Прості напівпровідники

Кремній – основний матеріал сучасного напівпровідникового виробництва. Для виготовлення дискретних напівпровідникових пристроїв він широко застосовується разом з іншими матеріалами, зокрема для виробництва діодів, транзисторів, фотоелементів, тензоперетворювачів, інтегральних мікросхем. Технічний кремній отримують в електричних печах відновленням його оксидів вуглецевмісними речовинами.

Кремній є одним з найпоширеніших матеріалів у земній корі (близько 29%). Але у вільному стані в природі він не зустрічається, а є присутнім тільки в з'єднаннях у вигляді окису й у солях кремнієвих кислот. Технічний кремній, який одержують шляхом відновлення природного діоксиду SiО ₂ в електричній дузі між графітовими електродами, містить близько 1% домішок і як напівпровідник використовуватися не може. Він є вихідною сировиною для одержання кремнію ідеальної чистоти, в якому вміст домішок не повинен перевищувати 10^-6 %.

Об'ємні кристали кремнію одержують шляхом вирощування з розплаву при вертикальній зонній плавці. Перший метод застосовують для одержання великих монокристалів з відносно невеликим питомим опором (ρ < 2,5 Ом·м). Другий метод використовують для одержання високоомних монокристалів кремнію з малим вмістом залишкових домішок. Кристали кремнію n - і p -типу одержують шляхом введення при вирощуванні відповідних домішок, серед яких найчастіше використовують фосфор і бор.

Питомий опір кремнію змінюється в широких межах залежно від концентрації в ньому домішок. Завдяки більш широкій заборо-неній зоні власний питомий опір кремнію більш ніж на три порядки перевершує власний питомий опір германію. При плавленні кремнію дещо збільшується його густина (на 8%) і стрибкоподібно зменшується питомий опір (в 30 разів). У розплавленому стані кремній має питомий опір порядку 10^-4 Ом·м і має такі ж властивості, що й рідкі метали.

Чистий германій має металевий блиск і характеризується високою твердістю і крихкістю. Температура його плавлення становить 937 ^оС, густина при температурі 25 ^оС складає 5,33 Мг/м³. У твердому стані германій є типовим ковалентним кристалом.

Кристалічний германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі. Роздрібнений у порошок при нагріванні на повітрі до температури ≈ 700 ^оС він легко утворює діоксид германію GeО ₂ . Германій слабко розчинний у воді й практично нерозчинний в соляній і розведеній сірчаній кислотах. Активним розчинником германію в нормальних умовах є суміш азотної кислоти і розчину перекису водню. При нагріванні германій інтенсивно взаємодіє з галогенами, сіркою і сірчанокислими з'єднаннями.

Германій, який застосовується у напівпровідникових приладах, має питомий опір від мільйонних часток Ом·м до значень, близьких до питомого опору власного германію. На електричні властивості германію сильно впливає режим термообробки. Якщо зразок германію n -типу нагріти до температури порядку 550^оС, а потім різко охолодити, то відбудеться зміна типу електропровідності. Аналогічна термообробка германію р -типу приводить до зменшення питомого опору без зміни типу електропровідності. Відпалювання загартованих зразків при температурі 500-550^оС відновлює не тільки тип електропровідності, але й первісний питомий опір. При розплавленні германію його питомий опір стає близьким до питомого опору рідких металів.

Вміст германію в земній кулі невеликий, біля 7·10^-4 %. В результаті хімічної переробки вихідної сировини утворюється тетра-хлорид германію, який шляхом подальших операцій переводять в діоксид германію (GeO₂) – порошок білого кольору. Його піддають травленню в суміші кислот і сплавляють в зливки. Питомий опір германію залежить від концентрації носіїв, що визначається степеню очистки. Для отримання монокристалу за методом витягування з розплаву ретельно очищений від домішок германій розплавляють в спеціальних установках.

Основні властивості кремнію, германію, селену приведені в таблиці 5.1.

Табл.5.1.

Властивості	Германій	Кремній	Селен
Густина, Мгр/м3	5,3	2,3	4,8
ТКlcep., К-1	6·10-6	4,2·10-6	50·10-6
Теплопровідність γТ, Вт/м·К
Теплоємність С, Дж/кг·К
Тпл, оС
Питомий опір ρ, Ом·м	0,47		-
Концентрація основних носіїв n, м -3	2,5·1019	1016	-
Ширина забороненої зони ΔW, еВ	0,72	1,12	1,8
Робота виходу електронів, еВ	4,8	4,3	-
Діелектрична проникність ε			-

Щоб отримати монокристали строго постійного діаметру по всій довжині необхідно температуру розплаву підтримувати постійною з точністю до десятих долей градуса. Цим способом отримують монокристали германію діаметром в десятки міліметрів. Зливки мають неоднаковий опір по довжині, так як верхня частина зливку містить менше число домішок, ніж нижня, що витягується із залишків розплавленого германію з підвищеною концентрацією домішок. При витягуванні монокристалу в нього вводять в строго контрольованій кількості домішок для отримання германію з визначеною величиною і типом електропровідності.

Застосовують германій для виготовлення діодів, давачів Холла, тензодавачів, фотодіодів, модуляторів світла тощо.

5.5. Електронно-дірковий перехід (p-n перехід)

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність p -типу, а інша – n -типу, називають електронно-дірковим переходом або p-n переходом. Такі переходи одержують шляхом введення в напівпровідник донорної і акцепторної домішок таким чином, щоб одна частина напівпровідника володіла електронною, а інша – дірковою електропровідністю. Створити електронно-дірковий перехід механічним з'єднанням двох напівпровідників з різними типами електропровідності неможливо. Допустимо, що n - і p -напівпровідники стикаються один з одним (рис.5.6).

Рис.5.6. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

при відсутності зовнішнього електричного поля.

Оскільки в n -напівпровіднику міститься велика кількість електронів, а в p -напівпровіднику – дірок, то між ними почнеться обмін носіями зарядів. У результаті цього в приконтактній області напівпровідника n -типу утворюється нескомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки, а в напівпровіднику р -типу виникає негативний заряд іонів акцепторної домішки.

Область розподілу напівпровідників n - і p -типу виявиться збідненою вільними носіями заряду й, незважаючи на малу ширину (h ≈ 10^-6-10^{-8 м), буде володіти більшим опором, який значно перевищує опір іншої частини напівпровідників. Наявність негативного і позитивного об'ємного зарядів приводить до утворення електричного поля, що перешкоджає подальшому дифузійному потоку носіїв заряду. Якщо до p -області прикласти позитивний полюс джерела живлення, а до n -області – негативний, то зовнішнє електричне поле буде спрямоване зустрічно електричному полю, зумовленому об'ємними зарядами (рис.}5.7).

Рис.5.7. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

(зовнішнє електричне поле спрямоване зустрічно дифузійному).

Основні носії заряду в p - і n - напівпровідниках, які мають найбільшу енергію, одержують можливість проникнути через збід-нений шар в області, де вони рекомбінуються. При такій полярності зовнішньої напруги електронно-дірковий перехід буде «відкритий» і через нього протікатиме прямий струм. При зміні полярності зовнішньої напруги електричне поле об'ємних зарядів і зовнішнє поле будуть збігатися за напрямком. У результаті дії сумарного електричного поля основні носії починають рухатися від переходу й перетнути перехід зможуть тільки неосновні носії (рис.5.8).

Рис.5.8. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

(зовнішнє електричне поле збігається за напрямком з дифузійним).

Вольт-амперна характеристика p-n переходу наведена на рис. 5.9. Для опису цієї залежності використовується вираз

(5.15)

де I_S – струм насичення (при зворотному включенні p-n переходу I_S = І_зв); U – прикладена напруга; q/k ≈ 40 В^-1 при t = 20 ⁰C.

Рис.5.9. Вольт-амперна характеристика p-n переходу.

Оскільки кількість неосновних носіїв у багато разів менше основних, то й струм, викликаний ними, буде менше, ніж струм, що з'являється при прямому включенні. При такому включенні електронно-дірковий перехід «закритий» і через нього протікає тільки малий зворотний струм неосновних носіїв заряду.

5.6. Запитання до самоконтролю

1. Поясніть, які матеріали називаються напівпровідниковими.

2. Основні властивості напівпровідникових матеріалів.

3. Вкажіть, які енергетичні зони існують у напівпровідникових матеріалах.

4. Перелічіть зовнішні фактори, які впливають на електро-провідність напівпровідників.

5. Поясніть методику визначення типу провідності в напів-провідниках.

6. Поясніть, у чому полягає ефект Холла і при яких умовах він виникає.

7. Перелічіть особливості режимів роботи p-n переходу.

8. Перелічіть основні технологічні операції, які застосовуються у виробництві напівпровідників.