Особливістю напівпровідників є залежність їх провідності від типу домішки. Це дозволило створювати на їх основі електронні та діркові напівпровідники. На ділянці робочих температур nn = N д у домішкових напівпровідників. Це правило виконується до певної межі, для кожної домішки існує межа розчинності. За межами Nпред домішки утворюють нову фазу і nn стає незалежною від N д. Для кожної домішки існує власний межа розчинності.
За межами Nпред домішки утворюють нову фазу і nn стає незалежною від N д. Для кожної домішки існує власний межа розчинності.
Кремній - елемент 4-ї групи, зв'язок між атомами ковалентний, тип кристалічної решітки - алмаз.
В даний час Si відіграє основну роль у виробництві напівпровідникових приладів, це пояснюється наступними факторами:
1. Достатня ширина забороненої зони, яка забезпечує хороший діапазон робочих температур матеріалу від -60 до +130 0 С.
2. Власний SiO2 володіє хорошими захисними і маскують властивостями, що використовується в сучасній технології виробництва напівпровідникових приладів по планарно-епітаксіальної технології. Вона вся заснована на маскують властивості SiO2 (рис.1.5).
Вікно в масці, через нього проводять дифузію атомів B. Маскуючі властивості пов'язані з тим, що коефіцієнт дифузії домішки в SiO2 багато менше, ніж у кремнію.
3. Оптимальна температура плавлення 1420 ° С. Вона дозволяє використовувати в якості контейнерного матеріалу плавлений кварц. Більш висока температура створила б проблеми з матеріалом для тиглів і реакторів, при більш низькій температурі стало б неможливим проведення процесу дифузії, що протікає з достатньою швидкістю при температурі 1100-1200 0 С.
Недоліки кремнію: він не володіє випромінювальними властивостями і тому не придатний для виготовлення ОКГ і світлодіодів; недостатньо висока рухливість електронів, що перешкоджає створенню на ньому СВЧ приладів: непрямий перехід забороненої зони.
Для отримання моносілана спочатку виготовляють кремниево-магнієвий сплав, і моносилан витягають наступною реакцією:
Отримані сполуки піддають потім глибокому очищенню методом ректифікації. SiH4 - газ і його ректифікацію проводять після скраплення і при t кипіння = 143К. З чистих з'єднань відновлюють кремній за реакцією відновлення з галосоідних з'єднань - хлорсиланов (тетрахлорид кремнію або трихлорсилану).
термічний розклад гібридів (моносілана)
Оскільки кремній можна очистити практично від усіх домішок, крім бору, коефіцієнт розподілу якого близький до одиниці, то прийнято умовно оцінювати чистоту отримуваного кремнію за вмістом у ньому бору або відповідного цьому змісту питомому опору. Першим методом отримують кремній з питомим опором до 10 2 Ом × см. визначеним частотою по бору, проте крім бору отриманий цим методом кремній може містити помітні кількості вуглецю і кисню. Другий метод дозволяє отримати більш чистий кремній з питомим опором
Відновлення йде на нагріті кремнієві прутки, через які пропускають струм. На них осідає кремній і виходить полікристалічний матеріал. Діаметр прутків з полікристалічним кремнієм може від 8 до 100мм. Отриманий полікристалічний кремній використовується у виробництві монокристалічного кремнію. Найбільш поширений - метод Чохральського (метод витягування з розплаву), схематичне зображення процесу наведено на рис.1.7
Процес йде в атмосфері інертного газу, або в вакуумі. Монокристалічна запал, вирізана в потрібному кристалографічному напрямку, опускається в полікристалічний кремній. Після оплавлення і появи 1-й порції кремнію приманку починають піднімати вгору, тягнеться за нею стовпчик кремнію поступово твердне. Структура нарощеного шару повторює структуру підкладки. Після вирощування невеликого стовпчика кремнію його діаметр регулюють швидкістю підйому V. Зв'язок швидкості підйому V і діаметра кристала dV = const.
У виробництво напівпровідникових приладів йде
До переваг методу можна віднести отримання більш чистого злитка з великим діапазоном питомих опорів як р -, так і n - типу: більший час життя неосновних носіїв заряду (100 ... 3000мкс в порівнянні з 10 ... 50мкс. Одержуваними в монокристалах, вирощених за методом Чохральського) ; недоліками є менша продуктивність, складна і дорога апаратура і більш висока вартість.
Порівняльна характеристика бездислокаційних кристалів, отриманих методами Чохральського і бестигельной зонного плавлення, наведена в табл.1.2.
Середній діаметр злитків, одержуваних за методом Чохральського - 75мм (можуть бути і до 150мм), а методом бестигельной зонного плавлення - 60мм (макс. 100 мм). Вирощені злитки повинні відповідати таким вимогам: відхилення діаметра злитка від номіналу - до 2,5 мм; щільність дислокацій - менше 10см -2; однорідність властивостей на рівні ± 10%; відсутність на поверхні злитка зовнішніх дефектів (тріщин, сколів і т.д.) розміром більше 1,5 ... 3 мм.
У інтегральної техніці широко використовуються епітаксіальні шари кремнію. Епітаксия - орієнтоване зростання шарів і структура нарощування шару повторює структуру підкладки. Схематичне зображення установки для епітаксійного нарощування наведені на рис.1.9
Через трубку пропускають SiCl4 насичений парами Н2 (очищений через мембрану паладію). У процесі руху Si осідає на підкладках. Підкладки підігрівають до 1000 # 730; С. Епітаксії кремнію можна виробляти на сапфір - монокристалічний кремній Si2 O3. MgOAl2 O3. BeO, SiO2.
Ge має нижчу Tпл ніж кремній, інертний до контейнерних матеріалами з кварцу і графіту, за рахунок цього чисті матеріали напівпровідників чистоти першими були отримані з Ge. Gе - елемент 4-ї групи, кристалічна решітка типу алмаз, зв'язок між атомами ковалентний.
За ni Ge перевершує Si. але в сучасному виробництві напівпровідникових приладів Ge практично не використовується. Це пов'язано з:
1) невелика ширина забороненої зони створює низький мах межа
70-80 # 730; С. яка ще знижується на 30%, якщо врахувати високий температурний коефіцієнт;
2) до Ge непридатна сучасна планарно-епітаксіальна технологія, побудована на маскують властивості власного оксиду. GeO при підвищених температурах взаємодіє з парами води і розчиняється.
3) досить розсіяний елемент в земній корі.
Ge в даний час використовується в детекторах ядерного випромінювання і в інфрачервоній оптиці для створення лінз. Там потрібні матеріали найвищої чистоти. Ge отримують при переробці на кокс деяких сортів вугілля, з свинцево-цинкових руд, ретельно збирають усі відходи при виробництві Ge.
Якщо використовуються відходи, то 1-я реакція замінюється на
Полікристалічний Ge використовується у виробництві монокристалів-чеського Ge методом Чахрайского ф до 300 - 500 мм. Монокристалічний Ge подверают очищенні методом зонного плавлення.
Домішки збираються в рідкій фазі, сгоняются до одного кінця злитка і обрізаються, проганяють від 5 до 10 разів і отримують Ge необхідної чистоти.
По застосуванню на першому місці стоять A 3 B 5. Це з'єднання алюмінію (Аl), Галія (Ga), індію (Jn) з фосфором (P), миш'яком (As), сурмою (Sb) і називають їх Фосфіди, арсеніди, антімоніди . Тип зв'язку - ковалентно-іонна з невеликою часткою іонної зв'язку.
У межах кожної групи з ростом сумарної атомної маси елемента зменшується Тпл. твердість матеріалу, зростає рухливість і пластичність матеріалу.
Рекордно висока рухливість у JnSb. У всіх напівпровідників mn> mp. крім AlSb. Всі з'єднання, за винятком антимонидов, є розкладаються і при нагріванні вони розкладаються з інтенсивним випаровуванням компонента B 5. Це ускладнює їх синтез. Технологія отримання антимонидов - це просте сплавлення компонентів. Монокристали отримують методом Чахрайского, а очищення методом зонної плавки.
Для запобігання випаровування летючого компонента використовується інертний флюс, який покриває суміш розплавлених компонентів Аs і Ga. Для нагрівання використовується високочастотний індуктор. Чистота одержуваного цим методом GaAs визначається чистотою вихідних компонентів, яка може бути недостатньо високою, і це позначається на якості одержуваного матеріалу. Отримання монокристалічного GaAs проводиться методом подібним методом Чахрайского.
Єдина відмінність від методу Чахрайского в тому, що витягування злитка йде з-під інертного флюсу. При виробництві власного монокристалічного GaAs отримують матеріал, який має слабо виражену р- провідність, за рахунок потрапляння атомів Si з контейнерного матеріалу.
Для того щоб усунути цей недолік GaAs легируют атомами Cr. Хром, створюючи глибокі домішки, пов'язує атоми Si і в той же час не впливає на провідність GaAs при легуванні. Отриманий GaAs називають напівізолюючих, він має велике питомий опір 10 7 Ом × см. При створенні інтегральних мікросхем на основі такого GaAs не створюють додаткові ізолюючі області між елементами. Для отримання епітаксійних шарів GaAs застосовується молекулярно-променева епітаксії.
Процес йде в вакуумі 10 -7 ÷ 10 -5 Па. температура
600 ÷ 800 ° C. При нагріванні вихідних компонентів вони випаровуються, утворюючи молекулярні потоки, переносяться на підкладку, де конденсуються. Величину молекулярного потоку регулюють заслінки. Таким чином можна отримати не тільки епітаксіальні шари GaAs. але і більш складні структури, наприклад, потрійні сполуки Ga (1-Х) AlХAs. Шари можуть бути змінними по товщині, складу та структури. У таких потрійних сполуках ширина забороненої зони залежить від% -го вмісту компонента, від x. GaAs - це напівпровідниковий матеріал, який широко застосовується у виробництві тунельних діодів, діодів Ганна, інжекційних лазерів, польових транзисторів з діодом Шотки (МЕП транзистори), гетеропереходних МЕП транзисторів. Ці транзистори використовуються в НВЧ діапазоні і на основі GaAs можна отримати СВЧ прилади з частотою 100ГГц. З складних напівпровідників цієї групи перспективним матеріалом є ФОСФО індію (JnP). З його допомогою можна отримати прилади, що працюють на частотах вище, ніж GaAs. незважаючи на те, що рухливість електронів GaAs вище, ніж у JnP.
З'єднання алюмінію самостійного значення не мають і вони використовуються при створенні твердих розчинів складних напівпровідників Ga (1-x) Alx As.
Це з'єднання цинку (Zn), кадмію (Cd), ртуті (Hg) з сіркою (S), селеном (S) і телуром (Te). З'єднання називаються сульфіди, селеніди і теллуріди, є загальна назва - халькогеніди.
Застосовують як детектори ІК випромінювання, виробництва фоторезисторов, для виготовлення термоелектронних генераторів. При низьких температурах можлива радіаційна рекомбінація, тому застосовують для виробництва інжекційних лазерів
1.4.2. З'єднання групи А 4 В 4.
SiC - має тільки ковалентний зв'язок. Відрізняється високою твердістю (твердіше алмаза). Має високу хімічну стійкість. Є більше 100 політіпов з'єднання карбідів кремнію. jЗ = 2,39 ÷ 3,34еВ. Прилади на основі SiC працюють до t = 500 ° С. Полікристалічний SiC отримують з чистого кварцового піску в електричних печах в атмосфері вуглецю. Монокристалічний SiC отримують методом сублімації. Чисті кристали SiC безбарвні. Порушення складу, а також домішки змінюють колір з'єднання. Застосовуються у виробництві варисторів і прецизійних світлодіодів.
Оксиди ряду металів Fe, Zn, Cu, Mn здатні утворювати тверді розчини окислів, які розглядаються як нестехіометріческіе напівпровідники. З одного боку, вони є іонними кристалами, а з іншого - мають електронну провідність. Однак, рухливість вільних зарядів в них низька. Велика частина оксидів йде у виробництво магнітних матеріалів феритів, де використовується їх головне достоїнство - високий питомий опір. Сu2 O - закис міді. Одержують окисненням мідних пластин в електричних печах. jЗ у Cu2 O 1,5еВ. Мають тільки р- провідність, з дуже низькою # 956; P = 8 # 8729; 10 -3 м 2 / (В # 8729; с)