Какие вещества называются полупроводниками. Полупроводниковые материалы: типы, свойства и применение

Что такое полупроводники. Какие существуют типы полупроводниковых материалов. Каковы основные свойства полупроводников. Как классифицируются полупроводниковые материалы. Где применяются различные виды полупроводников.

Что такое полупроводниковые материалы?

Полупроводниковые материалы — это вещества, электропроводность которых по величине занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Основные особенности полупроводников:

• Удельное сопротивление при комнатной температуре от 10^-3 до 10⁹ Ом·см
• Электропроводность увеличивается с ростом температуры
• Обладают ковалентным типом химической связи
• Имеют кристаллическую решетку алмаза или сфалерита

Полупроводники широко применяются для создания различных электронных устройств и компонентов благодаря своим уникальным электрическим свойствам.

Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы можно классифицировать по нескольким признакам:

По химическому составу:

• Элементарные полупроводники (Si, Ge)
• Соединения типа A^IIIB^V (GaAs, InP)
• Соединения типа A^IIB^VI (CdS, ZnSe)
• Оксидные полупроводники (Cu₂O, ZnO)
• Органические полупроводники

По структуре:

• Кристаллические
• Аморфные
• Жидкие

По типу проводимости:

• Собственные полупроводники
• Примесные полупроводники (n-типа и p-типа)

Основные типы полупроводниковых материалов

Элементарные полупроводники

К элементарным полупроводникам относятся простые вещества, расположенные в III-V группах периодической системы элементов. Наиболее важными являются:

• Кремний (Si) — самый распространенный полупроводниковый материал
• Германий (Ge) — первый материал, на основе которого были созданы транзисторы
• Селен (Se) — применяется в фотоэлементах

Неорганические соединения

Полупроводниковые соединения можно разделить на несколько групп:

• Бинарные соединения: GaAs, InP, CdS, ZnSe
• Тройные соединения: AlGaAs, InGaAs
• Четверные соединения: InGaAsP

Среди бинарных соединений наиболее важными являются:

• Соединения A^IIIB^V (GaAs, InP) — применяются в высокочастотных и оптоэлектронных устройствах
• Соединения A^IIB^VI (CdS, ZnSe) — используются в оптоэлектронике
• Карбид кремния (SiC) — применяется в силовой электронике

Свойства полупроводниковых материалов

Основные свойства полупроводников, определяющие их применение в электронике:

• Электропроводность, зависящая от температуры и освещенности
• Наличие собственной и примесной проводимости
• Возможность создания p-n-переходов
• Фотоэлектрические и термоэлектрические эффекты
• Люминесценция

Как изменяется электропроводность полупроводников при нагревании? Электропроводность полупроводников увеличивается с ростом температуры, в отличие от металлов. Это связано с тем, что при нагревании возрастает концентрация свободных носителей заряда.

Применение полупроводниковых материалов

Различные типы полупроводников находят широкое применение в электронике:

• Кремний (Si) — основной материал для производства интегральных микросхем, солнечных элементов, транзисторов
• Германий (Ge) — применяется в высокочастотных транзисторах, детекторах ядерного излучения
• Арсенид галлия (GaAs) — используется в СВЧ-устройствах, светодиодах, лазерных диодах
• Карбид кремния (SiC) — применяется в силовой электронике, работающей при высоких температурах
• Соединения A^IIB^VI — используются в оптоэлектронных приборах (светодиодах, фотодетекторах)

Таким образом, разнообразие свойств полупроводниковых материалов позволяет создавать широкий спектр электронных устройств с различными характеристиками и функциями.

Технологии получения полупроводниковых материалов

Для получения высококачественных полупроводниковых материалов применяются различные технологии:

• Выращивание монокристаллов методом Чохральского
• Зонная плавка
• Эпитаксиальное наращивание
• Ионная имплантация

Какой метод наиболее распространен для получения монокристаллов кремния? Метод Чохральского является основным промышленным способом выращивания монокристаллов кремния для микроэлектроники. Он позволяет получать крупные кристаллы с низкой концентрацией дефектов.

Перспективы развития полупроводниковых материалов

Основные направления развития полупроводниковых материалов включают:

• Создание новых соединений с улучшенными характеристиками
• Разработка наноструктурированных полупроводников
• Исследование органических и гибридных полупроводниковых материалов
• Совершенствование технологий получения сверхчистых материалов

Развитие полупроводниковых материалов играет ключевую роль в прогрессе электроники и создании новых типов устройств с улучшенными характеристиками.

53. Какие вещества называются полупроводниками? Какие мате­риалы называются полупроводниковыми?

К полупроводникам относятся большое количество веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельного сопротивления проводником и диэлектриков.

Полупроводниковые материалы – материалы, основным свойством которых является способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп:

Диамагнетики

Парамагнетики

Ферромагнетики

Антиферромагнетики

Ферримагнетики

Каковы причины возникновения магнитных свойств веществ?

Почему возникает магнитный момент атома?

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитным моментом.

Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.

Магнитные моменты протонов и нейтронов приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электрона. Поэтому магнитные свойства атома определяются целиком электронами, а магнитным моментом ядра можно принебречь.

Какие вещества являются диамагнитными?

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Какие вещества являются парамагнитными?

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.

Каковы особенности ферромагнитных и ферримагнитных ве­ществ?

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10 в 6 степени), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Важнейшая особенность ферромагнетиков – способность намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

К Ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладаются высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Основным свойством ферримагнетиков является спонтанная намагниченность

Ферромагнетики и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы.

Какие вещества применяются в качестве магнитных материа­лов и почему?

В основном в радиоэлетронике применяют ферриты, которые благодаря своим свойствам обладают незначительными потерями энергии в области повышенных и высоких частот.

Задачи.

№ 5.1. Цилиндрический образец диэлектрика диамет­ром

D = 5 мм и длиной l = 15 мм имеет на торцах металлизированные электроды. Определить ток, протекающий через образец в постоянном поле и диэлектри­ческие потери в нем (в постоянном поле и переменном при часто­те при напряжении U = 2 кВ).

Вариант диэлектрика:

1. полиэтилен;

Дано:

D=5 мм

l=15 мм

ω=10⁶ Гц

U=2000 В

ρ_v=10¹⁶ Ом

ρ_S=10¹⁴ Ом

I_из — ?

P₁— ?

P₂— ?

Решение:

где:

h – толщина образца

S – площадь электрода

где:

p – периметр электрода

a – расстояние между электродами

Следовательно:

a = l = 15 мм

h = D = 5 мм = 0. 005 м

Мощность диэлектрических потерь в постоянном поле определяется по формуле

Найдем мощность диэлектрических потерь в переменном поле

Найдем емкость конденсатора:

Отсюда:

№ 13.1. Определить абсолютное приращение удельного сопротивления металла при изменении температуры от 20° до 220°С. Сравнить эти величины для двух металлов.

Вариант задачи: 1) медь, алюминий;

Дано:

t₁=220°C

t₀=20°C

=0.0168 мкОм∙м(из таблицы, при 20°C)

=0.0265 мкОм∙м(аналогично)

_ρCu∙10³=4. 33 K^-1

_ρAl∙10³=4.1 K^-1

Решение:

Найдем удельное сопротивление меди и алюминия при 220°C.

Определим абсолютное приращение удельного сопротивления меди и аллюминия при изменении температуры от 20°C до 220°C:

Сравним эти величины

Литература:

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники. Серия: Учебники для вузов. Специальная литература. – СПб.: Лань, 2001. – 368 с

2. Антипов Б. Л., Сорокин В. С., Терехов В. А. Вопросы, задачи по курсу «Материалы электронной техники». – СПб.: Лань, 2001. – 208 с.

3. http://electricalschool. info

Физика — 9

При соединении полупроводникового кристалла в электрическую цепь постоянного тока свободные валентные электроны совершают упорядоченное “движение” против направления вектора напряженности поля, а положительно заряженные дырки совершают упорядоченное “движение” в направлении вектора напряженности поля — возникает электрический ток (c).

Так возникает собственная проводимость полупроводников.

• Собственная электропроводность чистых полупроводников создается за счет равного количества свободных электронов и дырок.

Творческое применение

Исследованние

2

Задача. Сравните природу электропроводности полупроводников с металлами и завершите данную таблицу.

Природа электропроводности	Металлы	Полупроводники
Внутреннее строение	…	…
Носители электрического заряда	…	…
Зависимость электропроводности от температуры	При увеличении температуры электропроводность уменьшается	…
Электропроводность при температуре абсолютного нуля	…	…
Происходит ли перенос вещества при электропроводности?	. ..	…

Обсудите результат:
• В чем сходство и отличие электропроводности полупроводников и металлов?

• Перепишите в рабочий листок незавершенные предложения и закончите их.
1. К полупроводниковым веществам относятся — …
2. Собственная электропроводность полупроводников — …
3. Электронная проводимость в полупроводниках — …
4. Дырочная проводимость в полупроводниках — …

1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. К какой группе элементов относятся полупроводники из “Периодической системы химических элементов”? Чем отличаются эти элементы от элементов других групп?
3. Что такое ковалентная или парно электронная связь?
4. Упорядоченное движение каких носителей зарядов создает в полупроводниках электрический ток?

Типы Группы Классификация » Электроника Примечания

Существует множество различных типов полупроводниковых материалов, которые часто классифицируются по группам и другим параметрам, но все они имеют немного разные свойства.

---

Полупроводники Включает:
Что такое полупроводник Дырки и электроны Полупроводниковые материалы Составные полупроводники Карбид кремния, SiC Нитрид галлия, GaN

---

Существует множество различных типов полупроводниковых материалов, и каждый тип полупроводникового материала имеет свои собственные свойства.

Поскольку эти разные типы полупроводников имеют немного разные свойства, они подходят для различных применений в различных формах полупроводниковых устройств и электронных компонентов.

Некоторые могут быть применимы для стандартных сигналов, другие для высокочастотных усилителей, в то время как другие типы могут быть применимы для силовых приложений и суровых условий или другие для светоизлучающих приложений — на самом деле существует целый ряд электронных компонентов и устройств, которые заменяют полупроводники. . Во всех этих различных приложениях, как правило, используются различные типы полупроводниковых материалов.

Основные полупроводниковые материалы, такие как кремний и даже германий, использовались в течение многих лет, и, в частности, кремний стал основой полупроводниковой промышленности. Кремний не только прост в обработке, но и обладает многими превосходными свойствами, которые позволяют использовать его во многих полупроводниковых устройствах.

Однако многие материалы, часто составные полупроводники, также используются. Они, как правило, превосходят по производительности в некоторых более нишевых областях.

По мере развития технологии изготовления этих новых типов полупроводников и их все более широкого использования в различных областях увеличивается разнообразие материалов или соединений, используемых в полупроводниках.

Типы / классификация полупроводников

Существуют две основные группы или классификации, которые можно использовать для определения различных типов полупроводников:

• Внутренний материал:   Внутренний тип полупроводникового материала, химически очень чистый. В результате он обладает очень низким уровнем проводимости, имея очень мало носителей заряда, а именно дырок и электронов, которыми он обладает в равных количествах.

• Внешний материал: Внешние типы полупроводников — это те, в которых небольшое количество примесей было добавлено к основному собственному материалу. В этом «легировании» используется элемент из другой группы периодической таблицы, и таким образом он будет иметь больше или меньше электронов в валентной зоне, чем сам полупроводник. Это создает либо избыток, либо недостаток электронов. Таким образом, доступны два типа полупроводников: Электроны являются отрицательно заряженными носителями.

  • N-тип:   Полупроводниковый материал N-типа имеет избыток электронов. Таким образом, в решетках имеются свободные электроны, и их общее движение в одном направлении под влиянием разности потенциалов приводит к протеканию электрического тока. В полупроводнике N-типа носителями заряда являются электроны.

  • P-тип:   В полупроводниковом материале P-типа не хватает электронов, т. е. в кристаллической решетке имеются «дыры». Электроны могут переходить из одного свободного положения в другое, и в этом случае можно считать, что движутся дырки. Это может произойти под влиянием разности потенциалов, и можно увидеть, что отверстия текут в одном направлении, что приводит к протеканию электрического тока.

    На самом деле дыркам двигаться труднее, чем свободным электронам, и поэтому подвижность дырок меньше, чем подвижность свободных электронов. Дырки являются положительно заряженными носителями.

Группы полупроводниковых материалов

Наиболее часто используемые полупроводниковые материалы представляют собой кристаллические неорганические твердые вещества. Эти материалы часто классифицируют в соответствии с их положением или группой в периодической таблице. Эти группы определяются электронами на внешней орбите конкретных элементов.

Хотя большинство используемых полупроводниковых материалов являются неорганическими, все большее число органических материалов исследуется и используется.

Раздел периодической таблицы элементов, включающий полупроводниковые материалы, показан на изображении ниже.

Химическая периодическая таблица, показывающая соответствующие полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы представлены в ряде различных групп химической периодической таблицы. Обнаружено, что свойства различных материалов изменяются от одной группы к другой, а также в результате их различных атомных номеров.

Можно видеть, что кремний, который является наиболее широко используемым материалом для создания электронных компонентов на основе полупроводников, относится к группе IV, как и германий, который был первым материалом, который широко использовался для транзисторов и диодов.

Однако полупроводниковые материалы также могут быть изготовлены из составных полупроводников, таких как арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS, карбид кремния SiC и многие другие.

Список полупроводниковых материалов

Существует множество различных типов полупроводниковых материалов, которые можно использовать в электронных устройствах. Каждый из них имеет свои преимущества, недостатки и области, в которых он может быть использован для обеспечения оптимальной производительности.

Краткое изложение общих материалов, используемых в полупроводниках
Материал	Химический символ / формула	Группа	Детали
Германий	Гэ	IV	Этот тип полупроводникового материала использовался во многих ранних устройствах, от диодов для обнаружения радаров до первых транзисторов. Диоды демонстрируют более высокую обратную проводимость, а температурный коэффициент означает, что ранние транзисторы могли страдать от теплового разгона. Предлагает лучшую подвижность носителей заряда, чем кремний, и поэтому используется для некоторых радиочастотных устройств. В наши дни они не так широко используются, поскольку доступны лучшие полупроводниковые материалы.
Кремний	С	IV	Кремний является наиболее широко используемым типом полупроводникового материала. Его основным преимуществом является то, что он прост в изготовлении и обеспечивает хорошие общие электрические и механические свойства. Еще одним преимуществом является то, что при использовании в интегральных схемах он образует высококачественный оксид кремния, который используется для изоляционных слоев между различными активными элементами ИС.
Арсенид галлия	GaAs	III-V	Арсенид галлия является вторым наиболее широко используемым типом полупроводника после кремния. Он широко используется в высокопроизводительных радиочастотных устройствах, где используется его высокая подвижность электронов. Он также используется в качестве подложки для других полупроводников III-V, например. InGaAs и GaInNA. Однако это хрупкий материал с меньшей подвижностью дырок, чем у кремния, что делает невозможными такие приложения, как КМОП-транзисторы P-типа. Его также относительно сложно изготовить, что увеличивает стоимость GaAs-устройств.
Карбид кремния	карбид кремния	IV	Карбид кремния находит применение в ряде приложений. Он часто используется в силовых устройствах, где его потери значительно ниже, а рабочие температуры могут быть выше, чем у устройств на основе кремния. Карбид кремния обладает пробойной способностью, которая примерно в десять раз выше, чем у самого кремния. Формы карбида кремния были типами полупроводникового материала, которые использовались с некоторыми ранними формами желтых и синих светодиодов. Читать далее . . .
Нитрид галлия	GaN	III-V	Этот тип полупроводникового материала начинает все более широко применяться в микроволновых транзисторах, где необходимы высокие температуры и мощности. Он также используется в некоторых микроволновых ИС. GaN трудно легировать для получения областей p-типа, он также чувствителен к электростатическому разряду, но относительно нечувствителен к ионизирующему излучению. Используется в некоторых синих светодиодах. Читать далее . . .
Фосфид галлия	ГаП	III-V	Этот полупроводниковый материал нашел широкое применение в светодиодной технологии. Он использовался во многих ранних светодиодах низкой и средней яркости, производящих различные цвета в зависимости от добавления других легирующих примесей. Чистый фосфид галлия излучает зеленый свет, легированный азотом — желто-зеленый, легированный ZnO — красный.
Сульфид кадмия	СдС	II-VI	Используется в фоторезисторах, а также в солнечных батареях.
Сульфид свинца	ПбС	IV-VI	Используемый в качестве минерального галенита, этот полупроводниковый материал использовался в самых первых радиодетекторах, известных как «Кошачьи усы», где точечный контакт оловянной проволоки с галенитом обеспечивал выпрямление сигналов.

Простота обработки и стоимость

При выборе материала для использования в полупроводниковом устройстве или электронном компоненте необходимо учитывать ряд соображений. Одним из них является легкость обработки материала.

Кремний

имеет то преимущество, что он не только широко доступен, но и прост в обработке. Кристаллы кремния легко вырастить в форме, в которой их можно разрезать или нарезать на пластины, а затем перерабатывать в любые необходимые электронные компоненты.

В результате этого процессы для кремния относительно дешевы (по сравнению с обработкой других материалов), и кремний также применим во многих устройствах — это идеальный полупроводник для многих устройств. Все это означает, что процессы были отточены до мелочей и для них доступно достаточно мощностей.

Другие материалы могут быть не такими простыми в обращении, даже если они хорошо работают в одной области и идеально подходят для многих областей проектирования электронных схем и т. д.

Одним из таких материалов является арсенид галлия. Это, очевидно, связано с проблемами обращения с сырьем, поскольку мышьяк очень токсичен. Однако материал арсенида галлия также не прост в обращении.

Общий результат заключается в том, что затраты на обработку будут намного выше для устройств на основе арсенида галлия, таких как GaAs FET и т.п. Однако преимущества в производительности могут означать, что дополнительные затраты оправданы.

Это означает, что будет достигнут баланс между производительностью и стоимостью. В некоторых случаях может не быть другого способа получить требуемую производительность, и поэтому потребуются дополнительные затраты, но в других случаях может потребоваться баланс между стоимостью и производительностью при рассмотрении устройств для проектирования электронных схем.

Существует множество различных материалов, которые можно использовать в полупроводниковых устройствах. Ассортимент электронных компонентов, в которых используются полупроводники, в наши дни огромен, и хотя кремний, безусловно, является наиболее широко используемым, многие другие полупроводниковые материалы все еще используются. Они используются, потому что их характеристики превосходны в той или иной области, что позволяет улучшить характеристики различных электронных компонентов в той или иной области по сравнению с кремнием.

Дополнительные основные понятия и руководства по электронике:
Напряжение Текущий Власть Сопротивление Емкость Индуктивность Трансформеры Децибел, дБ Законы Кирхгофа Q, добротность РЧ-шум Сигналы
    Вернуться в меню основных понятий электроники . . .

Полупроводниковые материалы: типы, свойства и производственный процесс

Полупроводниковый материал представляет собой разновидность электронных материалов с полупроводниковыми свойствами и может использоваться для изготовления полупроводниковых устройств и интегральных схем. Различные внешние факторы, такие как свет, тепло, магнетизм и электричество, будут воздействовать на полупроводники и вызывать некоторые физические эффекты и явления, которые можно назвать свойствами полупроводников. Большинство основных материалов, из которых состоят твердотельные электронные устройства, представляют собой полупроводники. Различные типы полупроводниковых устройств имеют разные функции и характеристики из-за различных свойств полупроводников.

Каталог

I Введение

Вещества и материалы в природе можно разделить на три категории: проводники, полупроводники и изоляторы в зависимости от их проводящей способности. Удельное сопротивление полупроводника составляет от 1 мОм·см до 1 ГОм·см. В общем, проводимость полупроводника увеличивается с температурой, что противоположно металлическому проводнику.

Все материалы с двумя вышеуказанными характеристиками можно рассматривать как полупроводниковые материалы. Различные внешние факторы, такие как свет, тепло, магнетизм и электричество, будут воздействовать на полупроводники и вызывать некоторые физические эффекты и явления, которые можно назвать свойствами полупроводников. Большинство основных материалов, из которых состоят твердотельные электронные устройства, представляют собой полупроводники. Различные типы полупроводниковых устройств имеют разные функции и характеристики из-за различных свойств полупроводников.

Основной химической характеристикой полупроводников являются насыщенные ковалентные связи между атомами. Ковалентная связь имеет тетраэдрическую структуру решетки, поэтому типичные полупроводниковые материалы имеют структуру алмаза или сфалерита (ZnS). Поскольку большинство минералов на Земле представляют собой соединения, самыми ранними доступными полупроводниковыми материалами были соединения. Например, галенит (PbS) очень рано использовался для радиодетектирования, закись меди (Cu2O) применялась в качестве твердого выпрямителя, сфалерит (ZnS)) — хорошо известный твердотельный люминесцентный материал, а карбид кремния (SiC) — широко известный твердотельный люминесцентный материал. применяется для исправления и обнаружения.

Рисунок 1. Тетраэдрические структуры ковалентной связи

Селен (Se) является первым обнаруженным и использованным элементарным полупроводником и был важным материалом для твердотельных выпрямителей и фотогальванических элементов. Электронные устройства начали превращать в транзисторы после открытия элементарного полупроводника германия (Ge). Использование элементарного полупроводникового кремния (Si) не только увеличило количество типов и улучшило характеристики транзисторов, но и привело к созданию крупно- и сверхкрупномасштабных интегральных схем в мире. Кроме того, открытие соединений AIIIBV, представленных арсенидом галлия (GaAs), способствовало быстрому развитию СВЧ и оптоэлектронных устройств.

II Основные типы полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы можно разделить в соответствии с химическим составом , а аморфные и жидкие полупроводники со специальной структурой и свойствами отдельно классифицируются в категорию. На основе этого метода классификации полупроводниковые материалы можно разделить на элементы, неорганические, органические и аморфные, а также жидкие полупроводниковые материалы.

1. Элементарные полупроводниковые материалы

Одиннадцать типов полупроводниковых элементов распределены в группах от IIIA до IVA периодической таблицы. C, P, Se имеют две формы изолятора и полупроводника; B, Si, Ge, Te обладают полупроводимостью; Sn, As, Sb имеют две формы полупроводника и металла. Температура плавления и температура кипения Р слишком низки, а давление паров I слишком велико, что облегчает его разложение, поэтому практической ценности они не имеют. Устойчивые состояния As, Sb и Sn — это металлы, а полупроводники — неустойчивые состояния. B, C и Te не использовались из-за сложности подготовки и ограничения производительности. Поэтому среди этих 11-элементных полупроводников использовались только Ge, Si и Se. А Ge и Si являются наиболее широко используемыми материалами во всех полупроводниковых материалах.

2. Неорганические составные полупроводниковые материалы

Этот вид полупроводникового материала можно разделить на бинарную систему , тройную систему ,

четверную систему 9021.

●

Бинарные полупроводниковые материалы

①  Группы IV-IV: сплавы SiC и Ge-Si имеют структуру сфалерита.

②  Группа III-V: состоит из элементов группы III Al, Ga, In и элементов группы V P, As и Sb. Типичным представителем является GaAs. Все эти элементы имеют структуру сфалерита и уступают только Ge и Si в приложениях, которые имеют большие перспективы развития.

Рисунок 2 . Ширина запрещенной зоны бинарных полупроводниковых материалов группы V и группы III-V в зависимости от параметра кубической решетки элементы S, Se, Te, которые являются важными оптоэлектронными материалами. ZnS, CdTe и HgTe имеют структуру сфалерита.

④  Группа I-VII: Соединения, образованные элементами I группы Cu, Ag, Au и элементами VII группы Cl, Br, I, среди которых CuBr и CuI имеют структуру сфалерита.

⑤ Группы V-VI: Соединения, образованные элементами группы V As, Sb, Bi и элементами VI S, Se, Te, такие как Bi2Te3, Bi2Se3, Bi2S3, As2Te3 и т. д., которые являются важными термоэлектрическими материалами.

⑥ Оксиды группы B и элементов переходной группы Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni в четвертом цикле являются основными материалами для термисторов.

⑦ Соединения некоторых редкоземельных элементов Sc, Y, Sm, Eu, Yb, Tm и элементов V N, As или элементов группы VI S, Se, Te.

В дополнение к этим соединениям бинарной системы существуют полупроводниковые материалы в твердом растворе , такие как Si-AlP, Ge-GaAs, InAs-InSb, AlSb-GaSb, InAs-InP, GaAs-GaP и т. п. Изучение этих твердых растворов может сыграть значительную роль в улучшении определенных свойств одного материала или открытии новых приложений.

Рисунок 3 . Бинарная фазовая диаграмма, отображающая твердые растворы во всем диапазоне относительных концентраций

●

Трехкомпонентные полупроводниковые материалы

Группа ① : состоит из атомов группы II и группы IV для замены двух атомов группы III в группах III-V, таких как ZnSiP2, ZnGeP2, ZnGeAs2, CdGeAs2 , CdSnSe2 и т.п.

Группа ② : Один атом группы I и один атом группы III заменяют два атома группы II в группах II-VI, таких как CuGaSe2, AgInTe2, AgTlTe2, CuInSe2, CuAlS2 и т. д.

Группа ③ : Он состоит из одного атома группы I и одного атома группы V вместо двух атомов группы III, таких как Cu3AsSe4, Ag3AsTe4, Cu3SbS4, Ag3SbSe4 и т. д.

Кроме того, существуют материалы четвертичного соединения, такие как Cu2FeSnS4, и неорганические соединения с более сложной структурой.

3. Органические полупроводниковые материалы

Нафталин, антрацен, полиакрилонитрил, фталоцианин и некоторые ароматические соединения являются хорошо известными органическими полупроводниками, но они еще не использовались в качестве полупроводниковых материалов.

4. Аморфные и жидкие полупроводниковые материалы

Аморфный и жидкий полупроводниковый материал не имеет кристаллической структуры со строго периодическим расположением, которое сильно отличается от кристаллического полупроводника тем, что

Рисунок 4 . Структурный M ODELS S ILICONS

III SEMICONDUCTOR MATARTIOR которые называются характеристическими параметрами полупроводниковых материалов. Эти параметры могут отражать различия между полупроводниковыми материалами и другими неполупроводниковыми материалами, но, что более важно, отражать количественные различия в характеристиках различных полупроводниковых материалов и даже одного и того же материала в разных ситуациях.

Характеристическими параметрами обычно используемых полупроводниковых материалов являются:

●

Ширина запрещенной зоны

Она определяется электронным состоянием и атомной конфигурацией полупроводника, отражая энергию, которая заставляет валентные электроны в атомах возбуждаться от связанного состояния в свободное состояние.

●

Удельное сопротивление и подвижность носителей

Они отражают проводимость материала. Переносчиками являются электроны и дырки, участвующие в проводимости полупроводников.

●

  N время жизни носителей при равновесии

Обозначает релаксационное свойство внутренних носителей переходить из неравновесного состояния в равновесное состояние под внешним воздействием (например, светом или электрическим полем).

●

 Плотность дислокаций

Дислокации являются наиболее распространенными типами кристаллических дефектов. Плотность дислокаций можно использовать для измерения степени целостности решетки полупроводниковых монокристаллических материалов. Конечно, для аморфных полупроводников такого характерного параметра нет.

Рисунок 5. Кристалл D EFECTS

2. Требования к производительности

●

. иметь большой   неравновесный срок службы и подвижность носителей . Транзисторы из материалов с высокой подвижностью носителей могут работать на более высоких частотах с лучшей частотной характеристикой. Дефекты кристалла могут повлиять на свойства транзистора или даже привести к его выходу из строя. Предельная рабочая температура транзистора определяется размером запрещенной зоны. Чем больше запрещенная ширина полосы, тем выше температурный предел нормальной работы транзистора.

●

Требования к характеристикам оптоэлектронных устройств

Диапазон частот излучения, применимый к детекторам излучения, в которых используется фотопроводимость (повышенная проводимость после освещения) полупроводников, связан с шириной запрещенной зоны материала. Чем больше время жизни неравновесных носителей в материале, тем выше чувствительность детектора и больше время релаксации детектора. Поэтому трудно сбалансировать высокую чувствительность и короткое время релаксации.

Для солнечных элементов , чтобы получить высокую эффективность преобразования, требуется материал с большим временем жизни неравновесных носителей и умеренной шириной запрещенной зоны (от 1,1 до 1,6 электрон-вольт). Дефекты кристаллов могут значительно снизить световую эффективность полупроводниковых светоизлучающих диодов и полупроводниковых лазерных диодов.

Рисунок 6. B andgap& E эффективность из S OLAR C ELLS

●

Требования к термоэлектрическим устройствам. устройства. Когда температура при низкой температуре (обычно температура окружающей среды) фиксирована, разность температур определяется высокой температурой, которая является рабочей температурой термоэлектрического устройства. Кроме того, для адаптации к высокой рабочей температуре запрещенная полоса пропускания материала не должна быть слишком маленькой, а также требуются большая электродвижущая сила, малое удельное сопротивление и малая теплопроводность.

IV Материаловедение полупроводников

Размер характеристических параметров полупроводникового материала имеет большую связь с атомами примесей и кристаллическими дефектами в материале. Например, удельное сопротивление может широко варьироваться в зависимости от типа и количества примесных атомов, в то время как подвижность носителей и неравновесная жизнь носителей обычно уменьшаются с увеличением количества примесных атомов и дефектов кристалла.

С другой стороны, различные полупроводниковые свойства полупроводниковых материалов неотделимы от роли различных примесных атомов. Как правило, мы должны максимально уменьшить и устранить дефекты кристалла, но в некоторых случаях также желательно контролировать их до определенного уровня, и даже когда дефекты уже существуют, их можно использовать после соответствующей обработки.

Чтобы ограничить и использовать атомы примесей и кристаллические дефекты, необходимо разработать набор методов получения удовлетворительных полупроводниковых материалов, который представляет собой так называемую технологию полупроводниковых материалов. Эти процессы можно грубо охарактеризовать как очистку, приготовление монокристалла и эпитаксиальный рост тонких пленок. В основном мы обсудим процесс очистки и экситаксиального роста тонких пленок.

1. Очистка

Очистка полупроводниковых материалов в основном заключается в удалении примесей из материалов. Методы очистки можно разделить на химические и физические.

Химическая очистка заключается в превращении материалов в промежуточные соединения для систематического удаления определенных примесей и, наконец, удаления материалов (элементов) из соединений, которые легко разлагаются.

Рис. 7. Традиционный химический способ очистки кремния.

Физическая очистка обычно используется в технологии плавки. Полупроводниковый материал отливается в слиток, и с одного конца слитка формируется область плавления определенной длины. Из-за сегрегации примесей в процессе затвердевания, после многократного перемещения зоны плавления от одного конца к другому, примеси концентрируются на обоих концах слитка. Когда два конца удалены, остальная часть представляет собой материал более высокой чистоты. Кроме того, существуют физические методы, такие как вакуумное выпаривание и вакуумная дистилляция. Германий и кремний являются наиболее чистыми полупроводниковыми материалами, которые могут быть получены, а доля основных примесных атомов может быть меньше одного из десяти миллиардов.

2. 

Эпитаксиальный рост тонких пленок

Большинство полупроводниковых устройств изготавливаются на одной пластине или эпитаксиальной пластине с одной пластиной в качестве подложки. Полупроводниковые монокристаллы получают методом выращивания из расплава. Метод Чохральского является наиболее широко используемым. Этим методом производится 80% монокристаллов кремния, большая часть монокристаллов германия и монокристаллов антимонида индия, среди которых максимальный диаметр монокристаллов кремния достигает 300 мм. Метод Чохральского с магнитным полем в расплаве называется магнетронным методом Чохральского, с помощью которого можно получить монокристалл кремния с высокой однородностью. Добавление жидкого покрывающего агента на поверхность расплава тигля называется методом Чохральского с запечатанной жидкостью, который применяется для монокристаллов с высоким давлением диссоциации, таких как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия.

Рис. 8. Процесс Чохральского Процесс Чохральского

Расплав в методе плавки в плавающей зоне не контактирует с контейнером, что позволяет получать высокочистый монокристалл кремния. Горизонтальная зонная плавка используется для получения монокристаллов германия. Метод горизонтально-ориентированной кристаллизации в основном используется для получения монокристалла арсенида галлия, а метод вертикально-ориентированной кристаллизации используется для теллурида кадмия и арсенида галлия.

Рис. 9. Схема системы зонной плавки

После изготовления монокристаллы направляются на ориентацию кристаллов, бочкообразную шлифовку, контрольную поверхность, резку, шлифовку, снятие фасок, полировку, травление , очистка, проверка, упаковка и т. д. должны быть превращены в соответствующие пластины.

Рост монокристаллической тонкой пленки на монокристаллической подложке называется  эпитаксией . Эпитаксиальные методы включают газофазную, жидкофазную, твердофазную и молекулярно-лучевую эпитаксию. В промышленном производстве в основном используется химическая эпитаксия из газовой фазы, за которой следует эпитаксия из жидкой фазы. Парофазная эпитаксия и молекулярно-лучевая эпитаксия металлоорганических соединений используются для изготовления микроструктур, таких как квантовые ямы и сверхрешетки. Аморфные, микрокристаллические и поликристаллические тонкие пленки в основном изготавливают на стеклянных, керамических, металлических и других подложках различными методами химического осаждения из газовой фазы, магнетронного напыления и другими методами.

V Особенности отрасли полупроводниковых материалов

Промышленность полупроводниковых материалов имеет четыре характеристики:

1. Крупный промышленный масштаб

Согласно статистике SEMI (Ассоциация полупроводникового оборудования и материалов), глобальный рынок промышленности полупроводниковых материалов размер в 2016 году достиг 44,3 миллиарда долларов, что составляет почти 15% от размера мировой полупроводниковой промышленности в 2016 году, что составляет примерно 300 миллиардов долларов.

2. Подразделенные торговые структуры

Полупроводниковые материалы занимают наиболее подразделенные области в цепочке полупроводниковой промышленности. Среди них материалы для пластин включают кремниевые пластины, фоторезисты, вспомогательные реагенты для фоторезистов, влажные электронные химикаты, электронные газы, материалы для полировки CMP и материалы для мишеней. К упаковочным материалам для чипов относятся подложки корпусов, выводные рамки, смолы, соединительные провода, шарики припоя и растворы для покрытия. В то же время мокрые электронные химикаты также включают в себя различные реагенты, такие как кислоты и щелочи, производящие сотни различных отраслей промышленности.

Рисунок 10. Диски из кремниевых пластин

3. Высокий технический порог

Как правило, технический порог для полупроводниковых материалов выше, чем для других материалов в области электроники и производства. Он имеет высокие требования к чистоте и сложные процессы. А в процессе НИОКР пакетное тестирование требуется для последующих производственных линий. Кроме того, для различных процессов производства чипов производители последующих цепочек предъявляют разные требования к материалам, что приводит к различным параметрам материалов.

4. Низкая себестоимость производства

Несмотря на то, что общий масштаб производства полупроводниковых материалов огромен, из-за многочисленных подотраслей субматериалов отдельные субматериалы часто составляют относительно небольшую долю в стоимости полупроводников.