Особенности полупроводников. Полупроводники: типы, свойства и особенности применения

Что такое полупроводники. Какие бывают типы полупроводниковых материалов. Каковы основные свойства и характеристики полупроводников. Как используются полупроводники в современной электронике и технике.

Что такое полупроводники и их основные свойства

Полупроводники — это материалы, обладающие электрическими свойствами, промежуточными между проводниками и диэлектриками. Их главные особенности:

• Удельное сопротивление в диапазоне от 10^-3 до 10⁹ Ом·см
• Проводимость увеличивается с ростом температуры (в отличие от металлов)
• Очень чувствительны к наличию примесей, облучению светом и другим внешним воздействиям
• Обладают выраженной анизотропией свойств

Какие основные механизмы определяют электрические свойства полупроводников? В полупроводниках существует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости. При низких температурах электроны не могут ее преодолеть, и материал ведет себя как изолятор. Но при нагреве или других воздействиях электроны получают энергию для перехода в зону проводимости, что обеспечивает появление тока.

Типы полупроводниковых материалов

Полупроводники можно разделить на несколько основных категорий:

1. Элементарные полупроводники

Это чистые химические элементы, обладающие полупроводниковыми свойствами. Наиболее важные:

• Кремний (Si) — основа современной электроники
• Германий (Ge) — использовался до широкого внедрения кремния
• Селен (Se) — применяется в фотоэлементах

2. Неорганические составные полупроводники

Соединения двух или более элементов:

• Бинарные (GaAs, InP, GaN)
• Тройные (AlGaAs, InGaAs)
• Четверные (AlInGaP)

Особенно важны соединения групп III-V и II-VI периодической таблицы.

3. Органические полупроводники

Полимеры и органические молекулы с полупроводниковыми свойствами. Используются в гибкой электронике, органических светодиодах и солнечных элементах.

Зонная структура полупроводников

Зонная теория твердого тела позволяет объяснить электрические свойства полупроводников. Каковы ключевые особенности зонной структуры полупроводников?

• Наличие запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости
• Ширина запрещенной зоны от 0.1 до 3 эВ
• При 0К валентная зона полностью заполнена, зона проводимости пуста
• При повышении температуры электроны могут переходить в зону проводимости

Как ширина запрещенной зоны влияет на свойства полупроводника? Чем она меньше, тем легче электроны переходят в зону проводимости и тем выше электропроводность материала. Например, у кремния ширина запрещенной зоны 1.12 эВ, а у германия — 0.67 эВ, поэтому германий имеет более высокую проводимость.

Примесные полупроводники

Введение примесей позволяет целенаправленно изменять свойства полупроводников. Различают два основных типа примесных полупроводников:

n-тип

Образуется при добавлении донорных примесей (элементы V группы для Si и Ge). Основные носители заряда — электроны.

p-тип

Формируется при введении акцепторных примесей (элементы III группы). Основные носители — дырки.

Каково влияние примесей на электрические свойства? Даже небольшое количество примесей (10^-6%) может увеличить проводимость полупроводника на несколько порядков. Это позволяет создавать материалы с заданными характеристиками для различных применений.

Применение полупроводников

Полупроводниковые материалы нашли широчайшее применение в современной электронике и технике. Где используются полупроводники?

• Транзисторы и интегральные микросхемы
• Солнечные элементы
• Светодиоды и лазерные диоды
• Термисторы и варисторы
• Датчики различных типов
• Преобразователи энергии

Развитие полупроводниковых технологий привело к революции в электронике и вычислительной технике, сделав возможным создание компактных и энергоэффективных устройств.

Методы получения полупроводниковых материалов

Производство высококачественных полупроводников — сложный технологический процесс. Какие основные методы используются?

• Выращивание монокристаллов (метод Чохральского, зонная плавка)
• Эпитаксиальное наращивание тонких пленок
• Ионная имплантация примесей
• Диффузия примесей
• Литография для создания структур на поверхности

Особое внимание уделяется чистоте материалов и контролю дефектов структуры, так как они критически влияют на свойства полупроводников.

Перспективы развития полупроводниковых технологий

Полупроводниковая отрасль продолжает активно развиваться. Какие направления считаются наиболее перспективными?

• Уменьшение размеров транзисторов (уже достигнут 5-нм техпроцесс)
• Трехмерные интегральные схемы
• Широкозонные полупроводники (GaN, SiC) для силовой электроники
• Органические и перовскитные полупроводники
• Квантовые точки и нанопроволоки

Развитие этих направлений открывает возможности для создания более быстрых, энергоэффективных и функциональных электронных устройств.

Некоторые особенности полупроводников | Веб-Знайка

Некоторые особенности полупроводников | Веб-Знайка

• Web-Знайка
• Интересные факты
• О научном простыми словами

В отличие от металлических проводников полупроводники характеризуются более низкой проводимостью. Кроме того, у полупроводников с понижением температуры проводимость падает, тогда, как у металлов она возрастает.

В металле при любой температуре имеется очень большое и практически постоянное число электронов проводимости, и последняя в основном определяется соударениями этих электронов с фононами: повышенная проводимость при низких температурах объясняется уменьшением числа соударений. В полупроводнике число электронов (или дырок), которые переносят заряд, невелико и изменяется в широких пределах в зависимости от температуры. Любое изменение проводимости полупроводника в гораздо большей степени обусловлено изменением числа носителей заряда, чем механизма их соударений и поведения.

Существует два типа полупроводников: собственные и примесные, причем примесные полупроводники в свою очередь подразделяются на полупроводники разных типов.

 

В собственном полупроводнике существует зона разрешенных энергетических уровней, которые заполнены полностью, выше ее расположена зона запрещенных уровней энергии, еще выше — другая зона — разрешенных, но незанятых энергетических уровней. Такой же вид имеют диаграммы энергетических уровней диэлектрика. У собственных полупроводников — и это является их главным отличительным признаком — зона запрещенных энергетических уровней имеющихся подвижных носителей заряда уменьшается на два. В состоянии равновесия скорость образования и исчезновения злектронно-дырочных пар определяется температурой материала. Число дырок и электронов в материале, а, следовательно, и его проводимость экспоненциально возрастают с температурой.

 

В полупроводнике д-типа подвижными носителями заряда являются электроны, которые в результате возбуждения переходят с примесного уровня в вакантную зону. Примесный уровень создается введением малого количества (миллионные доли) соответствующего примесного вещества (например, мышьяка) в кристаллический материал (например, кремний), который в обычных условиях является диэлектриком. Каждый из примесных электронов связан в атоме примеси, следовательно, положение его в кристаллической решетке строго фиксировано и он не может служить подвижным носителем заряда.

 

Однако примесный уровень находится очень близко к вакантной зоне и даже при температуре гораздо ниже комнатной тепловая энергия материала достаточна для возбуждения и перехода в вакантную зону почти всех примесных электронов. После перехода в вакантную зону электроны могут свободно перемещаться в материале, который, таким образом, как бы заполняется «облаком» примесных электронов, движущихся в случайных направлениях со случайными скоростями. Количеством таких электронов и определяется проводимость материала. Поскольку каждый из атомов примеси отдает возбужденный электрон, превращающийся в подвижный носитель заряда, проводимость зависит от числа примесных атомов, то есть от относительной концентрации примеси.

 

Аналогичным образом проводимость материала p-типа связана с количеством свободных дырок — подвижных носителей положительного заряда. Тепловая энергия, необходимая для перехода дырки в заполненную зону, невелика. Поэтому уже при температуре значительно ниже комнатной все дырки переходят в заполненную зону. В полупроводниках p-типа проводимость также определяется концентрацией примеси. В действительности механизм образования примесной проводимости выглядит значительно сложней, поскольку материал, к которому добавляется примесь, часто сам является собственным полупроводником. Так, полупроводник д-типа, изготовленный путем добавления мышьяка к германию, кроме примесных электронов, даже при комнатной температуре содержит собственные дырки и электроны, так как его запрещенная зона довольно узка.

 

Если такой материал используется в каком-либо приборе (например, транзисторе), действие которого основано на примесной проводимости, то наличие собственной проводимости является существенным недостатком.

В частности, при нагревании такого прибора в процессе работы его собственный ток может свести на нет весь полезный эффект — прибор перестанет выполнять свои функции. В случае германиевого транзистора это обычно происходит при 340 К, кремниевые же транзисторы могут работать при более высоких температурах, поскольку запрещенная зона в кремнии шире и собственный ток в нем значительно меньше.

• Некоторые определения квантовой механики
• Некоторые сведения о ядерных реакциях

Новые публикации

Если молния ударит в океан — пострадает ли рыба?

Мотивация — как ей управлять?

9 полезных свойств имбирного чая

Польза или вред здоровью от замороженных фруктов и овощей

Заморозка фруктов, овощей и зелени на зиму

Иван Сергеевич Тургенев — русский писатель-реалист, поэт и драматург.

Иван IV Васильевич — Грозный

Русский царь Иван III (3) Великий

Это интересно!

Почему люди пьют?

История создания лекарства от туберкулеза

Генетикам удалось научить кишечную палочку производить «нефть» из сахаров

Как в древние времена делали аборт?

Самое читаемое

Как жили женщины в Древней Греции

По какой причине зрачки у коз прямоугольной формы

О чем рассказывает эпическая поэма «Махабхарата»

Самые жестокие люди мира

Кто открыл ядро клетки?

Какие животные обитают в Африканских джунглях?

Морская растительность: ответы на интересные вопросы.

Кто такие Эмпаты?

Физика и техника полупроводников

Физика и техника полупроводников

• Журналы
• Поиск
• Войти

Физика и техника полупроводников

• Описание журнала
• Редакционная коллегия
• Статистика
• Переводная версия

Авторам

• Правила оформления публикаций

Вышедшие номера

• 2023
  • 1 2
• 2022
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2021
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2020
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2019
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2018
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
• 2017
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2016
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2015
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2014
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2013
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2012
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2011
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2010
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2009
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2008
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2007
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2006
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2005
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2004
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2003
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2002
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2001
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 2000
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1999
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1998
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1997
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1996
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1995
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1994
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1993
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1992
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1991
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1990
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1989
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 1988
  • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Home » Физика и техника полупроводников » Год 2006, выпуск 1

>>>

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, выпуск 1

Обзоры

Мынбаев К. Д., Иванов-Омский В.И.

Легирование эпитаксиальных слоев и гетероструктур на основе HgCdTe О б з о р

Электронные и оптические свойства полупроводников

Клюев В.Г., Герасименко Ю.В., Коробкина Н.И.

Релаксация фотовозбужденного хлорида серебра

Кривошеев А.Е., Иваненко Л.И., Филонов А.Б., Шапошников В.Л., Бер Г., Шуманн И., Борисенко В.Е.

Термоэлектрическая эффективность монокристаллов полупроводникового силицида рутения

Шеваренков Д.Н., Щуров А.Ф.

Диэлектрические свойства поликристаллического ZnS

Хужакулов Э.С.

Мёссбауэровское исследование донорных центров европия в PbS

Водопьянов Л.К., Кучеренко И.В., Марчелли А., Бураттини Е., Пиччинини М., Честелли Гауди М., Трибуле Р.

Влияние инверсии зон на фононные спектры твердых растворов Hg_1-xZn_xTe

Полупроводниковые структуры, границы раздела и поверхность

Орлов Л.К., Смыслова Т.Н.

Сопоставительный анализ моделей кинетики распада молекул силана на поверхности при эпитаксиальном росте пленок кремния в вакууме

Власенко А. И., Власенко З.К.

Особенности спектров фотопроводимости эпитаксиальных варизонных гетеросистем CdTe / CdHgTe

Рембеза С.И., Рембеза Е.С., Свистова Т.В., Борсякова О.И.

Физические свойства пленок SnO₂, обработанных некогерентным импульсным излучением

Захаров М.В., Кагадей В.А., Львова Т.Н., Нефедцев Е.В., Оскомов К.В., Проскуровский Д.И., Романенко С.В., Фаттахов Я.В., Хайбуллин И.Б.

Влияние обработки кремния в атомарном водороде на образование локальных областей плавления при импульсном световом облучении

Байрамов Б.Х., Боднарь И.В., Емцев В.В., Полоскин Д.С., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В., Якушев М.В.

Исследование влияния gamma-облучения на фоточувствительность гетеропереходов ZnO / CuIn₃Se₅

Низкоразмерные системы

Агекян В.Ф., Васильев Н.Н., Серов А.Ю., Степанов Ю.А., Тазаев У.В., Философов Н.Г., Karczewski G.

Излучательная рекомбинация в структурах с квантовыми ямами Zn_1-xMn_xTe/Zn_{0. 59}Mg_0.41Te — экситонная и внутрицентровая люминесценция

Качурин Г.А., Черкова С.Г., Володин В.А., Марин Д.М., Тетельбаум Д.И., Becker H.

Влияние имплантации ионов бора и последующих отжигов на свойства нанокристаллов Si

Тарасов Г.Г., Жученко З.Я., Лисица М.П., Mazur Yu.I., Wang Zh.M., Salamo G.J., Warming T., Bimberg D., Kissel H.

Оптическое детектирование асимметричных квантовых молекул в двухслойных структурах InAs / GaAs

Савельев А.В., Максимов М.В., Устинов В.М., Сейсян Р.П.

Фототок квантовых точек InAs, полученных самоорганизацией, в полупроводниковых лазерных гетероструктурах InAs/InGaAs/GaAs, излучающих на 1.3 мкм

Грешнов А.А., Колесникова Э.Н., Зегря Г.Г.

Точность квантования холловской проводимости в образце конечных размеров: степенной закон

Купчак И.М., Корбутяк Д.В., Крюченко Ю.В., Саченко А.В., Соколовский И.О., Сресели О.М.

Характеристики экситонов и экситонная фотолюминесценция структур с кремниевыми квантовыми точками

Аморфные, стеклообразные и пористые полупроводники

Васильев Р. Б., Дорофеев С.Г., Румянцева М.Н., Рябова Л.И., Гаськов А.М.

Импеданс-спектроскопия ультрадисперсной керамики SnO₂ с варьируемым размером кристаллитов

Звягин И.П., Курова И.А., Нальгиева М.А., Ормонт Н.Н.

Прыжковая varepsilon₂-проводимость легированных бором пленок a-Si : H, подвергнутых высокотемпературному отжигу в водороде

Физика полупроводниковых приборов

Хрипунов Г.С.

Влияние тыльного контакта на электрические свойства пленочных солнечных элементов на основе CdS/CdTe

Бочкарева Н.И., Ефремов А.А., Ребане Ю.Т., Горбунов Р.И., Клочков А.В., Шретер Ю.Г.

Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов

Учредители

• Российская академия наук

• Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук

Издатель

• Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук

© 2023 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com — High quality HTML Theme

1. Свойства полупроводников : Hitachi High-Tech Corporation

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают особыми электрическими свойствами. Вещество, которое проводит электричество, называется проводником, а вещество, которое не проводит электричество, называется изолятором. Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением. Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Такие изоляторы, как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и через них плохо проходит электричество. Полупроводники имеют свойства где-то между этими двумя. Например, их удельное сопротивление может меняться в зависимости от температуры. При низкой температуре через них практически не проходит электричество. Но при повышении температуры через них легко проходит электричество.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество. Но когда к полупроводникам добавляют какие-то элементы, через них легко проходит электричество.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах и т. д.

Группа энергии

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается, образуя кристалл, и взаимодействует в твердом материале, тогда энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы. Это энергетический диапазон.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой. Их полосовые структуры показаны на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона расположены очень близко друг к другу и могут даже перекрываться с энергией Ферми （Eｆ） где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно двигаться и, следовательно, всегда могут переносить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону. Как только это будет сделано, он может проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через щель и совершать переходы в зоне проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника. При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и, следовательно, движение заряда невозможно. При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Вот почему этот тип материала называется полупроводником, что означает полупроводник.

Ширина запрещенной зоны для изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах протекает с трудом. Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в размере энергии запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электропроводность изолятора очень плохая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. д., представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств. В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют к кремнию высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть энергетическая щель мала. Затем электроны на этом энергетическом уровне легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. д. добавляют в полупроводник р-типа. Это называется акцептор. Энергетический уровень акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, что способствует проводимости.

Страница 1 из 6

• Следующая Страница
• Последняя страница

1. Свойства полупроводников
2. Полупроводники в повседневной жизни
3. Кремний полупроводниковый материал
4. История полупроводников
5. Интегральная схема (ИС)
6. Semiconductor
   Силовые устройства и МЭМС

1. Процесс производства полупроводников
2. Semiconductor
   — Метрология и контроль
3. Полупроводник
   — Точность и прецизионность
4. CD-SEM — Что такое критический размер SEM?
5. Система контроля дефектов пластин
6. Обзор SEM
   — Что такое Обзор SEM?
7. Система травления
   — Что такое система травления?

1. Глоссарий

Ссылки по теме

Оборудование для производства полупроводников

Индекс по устройствам: Hitachi High-Tech

Полевое решение

Полупроводниковая комната

Связанная информация

Свяжитесь с нами: Оборудование для производства полупроводников

Связаться с нами

Предыдущая страница

Наверх

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 выделяются в отдельную 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 тип полупроводникового материала можно разделить на бинарную систему , тройную систему , четвертичная система , и так далее.

●

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 групп 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 твердорастворные полупроводниковые материалы , 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 группе III-V, таких как ZnSiP2, ZnGeP2, ZnGeAs2, CdGeAs 2 , 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 . Структурные M модели S иликоны

III Свойства полупроводниковых материалов

1. Характеристические параметры

Несмотря на то, что существует много типов полупроводниковых материалов, они обладают некоторыми неотъемлемыми свойствами, 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. Crystal D эффекты

2. Требования к производительности

●

 Требования к характеристикам транзисторов

В соответствии с принципом работы транзисторов требуются материалы 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, которые используют 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 характеристикам термоэлектрических устройств

Для повышения эффективности преобразования термоэлектрических устройства, должна быть большая разница температур между двумя концами 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. 9Рис. 8. Процесс Чохральского Процесс Чохральского монокристалл кремния чистоты. 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 производства 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. Подразделения торговых структур

Полупроводниковые материалы имеют самые 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.

Рис. 10. Диски из кремниевых пластин

3. Высокий технический порог

Как правило, технический порог ы и производственные поля. Он имеет высокие требования к чистоте и сложные процессы. А в процессе НИОКР пакетное тестирование требуется для последующих производственных линий.