Полупроводники

Исторические  сведения 
 
Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:  
1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник 
2. фотопроводимость. 
Были построены первые приборы на их основе. 
О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей). 
В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 - х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.  
Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос всвязи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p - n - переходе, а затем на гетеропереходах.  
 
В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки. 
 
Свойства полупроводников 
 
Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности (, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.  
 
Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе. Он выяснил что полупроводники - особый класс кристаллов со многими замечательными свойствами:  
1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем как правило в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально: 
 
( = (о ( exp. (-(a / kT )  
 
где (а - так называемая энергия активации проводимости,  
(о - коэффициент зависящий от температуры 
Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшатся при воздействии света или сильных электронных полей.  
 
2) Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др. 
 
3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях при освещении или нагревании являются источниками фото - э. д. с. или, соответственно, термо - э. д. с.  
 
Строение полупроводников и принцип их действия. 
 
Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи, схематически представленные на рис.1 . Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения) .  
 
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении температуры  
( T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома (рис. 2). Такой электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем. 
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны , но и "дырки" . При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место-"дырка" при воздействии электрическим поле на кристалл "дырка " как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. "Дырку" условно можно считать частицей , несущей положительный заряд. 
 
Примесная проводимость. 
 
Один и тот же полупроводник обладает либо электронной ,либо дырочной проводимостью - это зависит от химического состава введенных примесей. Примеси оказывают сильное воздействие на электропроводимость полупроводников: 
так, например , тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз 
уменьшить их сопротивление . Этот факт, с одной стороны , указывает на возможность изменение свойств полупроводников, с другой стороны, он свидетельствует о трудностях технологии при изготовлении полупроводниковых материалов с заданными характеристиками. 
 
Рассматривая механизм влияния примесей на электропроводимость полупроводников, следует рассматривать два случая: 
 
Электронная проводимость . 
 
Добавка в германий примесей, богатых электронами , например мышьяка или сурьмы , позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью или полупроводник n - типа ( от латинского слова "негативус" - "отрицательный"). 
На рис. 3а схематично показана картина электронных связец при 0 К. Один из валентных электронов мышьяка не участвует в связях с другими атомами. При повышении температуры электрон может быть оторван от атома (см рис. 3б) и тем самым создает электронную проводимость.  
Примеси создающие такую электропроводимсть называют донорнями. 
 
Дырочная проводимость 
 
Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает в кристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочной проводимостью - полупроводник p - типа.  
Дырочная примесная электропроводимость создется атомами имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы. На рис. 4 схематично показаны электронные связи германия с примесью бора. При 0 К все связи укомплектованны, только у бора не хватает одной связи (см рис. 4а). Однако при повышении температуры бор может насытить свои связи за счет электронов соседних атомов (см рис. 4б). 
Подобные примеси называются акцепторными.  
 
Жидкие полупроводники 
 
Плавление многих кристалических полупроводников сопроводается резким увеличением их электропроводности Q до значений типичныхдля металлов (см рис. 5а). Однако для ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т. д.) характерно сохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характера температурной зависимости Q (см рис. 5б). Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшем повышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретают металлические (например сплавы Te - Se, ботатые Te). Сплавы же Te - Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чисто полупроводниковый характер. 
В Жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет область энергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектре электронов. 
При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляеся зона почти локализованных состояний носителей зарядов с малой подвижностью (псевдощель). Если при повышении температуры происходит "схлопывание" псевдощелей, жидкий полупроводник превращается в металл.  
 
Использование полупроводников. 
 
Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью. 
Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют свтовую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. 
Инженеры не могут обходиться без полупровдниковых выпрямителей, 
переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность. 
 
 
 
 
 

Полупроводники - , вещества, электропроводность которых  при комнатной температуре имеет  промежуточное значение между электропроводностью  металлов (106 - 104 Ом-1 см-1) и диэлектриков (10-8 - 10-12 Ом-1 см-1). Характерная особенность полупроводников - возрастание электропроводности с ростом температуры; при низких температурах электропроводность полупроводников мала; на нее влияют и другие внешние воздействия: свет, сильное электрическое поле, потоки быстрых частиц и т. д. Высокая чувствительность электрических и оптических свойств к внешним воздействиям и содержанию примесей и дефектов в кристаллах также характерна для полупроводников. Все эти особенности и определяют их широкое применение в технике (см. Полупроводниковые приборы). К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др., см. Полупроводниковые материалы). Носителями заряда в полупроводниках являются электроны проводимости и дырки (носители положительного заряда). В идеальных кристаллах они появляются всегда парами, так что концентрации обоих типов носителей равны. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться и проводимость осуществляется практически только одним типом носителей. Полное описание природы носителей заряда в полупроводниках и законов их движения дается в квантовой теории твердого тела 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

1. Температурные  зависимости концентрации, подвижностей носителей

заряда собственных  и примесных полупроводников

1.1 Температурные  зависимости концентрации в собственном  полупроводнике

1.2 Температурные  зависимости концентрации в донорном  полупроводнике

1.3 Температурная  зависимость подвижности носителей заряда

2. Полупроводниковые  материалы Si и Ge

2.1 Основные сведения  о кристаллическом строении

2.2 Получение  и выращивание монокристаллов

2.3 Метод Чохральского  и метод зонной плавки

2.4 Основные физико-химические  и электрофизические свойства

2.5 Осаждение  эпитаксиальных слоев кремния

2.6 Применение  в полупроводниковых приборах  и ИС

3. Методы контроля  параметров полупроводниковых материалов: проводимости, концентрации, подвижности,  ширины запрещенной зоны

3.1 Проводимость  полупроводников

3.1.1 Преимущества  и недостатки методов исследования  проводимости полупроводников

3.2 Определение  подвижности

3.2.1 Факторы,  определяющие подвижность

3.3 Концентрация  собственных носителей

Вывод

Список использованной литературы

Введение

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов, в частности полупроводниковых. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей электронной аппаратуры. Практика постоянно предъявляет все более жестокие и разнообразные требования к свойствам и сочетанию свойств у материалов, поэтому растет их количество и номенклатура. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электронной технике для различных целей, составляет несколько тысяч, значительную часть которых составляют полупроводниковые материалы.

К полупроводникам  относится большое количество веществ  с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых  при нормальной температуре находится между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков. Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры и освещения, приложение электрического и магнитного полей, внешнего давления и т.д.). Свойства полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, при введении которых изменяется не только значение проводимости, но и характер ее температурной зависимости.

Особенно бурное развитие переживает полупроводниковая электроника в последние четыре десятилетия. Массовое применение полупроводников вызвало коренное преобразование в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Совершенствование полупроводниковой технологии позволило решить задачу микроминиатюризации и интеграции электронной аппаратуры.

1 Температурные зависимости  концентрации, подвижностей  носителей заряда  собственных и  примесных полупроводников

1.1 Температурные зависимости  концентрации в  собственном полупроводнике

В зависимости  от степени чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные. Собственный полупроводник - это  полупроводник, в котором можно  пренебречь влиянием примеси.

Примесный полупроводник - это полупроводник, электрофизические  свойства которого в основном определяется примесями. Примеси, обусловливающие преимущественно электронную проводимость, называют донорами, а дырочную - акцепторами.

В случае Ge и Si примесями  первого вида служат элементы V группы (с большей валентностью): As, P, Sb.

В собственном полупроводнике уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны . Следовательно ; . (1.1)

Тогда . (1.2)

Из полученных выражений следует, что равновесная  концентрация носителей заряда в  собственных полупроводниках определяется шириной запрещенной зоны и температурой. Для графического изображения температурной зависимости n_i выражение (1.1) удобно представить в виде

ln n_i= (1.3)

Произведение  слабо зависит от температуры. Поэтому  зависимость lnn_i от близка к линейной, причем наклон прямой линии характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника .

Рассмотрим примесный  полупроводник.

Рисунок 1.1 - График зависимости ln n от 1/T для примесного полупроводника

В широком диапазоне  температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, показанные на рисунке 1.1. Проанализируем его:

а) N_Д1 - малая концентрация доноров. В области низких температур увеличение концентрации электронов при нагревании полупроводника обусловлено возрастанием степени ионизации доноров (участок 1-4). Каждый ионизированный донор можно рассматривать как центр, захвативший дырку, наклон прямой на участке 1-4 характеризует энергию ионизации примесей.

При дальнейшем повышении температуры при некоторой температуре (точка 4) все электроны с примесных уровней будут переброшены в зону проводимости. При этом вероятность ионизации собственных атомов полупроводника еще очень мала. Поэтому в достаточно широком температурном диапазоне (участок 4-6) концентрация носителей заряда остается постоянной и практически равной концентрации доноров. Этот участок называется областью истощения примесей.

При относительно высоких температурах (участок кривой за точкой 6) происходит переход в  область собственной проводимости (перебросы электронов из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости).

Крутизна кривой определяется шириной запрещенной  зоны.

При повышении  N_Д (N_Д2>N_Д1) кривые температурной зависимости смещаются вверх.

1.2 Температурные зависимости  концентрации в донорном полупроводнике

Донорный полупроводник  характеризуется электронной проводимостью. Для него выполняется соотношение >>p_n0. Положение уровня Ферми в полупроводниках n - типа при различных температурах имеет вид, представленный на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Положение уровня Ферми в полупроводниках n - типа

При этом наблюдаются  следующие закономерности:

а) в области  низких температур (kT<) ;

при Т=0К 

б) в области  средних температур (в области  истощения примесей)

(1.4)

в) в области высоких температур (в области перехода к собственной проводимости)

(1.5)

Зная положение  уровня Ферми в зависимости от температуры можно получить зависимость  концентрации основных носителей от температуры.

В области низких температур

(1.6)

В области истощения  примесей . Зависимость концентрации основных носителей от температуры представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - График зависимости концентрации основных носителей от температуры

В области низких температур (0 - Т₁) возрастание концентрации электронов связано с переходом электронов в зону проводимости с донорных уровней (происходит ионизация примесных атомов). При этом возрастание концентрации электронов характеризуется смещением уровня Ферми на рис ближе к дну зоны проводимости.

Температурный интервал Т₁ - Т₂ называется областью истощения примеси;

Т₁ - нижней температурной границей истощения примеси, T₂ - верхней температурной границей истощения примеси. В этом интервале n=N_d. Концентрация же неосновных носителей в этом интервале резко возрастает, что вытекает из закона действующих масс:

; ; (1.7)