровідникової чистоти, в якому вміст домішок не повинне перевищувати 10^-6 %.

Об'ємні кристали кремнію одержують шляхом  вирощування з розплаву й при  безтигельній вертикальній зонній плавці. Перший метод застосовують для одержання  великих  монокристалів з відносно невеликим питомим опором (< 2.5 Ом*м). Другий метод використовують  для одержання високоомних монокристалів кремнію з малим вмістом залишкових домішок. Кристали кремнію n- і  p-типу одержують шляхом введення при вирощуванні відповідних домішок, серед яких найбільш часто використовують фосфор і бор.

Питомий опір кремнію змінюється в широких межах залежно від концентрації в ньому домішок. Завдяки більш широкій забороненій зоні власний питомий опір кремнію більш ніж на три порядки  перевершує власний питомий опір германію. При плавленні кремнію трохи збільшується його густина (на 8%) і стрибкоподібно зменшується питомий опір (в 30 разів). У розплавленому стані кремній має питомий опір порядку 10^-4 Ом*м і поводиться подібно до рідких металів.

У наш  час кремній є базовим матеріалом напівпровідникової техніки. Він використовується для створення інтегральних мікросхем, різного типу діодів, польових транзисторів, стабілітронів, тиристорів, фотоелементів сонячних батарей і т.д.

Карбід  кремнію є єдиним бінарним з'єднанням, утвореним напівпровідниковими елементами IV групи таблиці Менделєєва. Це напівпровідниковий матеріал з великою шириною забороненої зони (2, 8-3,1 еВ).Застосовується для виготовлення напівпровідникових приладів, що працюють при високих температурах (до 700^оС).

Кристали  карбіду кремнію напівпровідникової чистоти одержують методом сублімації в печах із графітовими нагрівачами й екранами. Процес кристалізації проводять в атмосфері аргону при температурі 2400-2600^оС. Карбід кремнію є одним з найбільш твердих речовин, він стійкий проти окислювання до температур понад 1400^оС. При кімнатній температурі карбід кремнію не реагує ні з якими кислотами.

Електропровідність  кристалів карбіду кремнію при  нормальній температурі домішкова. Тип електропровідності й фарбування кристалів карбіду кремнію залежать від сторонніх домішок. Чистий карбід кремнію безбарвний. Домішки V групи (N, P, As, Sb, Bi) і заліза дають зелене фарбування і електропровідність n-типу, а елементи II групи (Ca, Mg) і III групи (B, Al, Ga, In) - блакитне й фіолетове фарбування і електропровідність р-типа. Надлишок Si приводить до електронної електропровідності Si, а надлишок С - до діркової.

Застосовується карбід кремнію для виготовлення варисторів, світлодіодів, високотемпературних діодів, транзисторів, терморезисторів, лічильників часток високої енергії здатних працювати в хімічно агресивних середовищах.

Кремній – також елемент IV групи періодичної  системи Д.І.Менделєєва, проте один з найпоширеніших елементів земної кори (27,6%). У вільному стані кремній в природі не зустрічається.

Кремній одержують відновлюючи чотирьоххлористий кремній цинком або воднем з наступним очищенням зонною плавкою. Легують кремній під час зонної плавки або витягування з розплаву.

За звичайних  умов кремній досить інертний (проте  взаємодіє з HF та F2), але при нагріванні взаємодіє з багатьма речовинами. Фізичні властивості кремнію наведені в таблиці 3.1. Електричні властивості кремнію дуже залежать від складу та концентрації домішок. Кремній непрозорий для видимої частини спектру електромагнітного випромінювання, але прозорий для інфрачервоного випромінювання l=1-9мкм.

Кремній – домінуючий матеріал напівпровідникової електроніки та мікроелектроніки. Завдяки його унікальним фізико-хімічним властивостям кремнієві прилади стабільно працюють в широкому діапазоні температур від –40 до +180°С. На базі кремнію виготовляють найрізноманітніші діоди, транзистори та інтегральні мікросхеми, тиристори, фоточутливі прилади, сонячні батареї для безпосереднього перетворення енергії випромінювання в електричну. Технічний кремній застосовується у виробництві легованої електротехнічної сталі.