Общие сведения о полупроводниках

1.1. Виды полупроводников.К полупроводникам относятся вещества, занимающие по величине удельной электрической проводимости [1] промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами). Значения удельной электрической проводимости и удельного электрического сопротивления [2] этих трех классов веществ приведены в табл.1.

 

Электропроводность веществ при Т = 300К = +27ºС Таблица 1

 

Класс вещества	Удельная электрическая проводимость, См/см	Удельное электрическое сопротивление, Ом·см
Проводники Полупроводники Диэлектрики	>10 4 10 4 … 10 – 10 < 10 –10	< 10 – 4 10 – 4 … 10 10 > 1010

 

Основным признаком, выделяющим полупроводники как особый класс веществ, является сильное влияние температуры и концентрации примесей на их электрическую проводимость и сопротивление. Например, даже при сравнительно небольшом повышении температуры, сопротивление полупроводников резко падает (до 5-6% на 1ºС). Сопротивление металлов с ростом температуры увеличивается, но очень незначительно – изменение составляет примерно 0,2 …0,6% на 1ºС. Введение примеси в количестве 0,0000001 … 0,000000001% увеличивает проводимость полупроводника в тысячи раз, т.е. значительно уменьшает электрическое сопротивление.

У большинства полупроводников сильное изменение электрической проводимости возникает также под действием: света, ионизирующих излучений, электрического поля, магнитного поля, механических напряжений (давление, растяжение, вибрации и т.д.) и других внешних воздействий. Таким образом, полупроводник – это вещество, удельная проводимость которого существенно зависит от внешних факторов.

Полупроводники представляют многочисленный класс веществ. К ним относятся:

а) простые полупроводниковые материалы – собственно химические элементы (12шт): кремний Si, германий Ge, селен Se, бор B, углерод C, сера S, мышьяк Аs, фосфор Р, сурьма Sb, серое олово α-Sn, теллур Te и йод I.

 

Самостоятельное широкое применение нашли кремний Si, германий Ge и селен Se. Остальные чаще всего применяются в качестве примесных добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов.

Германий встречается в сернистых минералах, некоторых силикатах и карбонатах, а также в каменных углях и богатых углем породах. Содержание германия в земной коре – 7·10 ^{– 4} %. Для полупроводниковых приборов необходим германий, почти не содержащий примесей других элементов. На 10⁸ его атомов лишь один может быть чужеродным, но и то не любым, а принадлежащим к группе определенных "легирующих" элементов (чаще всего Sb, As, Ga, In). Поэтому производство германия представляет известную сложность.

Кремний – наиболее распространенный (после кислорода О) элемент, но в чистом виде он не встречается. Давно известным соединением является его двуокись SiO₂. Твердая земная кора содержит по массе 27,6% Si и состоит более чем на 97% из природных силикатов, т.е. солей кремниевых кислот, а также двуокиси кремния SiO₂ преимущественно в виде кварца. Для производства полупроводниковых приборов необходим очень чистый кремний. Получение чистых кристаллов кремния ещё более сложно, чем кристаллов германия. Кремний имеет высокую температуру плавления (около 1500ºС) и в расплавленном состоянии крайне высокую химическую активность. Это повышает технологические трудности получения чистых кристаллов и введения в них нужных примесей. Поэтому чистый кремний, как и германий, сравнительно, дорогой элемент.

 

б) сложные полупроводниковые материалы – это химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов.

 

Полупроводниковые материалы, состоящие из двух элементов, называют бинарными, и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк As, называют арсенидами, серу S – сульфидами, теллур Те – теллуридами, углерод С – карбидами, кислород О – оксидами, азот N – нитридами и т.д.

Широкое применение получили следующие соединения: арсенид GaAs и антимонид GaSb галлия, антимонид InSb и арсенид InAs индия, карбид кремния SiC, оксиды титана TiO, цинка ZnO, никеля NiO, тройные соединения CdGeAs₂, ZnSnAs₂, многофазные As₂Se₃-As₂Te₃, Tl₂Se-As₂Se₃ и многие другие (свыше 2 000 типов).

1.2. Структура полупроводников. Применяемые в электронике простые полупроводники имеют кристаллическую структуру. Это означает, что по всему объему такого вещества атомы размещены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя так называемую кристаллическую решетку.

Для изготовления полупроводниковых приборов широко используются кремний Si и германий Ge, имеющие валентность, равную 4. Внешние оболочки атомов германия или кремния имеют четыре валентных электрона. В 1 см³ германия содержится 4,4·10²² атомов, а в 1см³ кремния содержится 5·10²² атомов.

Кристаллическая решетка в пространстве состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами.

Каждый атом кристаллической решетки электрически нейтрален, но существуют силы, удерживающие атомы в узлах решетки. Эти силы возникают за счет валентных электронов. Подобную связь называют ковалентной или парноэлектронной,для ее создания необходима пара валентных электронов.

Сущность ковалентной связи можно пояснить на примере объединения атомов германия. Такая ковалентная связь изображена на рис.1. Как видно, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам два валентных электрона, показанные на рис.1 жирными точками. Каждый атом выделяет на общую орбиту по одному электрону.

В германии и кремнии, являющиеся четырехвалентными элементами, на наружной оболочке имеется по четыре валентных электрона, поэтому каждый атом образует четыре ковалентных связи с четырьмя ближайшими от него атомами.

 

 

Рис. 1 Рис.2

В более наглядном, условном плоскостном изображении такой кристаллической решетки (рис.2), ковалентные связи показаны в виде прямых линий, а электроны – по-прежнему в виде жирных точек (иногда для упрощения электроны вообще не показывают).