- Полупроводниковые материалы
-
Полупроводники, применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике (См. Полупроводниковая электроника) используют главным образом кристаллические П. м. Большинство из них имеет кристаллическую структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры Алмаза.Значительную роль в развитии полупроводниковой техники сыграл Селен: селеновые выпрямители долгое время оставались основными полупроводниковыми приборами, получившими массовое применение.В начале 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые П. м. — Кремний и Германий. Обычно их изготовляют в виде массивных Монокристаллов, легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10-3—104 ом․см получают преимущественно методом вытягивания из расплава (по Чохральскому), а легированные монокристаллы Ge с удельным сопротивлением 0,1—45 ом․см получают, кроме того, зонной плавкой (См. Зонная плавка). Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, Al, Ga, In) — дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов (См. Полупроводниковый диод), Транзисторов, интегральных микросхем и т.д.Большую группу П. м. составляют химические соединения типа AIII BV (элементов III группы с элементами V группы) — арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb, AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Синтез и выращивание монокристаллов обычно производят в замкнутых сосудах из высокотемпературных химически инертных материалов, обладающих высокой прочностью, поскольку давление насыщенного пара над расплавом таких элементов, как Р и As, сравнительно велико. Примеси элементов II группы придают этим П. м., как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы — электронную. П. м. этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах (См. Полупроводниковый лазер), светоизлучающих диодах (См. Светоизлучающий диод), Ганна диодах, фотоэлектронных умножителях (См. Фотоэлектронный умножитель), в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн.П. м. типа AiiBvi из которых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преимущественно с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих П. м. определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование П. м. этого типа связано главным образом с их оптическими свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в Фоторезисторах, Фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения (см. Модуляция света) и т.д.К П. м. относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Te, и оксидные системы, например V2O5 — P2O5 — RxOy, где R — металлы I — IV групп, х — число атомов металла и у — число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении.Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| Элемент, | Наиме- | Ширина | Подвижность | Кристал- | Постоян- | Темпера- | Упругость || тип | нование | запрещенной | носителей | лическая | ная | тура | пара при || соедине- | материа- | зоны, эв | заряда, 300 K, | структура | решётки, Å | плавле- | темпера- || ния | ла | | см2/(в․сек) | | | ния, °С | туре плавле- || | |---------------------------------------------------------| | | | ния, атм || | | при | при 0 К | элек- | дырки | | | | || | | 300 К | | троны | | | | | ||-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| Элемент | С (алмаз) | 5,47 | 5,51 | 1800 | 1600 | алмаз | 3,56679 | 4027 | 10-9 || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | Ge | 0,803 | 0,89 | 3900 | 1900 | типа алмаза | 5,65748 | 937 | || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | Si | 1,12 | 1,16 | 1500 | 600 | » | 5,43086 | 1420 | 10-6 || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | α—Sn | | Полупроводниковые материалы0,08 | | | » | 6,4892 | | ||-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| IV—IV | α—SiC | 3 | 3,1 | 400 | 50 | типа | 4,358 | 3100 | || | | | | | | сфалерита | | | ||-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| III—V | AISb | 1,63 | 1,75 | 200 | 420 | типа | 6,1355 | 1050 | <0,02 || | | | | | | сфалерита | | | || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | BP | 6 | | | | » | 4,538 | >1300 | >24 || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | GaN | 3,5 | | | | типа | 3,186 (по | >1700 | >200 || | | | | | | вюртцита | оси a) | | || | | | | | | | 5,176 (по | | || | | | | | | | оси с) | | || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | GaSb | 0,67 | 0,80 | 4000 | 1400 | типа | 6,0955 | 706 | <4․10-4 || | | | | | | сфалерита | | | || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | GaAs | 1,43 | 1,52 | 8500 | 400 | то же | 5,6534 | 1239 | 1 || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | GaP | 2,24 | 2,40 | 110 | 75 | » | 5,4505 | 1467 | 35 || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | InSb | 0,16 | 0,26 | 78000 | 750 | » | 6,4788 | 525 | <4․10-5 || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | InAs | 0,33 | 0,46 | 33000 | 460 | » | 6,0585 | 943 | 0,33 || |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| | InP | 1,29 | 1,34 | 4600 | 150 | » | 5,8688 | 1060 | 25 ||-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| II—VI | CdS | 2,42 | 2,56 | 300 | 50 | типа | 4,16 (по | 1750 | || | | | | | | вюртцита | оси a) | | || | | | | | | | 6,756 (по | | || | | | | | | | оси с) | | || |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| || | CdSe | 1,7 | 1,85 | 800 | | типа | 6,05 | 1258 | || | | | | | | сфалерита | | | || |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| || | ZnO | 3,2 | | 200 | | кубич. | 4,58 | 1975 | || |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| || | ZnS | 3,6 | 3,7 | 165 | | типа | 3,82 (по | 1700 | || | | | | | | вюртцита | оси a) 6,26 | | || | | | | | | | (по оси с) | | ||-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|| IV—VI | PbS | 0,41 | 0,34 | 600 | 700 | кубич. | 5,935 | 1103 | || |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| || | PbTe | 0,32 | 0,24 | 6000 | 4000 | то же | 6,460 | 917 | |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------П. м. в широких пределах изменяют свои свойства с изменением температуры, а также под влиянием электрических и магнитных полей, механических напряжений, облучения и др. воздействий. Этим пользуются для создания различного рода Датчиков.П. м. характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик П. м., например ширина запрещенной зоны и эффективная масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации химических примесей и степени совершенства кристаллической решётки. Но многие параметры практически полностью определяются концентрацией и природой химических примесей и структурных дефектов. Некоторые физические свойства важнейших П. м. приведены в таблице.В электронных приборах П. м. используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических слоев (толщиной от долей мкм до нескольких сотен мкм), нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки (см. Микроэлектроника). В таких устройствах П. м. должны обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств П. м. в пределах монокристалла или слоя, а также степень совершенства их кристаллической структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству структуры П. м. технология их производства весьма сложна и требует высокой стабильности технологических режимов (постоянства температуры, расхода газовой смеси, продолжительности процесса и т.д.) и соблюдения специальных условий, в частности т. н. полупроводниковой чистоты аппаратуры и помещений (не более 4 пылинок размером свыше 0,5 мкм в 1 л воздуха). Продолжительность процесса выращивания монокристаллов в зависимости от их размеров и вида П. м. составляет от нескольких десятков мин до нескольких сут. При обработке П. м. в промышленных условиях используют процессы резания П. м. алмазным инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами, термической обработки, травления щелочами и кислотами.Контроль качества П. м. весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры П. м.: химический состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава П. м. обычно пользуются оптическими, спектральными, масс-спектроскопическими и активационными методами. Электрофизические характеристики измеряют т. н. зондовыми методами или используют Холла эффект. Совершенство структуры монокристаллов исследуют методами рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Толщину слоев измеряют либо бесконтактными оптическими методами, либо методами сошлифовки слоя.Лит.: Технология полупроводниковых материалов, пер. с англ., М., 1961; Родо М., Полупроводниковые материалы, пер. с франц., М., 1971; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973; Палатник А. С., Сорокин В. К., Основы пленочного полупроводникового материаловедения, М., 1973; Кристаллохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ, М., 1973.Ю. Н. Кузнецов, А. Ю. Малинин.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.
