Полупроводниковые Материалы
Полупроводниковые Материалы в Энциклопедическом словаре:
Полупроводниковые Материалы - полупроводники, применяемые для изготовленияэлектронных приборов и устройств. Используют главным образомкристаллические полупроводниковые материалы (напр., легированныемонокристаллы кремния или германия, химические соединения некоторыхэлементов III и V, II и VI групп периодической системы). Все большеезначение приобретают твердые аморфные полупроводниковые вещества иорганические полупроводники.
Определение «Полупроводниковые Материалы» по БСЭ:
Полупроводниковые материалы - Полупроводники, применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике используют главным образом кристаллические П. м. Большинство из них имеет кристаллическую структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры Алмаза.
Значительную роль в развитии полупроводниковой техники сыграл Селен: селеновые выпрямители долгое время оставались основными полупроводниковыми приборами, получившими массовое применение.
В начале 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые П. м. - Кремний и Германий. Обычно их изготовляют в виде массивных Монокристаллов, легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10−3-104 ом·см получают преимущественно методом вытягивания из расплава (по Чохральскому), а легированные монокристаллы Ge с удельным сопротивлением 0,1-45 ом·см получают, кроме того, зонной плавкой.
Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, Al, Ga, In) - дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов, Транзисторов, интегральных микросхем и т.д.
Большую группу П. м. составляют химические соединения типа AIII BV (элементов III группы с элементами V группы) - арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb, AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Синтез и выращивание монокристаллов обычно производят в замкнутых сосудах из высокотемпературных химически инертных материалов, обладающих высокой прочностью, поскольку давление насыщенного пара над расплавом таких элементов, как Р и As, сравнительно велико. Примеси элементов II группы придают этим П. м., как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы - электронную. П. м. этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах, Ганна диодах, фотоэлектронных умножителях, в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн.
П. м. типа AiiBvi из которых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преимущественно с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих П. м. определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование П. м. этого типа связано главным образом с их оптическими свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в Фоторезисторах, Фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения (см. Модуляция света) и т.д.
К П. м. относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Te, и оксидные системы, например V2O5 - P2O5 - RxOy, где R - металлы I - IV групп, x - число атомов металла и у - число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении.
Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов
Элемент, тип соединения | Наименование материала | Ширина запрещённой зоны, эв | Подвижность носителей заряда при 300K, смІ/(в·сек) | Кристаллическая структура | Постоян- ная решётки, Е | Темпе- ратура плав- ления, °C | Упругость пара при темпе- ратуре плав- ления,атм |
при 300K | при 0K | элек- троны | дырки |
Элемент | С (алмаз) | 5,47 | 5,51 | 1800 | 1600 | алмаз | 3,56679 | 4027 | 10−9 |
Ge | 0,803 | 0,89 | 3900 | 1900 | типа алмаза | 5,65748 | 937 |
Si | 1,12 | 1,16 | 1500 | 600 | » | 5,43086 | 1420 | 10−6 |
α-Sn | | ∼0,08 | | | » | 6,4892 |
IV-IV | α-SiC | 3 | 3,1 | 400 | 50 | типа сфалерита | 4,358 | 3100 |
III-V | AISb | 1,63 | 1,75 | 200 | 420 | типа сфалерита | 6,1355 | 1050 | <0,02 |
BP | 6 | | | | » | 4,538 | >1300 | >24 |
GaN | 3,5 | | | | типа вюртцита | 3,186 (по оси a) 5,176 (по оси с) | >1700 | >200 |
GaSb | 0,67 | 0,80 | 4000 | 1400 | типа сфалерита | 6,0955 | 706 | <4 ·10−4 |
GaAs | 1,43 | 1,52 | 8500 | 400 | то же | 5,6534 | 1239 | 1 |
GaP | 2,24 | 2,40 | 110 | 75 | » | 5,4505 | 1467 | 35 |
InSb | 0,16 | 0,26 | 78000 | 750 | » | 6,4788 | 525 | <4 ·10−5 |
InAs | 0,33 | 0,46 | 33000 | 460 | » | 6,0585 | 943 | 0,33 |
InP | 1,29 | 1,34 | 4600 | 150 | » | 5,8688 | 1060 | 25 |
II-VI | CdS | 2,42 | 2,56 | 300 | 50 | типа вюртцита | 4,16 (по оси a) 6,756 (по оси с) | 1750 |
CdSe | 1,7 | 1,85 | 800 | | типа сфалерита | 6,05 | 1258 |
ZnO | 3,2 | | 200 | | кубич. | 4,58 | 1975 |
ZnS | 3,6 | 3,7 | 165 | | типа вюртцита | 3,82 (по оси a) 6,26 (по оси с) | 1700 |
IV-VI | PbS | 0,41 | 0,34 | 600 | 700 | кубич. | 5,935 | 1103 |
PbTe | 0,32 | 0,24 | 6000 | 4000 | то же | 6,460 | 917 |
П. м. в
широких пределах изменяют свои свойства с изменением температуры, а также под влиянием электрических и магнитных
полей, механических
напряжений, облучения и др.
воздействий. Этим пользуются для
создания различного рода Датчиков.
П. м. характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их
подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик П. м., например
ширина запрещенной зоны и эффективная
масса носителей, относительно
слабо зависит от концентрации химических примесей и степени
совершенства кристаллической решётки. Но
многие параметры практически
полностью определяются концентрацией и
природой химических примесей и структурных дефектов.
Некоторые физические свойства важнейших П. м. приведены в таблице.
В электронных приборах П. м. используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких
моно- и поликристаллических слоев (толщиной от долей мкм до нескольких сотен мкм), нанесённых на
различные, например изолирующие или полупроводниковые,
подложки (см.
Микроэлектроника). В таких устройствах П. м. должны
обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации.
Большое значение имеют
однородность свойств П. м. в пределах монокристалла или слоя, а также
степень совершенства их кристаллической структуры
(плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).
В
связи с высокими требованиями к чистоте и
совершенству структуры П. м. технология их производства
весьма сложна и требует высокой
стабильности технологических режимов (постоянства температуры, расхода газовой смеси,
продолжительности процесса и т.д.) и
соблюдения специальных условий, в
частности т. н. полупроводниковой чистоты аппаратуры и
помещений (не
более 4 пылинок размером
свыше 0,5 мкм в 1 л воздуха).
Продолжительность процесса выращивания монокристаллов в
зависимости от их размеров и вида П. м. составляет от нескольких десятков мин до нескольких сут. При
обработке П. м. в промышленных условиях используют процессы резания П. м. алмазным инструментом,
шлифовки и
полировки их поверхности абразивами, термической обработки,
травления щелочами и кислотами.
Контроль качества П. м. весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры П. м.: химический
состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и
уровень легирования. Для анализа состава П. м. обычно пользуются оптическими, спектральными, масс-спектроскопическими и активационными методами. Электрофизические характеристики измеряют т. н. зондовыми методами или используют Холла
эффект. Совершенство структуры монокристаллов исследуют методами рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Толщину слоев измеряют либо бесконтактными оптическими методами, либо методами сошлифовки слоя.
Лит.: Технология полупроводниковых материалов, пер. с англ., М., 1961; Родо М., Полупроводниковые материалы, пер. с
франц., М., 1971; Зи С. М.,
Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973; Палатник А. С.,
Сорокин В. К.,
Основы пленочного полупроводникового
материаловедения, М., 1973; Кристаллохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ, М., 1973.
Ю. Н.
Кузнецов, А. Ю.
Малинин.
Полупроводниковая Электроника
Полупроводниковые Материалы
Полупроводниковые Приборы