Кремний как полупроводник

Свойства полупроводниковых материалов

По электропроводности все материалы делятся на три группы: проводники (Пр), полупроводники (ПП) и диэлектрики (Д).

Проводимость любого материала определяется концентрацией свободных носителей зарядов. В свою очередь свободные носители появляются в материале за счет валентных электронов атомов. Чтобы стать свободным носителем электрон должен оторваться от атома за счет полученной извне энергии (при повышении температуры относительно 0). В полупроводниках требуется большая энергия, чем в проводниках, чтобы сделать валентный электрон свободным. В ПП существует два вида проводимости: электронная («–») и дырочная («+»).

ПП делят на собственные (без примесей – беспримесные) и примесные.

Собственные ПП (кремний, германий, индий и т. д.) обладают небольшой проводимостью. Проводимость свободных (подвижных) зарядов образуется за счет разрыва ковалентных связей между соседними атомами ПП. Ковалентная связь образуется двумя валентными электронами соседних атомов. Для разрыва ковалентной связи, то есть выхода из нее электрона требуется гораздо меньше энергии, чем для отрыва электрона из орбиты. В собственных ПП в результате терморегуляции всегда существуют свободные носители (электроны и дырки), но в небольшом количестве. Практического применения собственные ПП не получили.

Примесные ПП получаются в результате внесения примесей (легирование) в основной ПП. Примесь всегда имеет другую валентность, чем чистый ПП. Например, если к четырехвалентному ПП (германий, кремний) добавить пятивалентную примесь (фосфор, свинец, мышьяк), то четыре валентных электрона в примеси вступают в ковалентную связь с атомами основного ПП. Оставшийся без связи электрон примеси легко отрывается от атома и становится свободным отрицательным носителем заряда. При этом атом превращается в неподвижный положительный ион. Подвижные электроны от примесей увеличивают концентрацию электронов и снижают концентрацию дырок. Основными носителями зарядов в таком ПП являются электроны, сам ПП называется полупроводником n-типа, а его проводимость – электронная. Примесь, которая привела к такому роду электронной проводимости – донорная. Если к четырехвалентному ПП добавить трехвалентную примесь (бор, индий, алюминий), то три валентных электрона примеси вступят в ковалентную связь. Для четвертой связи атом примеси забирает электрон из ковалентной связи между атомами основного ПП, образуя при этом дырку. Атом примеси превращается в неподвижный отрицательный ион. Таким образом, трехвалентная примесь увеличивает концентрацию дырок и уменьшает концентрацию электронов. Основными подвижными носителями зарядов в таком ПП являются положительные дырки. ПП называется полупроводником p-типа, а примесь, которая привела к возникновению такого ПП – акцепторная.

Замечание 1. Примесь, вносимая в ПП незначительна, чтобы не нарушалась кристаллическая решетка основного ПП. При добавлении фосфора в кремний: на 1 кг кремния добавляют 20 мкгр фосфора. При этом концентрация электронов увеличивается на 5 порядков.

Замечание 2. Концентрация основных носителей зарядов определяется внесенной примесью и мало зависит от температуры. При легировании образование ионов в примесном ПП практически заканчивается уже при комнатной температуре. Концентрация несоновных носителей зарядов (в ПП n-типа – это дырки, в ПП p-типа – электроны) сильно зависит от температуры. Это объясняется тем, что неосновные носители зарядов образуются за счет разрыва основного ПП.

Полупроводниковые материалы

ЛЕКЦИИ 12, 13

Полупроводники занимают особое место в электро- и радиотехнических материалах, занимая промежуточное положение по электрической проводимости и ряду других свойств между проводниками и диэлектриками.

Их проводимость находится в пределах 1000 — 1000 0м×м при 180 С. B отличие от металлов удельная проводимость полупроводников, также как и диэлектриков, с увеличением температуры уменьшается.

Для полупроводников характерна сильная зависимость r от вида и количества содержащихся примесей. Например, при введении в химически чистый германий (Gе) 0,001% мышьяка его удельная проводимость увеличивается в 10 раз.

Полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям — свету, облучению ядерными частицами, электромагнитным полем, давлению и др.

Известно много веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами. Наиболее известны германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод и другие многоэлементные соединения.

Специфичность свойств полупроводниковых материалов обусловила широкое применение их при изготовлении самых различных полупроводниковых приборов — диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, датчиков давлений, магнитных полей, температур, излучений и т.п. Использование полупроводников вызвало коренные преобразования в радиотехнике, кибернетике, автоматике, электротехнике, телемеханике. Полупроводниковая электроника открыла новые пути микроминиатюризации электронного оборудования.

Ток проводимости в проводниках определяется направленным движением огромного количества свободных электронов. В полупроводниках свободных электронов много. Это объясняется тем, что валентные электроны в полупроводниках связаны со своими атомами, т.е. не являются свободными. Ток в полупроводниках может возникать и изменяться в широких пределах только под влиянием внешних воздействий — нагревания, облучения или введением некоторых примесей. Это увеличивает энергию валентных электронов, позволяет им отрываться от своих атомов и под действием приложенного напряжения направленно перемещаться, т.е. становиться носителями тока. Чем выше температура полупроводника или интенсивнее внешнее облучение, тем больше в нем свободных электронов и тем больше ток. Атомы полупроводника, потерявшие электроны, превращаются в положительные ионы, которые не могут перемещаться.

Место на внешней оболочке атома, покинутое электроном, называют «дыркой». Эту дырку может занять другой электрон, покинувший свое место в соседнем атоме. В результате на внешней оболочке соседнего атома появится дырка, т.е. он превратится в положительный ион. При приложении к полупроводнику электрического напряжения электроны будут перемещаться от одних атомов к другим в одном направлении, а дырки в другом (противоположном).

Дырку принято считать положительно заряженной частицей с зарядом, равным заряду электрона. Такое представление упрощает, в большинстве случаев, анализ процессов, происходящих в кристалле полупроводника. Кажущееся перемещение дырок в направлении, противоположном движению электронов, называют дырочным током Iд.

Электропроводимости полупроводника, обусловленные движением электронов и дырок, называют соответственно электронной и дырочной.

В чистом полупроводнике концентрация электронов Nэ и дырок Nд одинаковы, и электропроводность такого полупроводника называют собственной. Общий ток I такого полупроводника равен

I=Iэ+Iд..

Но т.к. подвижность электронов больше, чем дырок, то

Iэ>Iэ.

Под подвижностью заряда М понимают отношение скорости перемещения носителя V к напряженности электрического поля Е в полупроводнике т.е.

Мэ=Vэ/Е ; Мд=Vд/Е.

Таким образом, подвижность показывает, какой путь проходит за 1с электрон или дырка при напряженности Е=1В/см.

Учитывая это, собственный ток полупроводника равен

I=N e (Mэ+Мд) Е,

Т.к. Vэ=Мэ Е; N=Nэ=Nд; е-заряд электрона.

Для создания полупроводниковых приборов требуются полупроводниковые материалы, обладающие преимущественно электронной или дырочной проводимостью. Для получения таких материалов в тщательно очищенный полупроводник (концентрация примесей <10-11%) вводят соответствующую добавку — легирующую примесь.

Легирующие примеси, валентность которых выше валентности полупроводника, снабжают его свободными электронами и называются донорами, от латинского «донаре» — дарить, отдавать.

Примеси, имеющие меньшую валентность чем полупроводник, обладают способностью захватывать и удерживать его электроны, от латинского «акцептарэ» — получать, брать.

Чтобы получить полупроводник, обладающий только электронной проводимостью, в него вводят атомы вещества, имеющего валентность на единицу больше валентности полупроводника. Например, в германий, валентность которого 4, вводят донорскую примесь – сурьму (Sb) или фосфор (Р), валентность которых равна 5 (рис.40).

Рис.40. Образование п/проводника с электронной проводимостью.

Четыре электрона каждого из атомов введенной примеси устанавливают четыре ковалентные (парные) связи с соответствующими атомами германия. Пятый остается без такой связи, следовательно, переходит в свободное состояние и под действием приложенного напряжения принимает участие в образовании электронного тока.

Если в полупроводнике электронный ток больше дырочного, такой полупроводник называют электронным, или полупроводником n-типа (от латинского «негативус» — отрицательный).

При введении в германий акцепторной примеси, например, бора, каждый из ее атомов установит три ковалентные связи с соседними атомами германия, а для связи с четвертым атомом германия атом бора электрона не имеет. Таким образом, несколько атомов германия будут иметь по одному электрону без ковалентной связи. При этом достаточно небольших внешних электрических воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места, образовав дырки у атомов германия (рис. 41).

Рис. 41. Образование п/проводника с дырочной проводимостью.

Освободившиеся электроны 2, 4, 6 атомов германия присоединяются к атомам бора и поэтому не могут создать ток в полупроводнике. Образовавшиеся у атомов германия дырки 1, 3, 5 позволяют перейти на них электронам от соседних атомов, где, в свою очередь, образуются дырки.

Т.о. каждая возникающая дырка будет переходить от одного атома германия к другому, от него к следующему и т.д. Под действием приложенного напряжения это движение дырок упорядочивается, т.е. в полупроводнике возникает примесный дырочный ток. Такой полупроводник называется дырочным, или р-типа (от латинского «позитивус» – положительный).

Под действием приложенного напряжения электроны и дырки перемещаются в полупроводнике, встречая различного рода препятствия, теряют часть энергии и отклоняются от своего пути, т.е. происходит рассеяние носителей заряда, вызываемое, главным образом, различными загрязняющими примесями. Чем чище полупроводник, тем меньше рассеяние носителей заряда и выше подвижность электронов и дырок, следовательно, полупроводник обладает большей удельной проводимостью.

Ранее отмечалось, что полупроводники обладают рядом специфических свойств. Одним из таких свойств является нелинейность вольт — амперной характеристики, т.е. при увеличении U, приложенного к образцу полупроводника, ток через него растет быстрее (рис.42).

Рис. 42. Вольт — амперная

характеристика полупроводника

Одновременно с ростом тока резко уменьшается электрическое сопротивление образца. Это свойство используется в вентильных полупроводниковых разрядниках в линиях электропередач высокого напряжения. При номинальном напряжении разрядник имеет очень высокое сопротивление и не пропускает ток с ЛЭП на землю. При ударе молнии провода оказываются под очень большим напряжением, электрическое сопротивление разрядника резко уменьшается, и он отводит ток с линии на землю. В результате напряжение снижается до нормы, большое сопротивление разрядника восстанавливается и он не пропускает ток с линии на землю.

При изменении полярности напряжения ток в полупроводнике протекает в обратном направлении и изменяется по такому же закону. Это означает, что полупроводник имеет симметричную вольт — амперную характеристику (рис.43). Если же одна часть полупроводника имеет электронную проводимость, а другая – дырочную, то на границе между ними образуется специфическая область – электронно-дырочный переход (р-n переход), имеющий несимметричную вольт — амперную характеристику (рис. 44).

Рис.43. ВАХ полупроводника. Рис.44. ВАХ р-n перехода.

При плотном контакте электронного и дырочного полупроводников образуется система двух областей, одна из которых будет иметь электронную, а другая – дырочную проводимость. При этом электроны из n-областибудут диффундировать в р-область, где их концентрация мала. Одновременно дырки из р-области будут диффундировать в n-область, где их концентрация также мала. Взаимная диффузия дырок и электронов уменьшит концентрацию электронов в n-области и дырок в р-области (рис 45).

Рис.45. Образование р-n перехода.

Таким образом, еще до подключения к электродам источника внешнего напряжения на границе между р- и n-областями полупроводника образуется двойной электрический слой. В результате этого появится местное электрическое поле напряженностью Ео, направленное в сторону отрицательных зарядов в двойном электрическом слое.

При приложении к такой системе внешнего напряжения, если Евн совпадает с напряженностью Ео местного электрического поля, электроны в n-области и дырки в р-области будут перемещаться от границы раздела к электродам (рис.46а).

Рис.46. Процессы в р-n переходе при различной полярности внешнего напряжения.

При этом расширяются зоны, занятые электронами в полупроводнике р-типа и дырками в полупроводнике n-типа. Электрическое сопротивление перехода значительно возрастает, т.к. образуется запирающий слой и р-n переход не будет пропускать ток. Фактически через переход будет проходить очень малый ток, обусловленный перемещением не основных носителей зарядов и называемый обратным током Iобр.

В случае, когда Евн направлена навстречу Ео (рис.46б), местное электрическое поле заметно ослабляется, и электроны из n-области полупроводника и дырки из р-области начинают перемещаться к р-n переходу; вследствие этого запирающий слой сужается, его электрическое сопротивление резко уменьшается. В этом случае р-n переход пропускает ток, который называют прямым Iпр, а его направление – прямым или пропускным. Следует иметь в виду что, Iпр>Iобр, и что сопротивление р-n перехода, смещенного в прямом направлении меньше, чем смещенного в обратном. При увеличении прямого напряжения ток через переход резко возрастает по линейному закону. Когда приложено обратное напряжение, то вначале ток через переход практически отсутствует; при повышении напряжения появляется обратный ток, который вначале растет линейно, затем увеличивается практически по закону Ома, а начиная с некоторого Uобр резко возрастает, в результате чего происходит электрический пробой перехода и его разрушение вследствие теплового пробоя.

Свойство р-n перехода пропускать ток только в одном направлении используют в полупроводниковых выпрямителях.

Полупроводниковые материалы обладают и рядом других специфических свойств:

1.Под действием света удельная проводимость некоторых полупроводников (селена) может резко изменяться. Это объясняется тем, что световое излучение определенной длины волны (400-700 нм) сообщает электронам полупроводника энергию, достаточную для того, чтобы они стали свободными. Электрическое сопротивление полупроводника при этом резко уменьшается. Это свойство используют в фоторезисторах.

2.При частичном освящении полупроводника светом, когда на его поверхности имеются освещенная и неосвещенная зоны между ними, возникает фото-ЭДС. Этот эффект используется при создании солнечных батарей и других источников энергии.

3.Некоторые полупроводники (Si) резко изменяют электрическое сопротивление под действием оказываемого на них давления (тензорезистивный эффект). Это явление используют при изготовлении чувствительных измерителей давления – тензорезисторов.

4.Наличие в полупроводниках двух участков с разными температурами вызывает перемещение свободных зарядов от нагретого участка к холодному. Так, если носителями зарядов являются электроны, они, перемещаясь к холодному участку заряжают его отрицательно. Нагретый участок, потеряв электроны, заряжается положительно. В результате между нагретым и холодным участком полупроводника возникает термо-ЭДС. Этот эффект используется при создании термоэлементов и термогенераторов, способных превращать тепловую энергию в электрическую.

Физические свойства кремния

Соединения кремния известны человеку с древнейших времён как материал для изготовления орудий труда и охоты. Сведения о переработке его соединений (в Древнем Египте получали стекло) датируются около 3000 лет до н.э. Кремний впервые выделен в 1811 французскими учёными Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром, но идентифицирован лишь в 1823 шведским учёным Й. Я. Берцелиусом.

Кремний образует тёмно-серые со смолистым блеском хрупкие кристаллы, решётка гранецентрированная кубическая типа алмаза (а=0,5431 нм). Плотность 2328 кг/м3, t плавления 1415°С, t кипения около 3250°С. Удельная теплоёмкость (при 25°С) 19,79 Дж/(моль•К), коэффициент теплопроводности 84-126 Вт/(м•К), удельное электрическое сопротивление 2,3•103 Ом•м, температурный коэффициент электрического сопротивления 1,7•10-3 К-1 (273 К), температурный коэффициент линейного расширения 3,72•10-3 К-1 в интервале 291-1273 К. Твёрдость по Бринеллю 2,4 ГПа, по Moocy 7. Модуль упругости 109 ГПа.

Кремний — полупроводник, электрические свойства которого сильно зависят от примесей. Ширина запрещённой зоны 1,12 эВ при 0 К. Прозрачен для инфракрасных лучей (отражательная способность 0,3, показатель преломления 3,42).

Химические свойства кремния

В большинстве соединений кремний проявляет степени окисления -4, +2, +4. При низких температурах химически инертен. На воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида, в атмосфере кислорода окисляется при нагревании свыше 400°С. С фтором взаимодействует в обычных условиях, с остальными галогенами, азотом, углеродом — при нагревании. В воде, кислотах (за исключением смеси HF+HNO3) не растворяется. Щёлочи переводят кремний в соли кремниевых кислот с выделением водорода. Растворим во многих расплавленных металлах, с некоторыми из них даёт соединения, называемые силицидами. С водородом образует весьма реакционноспособные соединения общей формулы SinH2n+2 (где n=1-8) — силаны. Известны многочисленные кремнийорганические соединения (силиконы, органосилоксаны и т.д.). Большое значение имеют кремниевые кислоты. В свободном состоянии выделены мета-(Н2SiO3), орто-(Н2SiO4) и двуметакремниевая (Н2Si2О5) кислоты. Соли кремниевых кислот широко распространены в природе: минералы класса силикатов природных. При изоморфном замещении в их структуре части кремния алюминием образуются алюмосиликаты.

Реклама

Нахождение в природе

Кремний — второй элемент после кислорода по своей распространённости в земной коре, его кларк 29,5% (по массе). Известно свыше 400 минералов, содержащих кремний. Около 12% литосферы слагает кварц SiO2 и его скрытокристаллические разновидности (халцедон, опал и т.д.), а 75% составляют различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т.д.). В магматических процессах в результате кристаллизационной дифференциации происходит обогащение поздних порций расплава кремнезёмом. При повышенных температурах кремнезём растворяется в водяных парах и может мигрировать, поэтому для гидротермальных образований характерны большие концентрации кварца. При выветривании на месте магматогенных минералов класса силикатов и алюмосиликатов развиваются глинистые минералы и оксиды. Среднее содержания кремния (в массовых %): в каменных метеоритах 18, ультраосновных породах 19, основных 24, средних 26, кислых 32,3, глинах 7,3, песчаниках 36,8, карбонатных горных породах 2,4; в воде океанов 3-10%. В живом веществе кремний играет важную роль, участвуя в образовании твёрдых скелетных частей. Особенно много его накапливается в морских растениях (например, диатомовые водоросли) и животных (кремнероговые губки, радиолярии и др.), которые, отмирая, формируют на дне океанов и морей мощные отложения кремнезёма.

Суточное потребление кремния человеком до 1 г. При высоком содержании диоксида кремния в воздухе он попадает в лёгкие человека и вызывает заболевание — силикоз.

Удельное сопротивление собственных полупроводников.

Особенностью полупроводников является зависимость их проводимости от типа примеси. Это позволило создавать на их основе электронные и дырочные полупроводники. На участке рабочих температур nn=Nд у примесных полупроводников. Это правило выполняется до определенного предела, для каждой примеси существует предел растворимости. За пределами Nпред примеси образуют новую фазу и nn становится независимой от Nд. Для каждой примеси существует собственный предел растворимости.

За пределами Nпред примеси образовывают новую фазу и nn становится не зависимой от Nд. Для каждой примеси существует собственный предел растворимости.

1.3.1. Кремний Si.

Кремний – элемент 4-й группы, связь между атомами ковалентная, тип кристаллической решетки – алмаз.

В настоящее время Si играет основную роль в производстве полупроводниковых приборов, это объясняется следующими факторами:

1. Достаточная ширина запрещенной зоны, которая обеспечивает хороший диапазон рабочих температур материала от -60 до +1300С.

2. Собственный SiO2 обладает хорошими защитными и маскирующими свойствами, что используется в современной технологии производства полупроводниковых приборов по планарно-эпитаксиальной технологии. Она вся основана на маскирующих свойствах SiO2 (рис.1.5).

Окно в маске, через него проводят диффузию атомов B. Маскирующие свойства связаны с тем, что коэффициент диффузии примеси в SiO2 много меньше, чем у кремния.

3. Оптимальная температура плавления: 1420°С. Она позволяет использовать в качестве контейнерного материала плавленый кварц. Более высокая температура создала бы проблемы с материалом для тиглей и реакторов, при более низкой температуре стало бы невозможным проведение процесса диффузии, протекающего с достаточной скоростью при температуре 1100–12000С.

4. Доступность сырья. Содержание кремния в земной коре составляет 28%.

Недостатки кремния: он не обладает излучательными свойствами и поэтому не пригоден для изготовления ОКГ и светодиодов; недостаточно высокая подвижность электронов, что препятствует созданию на нем СВЧ приборов: непрямой переход запрещенной зоны.

Для получения поликристаллического кремния Si используется кремнезём. Из кремнезёма восстанавливают кремний в электрических печах с помощью углеродосодержащих материалов. При этом получают технический кремний — спёк с содержанием примесей до 1%. Из него сначала восстанавливают легкие летучие соединения тетрахлорид, трихлорсилан кремния, моносилан кремния.

Si+2Cl2®SiCl4

Si+3HCl®SiHCl3+H2

Для получения моносилана сначала изготовляют кремниево-магниевый сплав, и моносилан извлекают последующей реакцией:

MgSi4+4NH4Cl®SiH4+2MgCl2+4NH3

Полученные соединения подвергают затем глубокой очистке методом ректификации. SiH4 – газ и его ректификацию проводят после сжижения и при t кипения =143К. Из чистых соединений восстанавливают кремний по реакции восстановления из галосоидных соединений – хлорсиланов (тетрахлоридов кремния или трихлорсилана).

SiCl4+2H2″Si+4HCl

SiHCl2+H2″Si+3HCl

термическое разложение гибридов (моносилана)

SiH4″Si+2H2 (пиролиз)

Поскольку кремний можно очистить практически от всех примесей, кроме бора, коэффициент распределения которого близок к единице, то принято условно оценивать чистоту получаемого кремния по содержанию в нем бора или соответствующему этому содержанию удельному сопротивлению. Первым методом получают кремний с удельным сопротивлением до 102Ом×см, определяемым частотой по бору, однако кроме бора полученный этим методом кремний может содержать заметные количества углерода и кислорода. Второй метод позволяет получить более чистый кремний с удельным сопротивлением ~103Ом×см.

Восстановление идет на нагретые кремниевые прутки, через которые пропускают ток. На них оседает кремний и получается поликристаллический материал. Диаметр прутков с поликристаллическим кремнием может от 8 до 100мм. Полученный поликристаллический кремний используется в производстве монокристаллического кремния. Наиболее распространенный — метод Чохральского (метод вытягивания из расплава), схематическое изображение процесса приведено на рис.1.7

Процесс идет в атмосфере инертного газа, или в вакууме. Монокристаллическая затравка, вырезанная в нужном кристаллографическом направлении, опускается в поликристаллический кремний. После оплавления и появления 1-й порции кремния затравку начинают поднимать вверх, тянущийся за ней столбик кремния постепенно затвердевает. Структура наращенного слоя повторяет структуру подложки. После выращивания небольшого столбика кремния его диаметр регулируют скоростью подъема V. Связь скорости подъема V и диаметра кристалла dV= const.

Основная задача при выращивании монокристалла – получение чистого кремния с минимальным содержанием дефектов, из которых наиболее распространенным являются дислокации. К другим видам дефектов относятся неконтролируемые примеси, которые могут попадать в кремний при плавке. Высокая активность кремния в расплавленном состоянии приводит к тому, что при использовании в качестве материала тигля высокочистого синтетического кварца он является источником кислорода, переходящего в расплав. Другой неконтролируемой примесью, которая может присутствовать в кремнии, является углерод; источник его – нагретые части установки, изготовленные из графита. Наличие углерода и кислорода приводит к появлению в выращенных кристаллах различного рода включений. Дефекты любого вида являются крайне нежелательными для кремния, ибо они в итоге определяют выход годных изготавливаемых изделий и их надежность.

В производство полупроводниковых приборов идет ~50% слитка. Остальная часть используется для вторичной переработки. Недостатком слитков является наличие примесей кислорода, которые попадают туда при растворении кварцевого стекла. Кислород связывает примеси меди и серебра, т.к. эти примеси диффундируют в сторону высокой концентрации кислорода. Недостаток примесей меди и серебра изменяет время жизни зарядов в полупроводнике. Избавиться от кислорода невозможно. Получают кремний с минимальным содержанием кислорода и большим значением времени жизни неосновных зарядов методом безтигельной зонной плавки. Обычно его применяют при выращивании кремния на основе моносилана. Схематичное изображение процесса показано на рис.1.8

К достоинствам метода можно отнести получение более чистого слитка с большим диапазоном удельных сопротивлений как р-, так и n- типа: большее время жизни неосновных носителей заряда (100…3000мкс по сравнению с 10…50мкс, получаемыми в монокристаллах, выращенных по методу Чохральского); недостатками являются меньшая производительность, сложная и дорогостоящая аппаратура и более высокая стоимость.

Сравнительная характеристика бездислокационных кристаллов, полученных методами Чохральского и бестигельной зонной плавки, приведена в табл.1.2.

Таблица 1.2.

Параметры кремния Метод Чохральского Зонная плавка
Качество кристаллов Без дислокаций Без дислокаций
Диаметр, мм До 150 До 100
Диапазон удельных сопротивлений, Ом×см p- n- 0,005…50 0,005…50 0,1…3000 0,1…800
Ориентация , , , ,
Время жизни, мкс 10…50 100…3000
Содержание кислорода, см-3 1016…1018 1016
Содержание углерода, см-3 1017 -«-

Средний диаметр слитков, получаемых по методу Чохральского – 75мм (могут быть и до 150мм), а методом бестигельной зонной плавки – 60мм (макс. 100мм). Выращенные слитки должны удовлетворять следующим требованиям: отклонение диаметра слитка от номинала – до 2,5мм; плотность дислокаций – менее 10см-2; однородность свойств на уровне ±10%; отсутствие на поверхности слитка внешних дефектов (трещин, сколов и т.д.) размером более 1,5…3мм.

В интегральной технике широко используются эпитаксиальные слои кремния. Эпитаксия – ориентированный рост слоёв и структура наращивания слоя повторяет структуру подложки. Схематическое изображение установки для эпитаксиального наращивания приведены на рис.1.9

Через трубку пропускают SiCl4 насыщенный парами Н2 (очищенный через мембрану палладия). В процессе движения Si осаждается на подложках. Подложки подогревают до 1000˚С. Эпитаксию кремния можно производить на сапфир — монокристаллический кремний Si2O3, MgOAl2O3, BeO, SiO2.

1.3.2. Германий Ge.

Ge имеет более низкую TПЛ чем кремний, инертен к контейнерным материалам из кварца и графита, за счет этого чистые материалы полупроводников чистоты первыми были получены из Ge. Gе — элемент 4-й группы, кристаллическая решетка типа алмаз, связь между атомами ковалентная.

По ni Ge превосходит Si, но в современном производстве полупроводниковых приборов Ge практически не используется. Это связано с:

1) небольшая ширина запрещенной зоны создает низкий мах предел ~70-80˚С, которая ещё снижается на 30% ,если учесть высокий температурный коэффициент;

2) к Ge неприменима современная планарно-эпитаксиальная технология, построенная на маскирующих свойствах собственного оксида. GeO при повышенных температурах взаимодействует с парами воды и растворяется.

3) довольно рассеянный элемент в земной коре.

Ge в настоящее время используется в детекторах ядерного излучения и в инфракрасной оптике для создания линз. Там требуются материалы высочайшей чистоты. Ge получают при переработке на кокс некоторых сортов угля, из свинцово-цинковых руд, тщательно собирают все отходы при производстве Ge.

Его получают:

1) GeO2+4HCl® GeCl4+2H2O

2) GeCl4+H2O ® GeO2+4HCl (гидролиз)

3) GeO2+H2 ® Ge+H2O

Если используются отходы, то 1-я реакция заменяется на

Ge+2Cl2 ® GeCl4

Поликристаллический Ge используется в производстве монокристалли-ческого Ge методом Чахрайского ф до 300 — 500 мм. Монокристаллический Ge подверают очистке методом зонной плавки.

Примеси собираются в жидкой фазе, сгоняются к одному концу слитка и обрезаются, прогоняют от 5 до 10 раз и получают Ge требуемой чистоты.

Сложные полупроводники.

По применению на первом месте стоят A3B5. Это соединения алюминия (Аl), галия (Ga), индия (Jn) с фосфором (P), мышьяком (As), сурьмой (Sb) и называют их фосфиды, арсениды, антимониды. Тип связи — ковалентно-ионная с небольшой долей ионной связи.

Параметры Фосфаты Арсениды Антимониды
AlP GaP JnP AlAs GaAs JnAs AlSb GaSb JnSb
Tпл, °С
jЗ,эВ 2,45 2,26 1,36 2,16 1,43 0,36 1,58 0,72 0,18
mn, 0,008 0,019 0,46 0,028 0,95 3,3 0,02 0,4 7,8
mр, 0,003 0,012 0,015 0,045 0,046 0,088 0,14 0,075

В пределах каждой группы с ростом суммарной атомной массы элемента уменьшается Тпл, твердость материала, растет подвижность и пластичность материала.

Рекордно высокая подвижность у JnSb. У всех полупроводников mn>mp, кроме AlSb. Все соединения, за исключением антимонидов, являются разлагающимися и при нагревании они разлагаются с интенсивным испарением компонента B5. Это затрудняет их синтез. Технология получения антимонидов — это простое сплавление компонентов. Монокристаллы получают методом Чахрайского, а очистку методом зонной плавки.

Для предотвращения испарения летучего компонента используется инертный флюс, который покрывает смесь расплавленных компонентов Аs и Ga. Для нагревания используется высокочастотный индуктор. Чистота получаемого этим методом GaAs определяется чистотой исходных компонентов, которая может быть недостаточно высокой, и это сказывается на качестве получаемого материала. Получение монокристаллического GaAs производится методом подобным методу Чахрайского.

Единственное отличие от метода Чахрайского в том, что вытягивание слитка идет из-под инертного флюса. При производстве собственного монокристаллического GaAs получают материал, имеющий слабо выраженную р-проводимость, за счет попадания атомов Si из контейнерного материала.

Для того чтобы устранить этот недостаток GaAs легируют атомами Cr. Хром, создавая глубокие примеси, связывает атомы Si и в тоже время не влияет на проводимость GaAs при легировании. Полученный GaAs называют полуизолирующим, он имеет большое удельное сопротивление 107Ом×см. При создании интегральных микросхем на основе такого GaAs не создают дополнительные изолирующие области между элементами. Для получения эпитаксиальных слоёв GaAs применяется молекулярно-лучевая эпитаксия.

Процесс идет в вакууме 10-7÷10-5Па. Температура ~600÷800°C. При нагревании исходных компонентов они испаряются, образуя молекулярные потоки, переносятся на подложку, где конденсируются. Величину молекулярного потока регулируют заслонки. Таким образом можно получить не только эпитаксиальные слои GaAs, но и более сложные структуры, например, тройные соединения Ga(1-Х)AlХAs. Слои могут быть переменными по толщине, составу и структуре. В таких тройных соединениях ширина запрещённой зоны зависит от %-го содержания компонента, от x. GaAs — это полупроводниковый материал, который широко применяется в производстве туннельных диодов, диодов Ганна, инжекционных лазеров, полевых транзисторов с диодом Шотки (МЕП транзисторы), гетеропереходных МЕП транзисторов. Эти транзисторы используются в СВЧ диапазоне и на основе GaAs можно получить СВЧ приборы с частотой 100ГГц. Из сложных полупроводников этой группы перспективным материалом является фосфит индия (JnP). С его помощью можно получить приборы, работающие на частотах выше, чем GaAs, несмотря на то, что подвижность электронов GaAs выше, чем у JnP.

Соединения алюминия самостоятельного значения не имеют и они используются при создании твердых растворов сложных полупроводников Ga(1-x)AlxAs.

1.4.1. Соединения группы А2B6.

Это соединения цинка (Zn), кадмия (Cd), ртути (Hg) с серой (S), селеном (S) и теллуром (Te). Соединения называются сульфиды, селениды и теллуриды, есть общее название — халькогениды.

Параметр CdS CdSe CdTe
Tпл, K
jЗ, эВ 2,4 1,8 1,5
mn,
mp,

В этих соединениях связь ионно-ковалентная с увеличением доли ионной связи по сравнению с предыдущими соединениями А3В5.

В пределах каждой группы закономерности изменения параметров такие же как в соединении А3В5. Все соединения, разлагающиеся при повышенных температурах. Многие имеют проводимость одного типа, независимо от способов соединения и легирования. Наибольшее применение получили в качестве люминофоров и фоторезисторов. Узкозонные полупроводники этой группы применяются в качестве приёмников ИК излучения. Синтез этих соединений идет по реакции обменного разложения в водной среде. К халькогенидам относят также соединения свинца (Pb) с: Сs, Se, Te. В этих соединениях преобладает ионная связь. Проводимость этих соединений зависит от стехиометрического состава, а также от примесей. Избыток Pb, а также элементы 3-й и 7-й групп создают проводимость n-типа. Избыток халькогена, а также атомов 1-й группы создаёт проводимость р-типа. Особенностью этих полупроводников является увеличение ширины запрещенной зоны с ростом температуры.

Параметр PbS PbSe PbTe
Tпл, K
jЗ, эВ 0,6 0,55 0,6
mn,
mp,

Применяют как детекторы ИК излучения, производства фоторезисторов, для изготовления термоэлектронных генераторов. При низких температурах возможна излучательная рекомбинация, поэтому применяют для производства инжекционных лазеров

1.4.2. Соединения группы А4В4.

SiC -имеет только ковалентную связь. Отличается высокой твёрдостью (твёрже алмаза). Имеет высокую химическую стойкость. Имеется более 100 политипов соединения карбидов кремния. jЗ=2,39÷3,34эВ. Приборы на основе SiC работают до t=500°С. Поликристаллический SiC получают из чистого кварцевого песка в электрических печах в атмосфере углерода. Монокристаллический SiC получают методом сублимации. Чистые кристаллы SiC бесцветны. Нарушение состава, а также примеси меняют цвет соединения. Применяются в производстве варисторов и прецизионных светодиодов.

Окисные полупроводники.

Окислы ряда металлов Fe, Zn, Cu, Mn способны образовывать твёрдые растворы окислов, которые рассматриваются как нестехиометрические полупроводники. С одной стороны, они являются ионными кристаллами, а с другой – имеют электронную проводимость. Однако, подвижность свободных зарядов в них низкая. Большая часть окислов идет в производство магнитных материалов ферритов, где используется их главное достоинство – высокое удельное сопротивление. Сu2O – закись меди. Получают окислением медных пластин в электрических печах. jЗ у Cu2O 1,5эВ. Имеют только р-проводимость, с очень низкой μP=8∙10-3м2/(В∙с)

>Справочник химика

Германий

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Германий (лат. Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72,59; твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Природный Германий представляет собой смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Д. И. Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент экасилицием из-за близости свойств его с кремнием. В 1886 году немецкий химик К. Винклер обнаружил в минерале аргиродите новый элемент, который назвал Германием в честь своей страны; Германий оказался вполне тождествен экасилицию. До второй половины 20 века практическое применение Германия оставалось весьма ограниченным. Промышленное производство Германия возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники.

Общее содержание Германий в земной коре 7·10-4% по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы Германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu2(Cu, Fe, Ge, Zn)2 (S, As)4, аргиродит Ag8GeS6, конфильдит Ag8(Sn, Ge)S6 и другие. Основная масса Германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых оксидных минералах (хромите, магнетите, рутиле и других), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Физические свойства Германия. Германий кристаллизуется в кубической структуре типа алмаза, параметр элементарной ячейки а = 5, 6575Å. Плотность твердого Германий 5,327 г/см3 (25°С); жидкого 5,557 (1000°С); tпл 937,5°С; tкип около 2700°С; коэффициент теплопроводности ~60 Вт/(м·К),или 0,14 кал/(см·сек·град) при 25°С. Даже весьма чистый Германий хрупок при обычной температуре, но выше 550°С поддается пластической деформации. Твердость Германия по минералогической шкале 6-6,5; коэффициент сжимаемости (в интервале давлений 0-120 Гн/м2, или 0-12000 кгс/мм2) 1,4·10-7м2/мн (1,4·10-6 см2/кгс); поверхностное натяжение 0,6 н/м (600 дин/см). Германий — типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,104·10-19дж или 0,69 эв (25°С); удельное электросопротивление Германия высокой чистоты 0,60 ом·м (60 ом·см) при 25°С; подвижность электронов 3900 и подвижность дырок 1900 см2/в·сек (25°С) (при содержании примесей менее 10-8%). Прозрачен для инфракрасных лучей с длиной волны больше 2 мкм.

Химические свойства Германия. В химические соединениях Германий обычно проявляет валентности 2 и 4, причем более стабильны соединения 4-валентного Германия. При комнатной температуре Германий устойчив к действию воздуха, воды, растворам щелочей и разбавленных соляной и серной кислот, но легко растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Азотной кислотой медленно окисляется. При нагревании на воздухе до 500-700°С Германий окисляется до оксидов GeO и GeO2. Оксид Германия (IV) — белый порошок с tпл 1116°C; растворимость в воде 4,3 г/л (20°С). По химическиv свойствам амфотерна, растворяется в щелочах и с трудом в минеральных кислотах. Получается прокаливанием гидратного осадка (GeO3·nH2O), выделяемого при гидролизе тетрахлорида GeCl4. Сплавлением GeO2 с других оксидами могут быть получены производные германиевой кислоты — германаты металлов (Li2GeO3, Na2GeO3 и другие) — твердые вещества с высокими температурами плавления.

При взаимодействии Германия с галогенами образуются соответствующие тетрагалогениды. Наиболее легко реакция протекает с фтором и хлором (уже при комнатной температуре), затем с бромом (слабое нагревание) и с иодом (при 700-800°С в присутствии СО). Одно из наиболее важных соединений Германия тетрахлорид GeCl4 — бесцветная жидкость; tпл -49,5°С; tкип 83,1°С; плотность 1,84 г/см3 (20°С). Водой сильно гидролизуется с выделением осадка гидратированного оксида (IV). Получается хлорированием металлического Германия или взаимодействием GeO2 с концентрированной НСl. Известны также дигалогениды Германия общей формулы GeX2, монохлорид GeCl, гексахлордигерман Ge2Cl6 и оксихлориды Германия (например, СеОСl2).

Сера энергично взаимодействует с Германием при 900-1000°С с образованием дисульфида GeS2 — белого твердого вещества, tпл 825°С. Описаны также моносульфид GeS и аналогичные соединения Германия с селеном и теллуром, которые являются полупроводниками. Водород незначительно реагирует с Германием при 1000-1100°С с образованием гермина (GeH)Х — малоустойчивого и легко летучего соединения. Взаимодействием германидов с разбавленной соляной кислотой могут быть получены германоводороды ряда GenH2n+2 вплоть до Ge9H20. Известен также гермилен состава GeH2. С азотом Германий непосредственно не реагирует, однако существует нитрид Gе3N4, получающийся при действии аммиака на Германий при 700-800°С. С углеродом Германий не взаимодействует. Германий образует соединения со многими металлами — германиды.

Известны многочисленные комплексные соединения Германия, которые приобретают все большее значение как в аналитической химии Германия, так и в процессах его получения. Германий образует комплексные соединения с органическими гидроксилсодержащими молекулами (многоатомными спиртами, многоосновными кислотами и другими). Получены гетерополикислоты Германия. Так же, как и для других элементов IV группы, для Германия характерно образование металлорганических соединений, примером которых служит тетраэтилгерман (С2Н5)4Ge3.

Получение Германия. В промышленного практике Германий получают преимущественно из побочных продуктов переработки руд цветных металлов (цинковой обманки, цинково-медно-свинцовых полиметаллических концентратов), содержащих 0,001-0,1% Германия. В качестве сырья используют также золы от сжигания угля, пыль газогенераторов и отходы коксохимических заводов. Первоначально из перечисленных источников различными способами, зависящими от состава сырья, получают германиевый концентрат (2-10% Германия). Извлечение Германия из концентрата обычно включает следующие стадии: 1) хлорирование концентрата соляной кислотой, смесью ее с хлором в водной среде или других хлорирующими агентами с получением технического GeCl4. Для очистки GеСl4применяют ректификацию и экстракцию примесей концентрированной НСl. 2) Гидролиз GeCl4 и прокаливание продуктов гидролиза до получения GeO2. 3) Восстановление GeO2 водородом или аммиаком до металла. Для выделения очень чистого Германия, используемого в полупроводниковых приборах, проводится зонная плавка металла. Необходимый для полупроводниковой промышленности монокристаллический Германий получают обычно зонной плавкой или методом Чохральского.

Применение Германия. Германий — один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Монокристаллический Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряженность постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения Германия является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения, работающих в области 8-14 мкм. Перспективны для практическое использования многие сплавы, в состав которых входят Германий, стекла на основе GeO2 и другие соединения Германия.

Прямозонные и непрямозонные полупроводники

На первом этапе люминесценции возможны различные переходы электронов: зо­на – зона, зона – примесный уровень и переходы между уровнями примеси. При межзонных переходах возможны два основных случая, соответствующие прямым и непрямым переходам. Наличие прямых и непрямых переходов объясняется зависимостью энергии электрона от его импульса (в соответствии с рис. 2.15). Импульс электрона РЭ равен произ­ведению его массы mЭ на скорость движения

. (2.69)

Рис. 2.15. Зависимость энергии электрона от импульса для прямых переходов электронов

Рис. 2.16. Зависимость энергии электрона от импульса для непрямых переходов электронов

Прямой переход – это переход электрона без изменения импульса электрона. Непрямой переход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или по­глощаемого фотона.

По закону сохранения импульса при излучении или поглощении фотона должно выполняться равенство

, (2.70)

где Рэ1 и Рэ2 – соответственно начальный и конечный импульсы элек­ трона;

kФ – импульс фотона.

Так как скорость движения фотона равна скорости света, то kФ = mФс, где масса фотона mФ связана с длиной волны соотношением Де-Бройля

. (2.71)

Тогда импульс фотона

, (2.72)

где ЕG – ширина запрещенной зоны.

Для ЕG «1 эВ имеем kФ << РЭ2, т. е. импульс электрона можно считать неизменным при прямом переходе (РЭ1 » РЭ2), что соответ­ствует переходу по вертикали между максимумом валентной зоны ЕВ и минимумом зоны проводимости ЕG (в соответствии с рис. 2.15).

Могут происходить также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости с изменением импульса электрона (РЭ1 ¹ РЭ2) — непрямые переходы. При этом в процессе поглощения энергии кроме фотона и электрона должна, участвовать еще третья частица, которая заберет часть импульса на себя (в соответствии с рис. 2.16). Закон сохранения им­пульса при непрямых переходах имеет вид

, (2.73)

где k – импульс третьей частицы (например, фонона).

Основные материалы полупроводниковых излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе – GaAlAs и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т. е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона – зона. Каждая рекомбинация носителя заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона, длина волны которого определяется соотношением

, (2.74)

где l – в микрометрах; ЕG — в электрон-вольтах.

Таким образом, выполнение закона сохранения импульса (оно также обязательно для любого электронного перехода, как и соблю­дение закона сохранения энергии) при прямых переходах не требует участия в рекомбинации третьей (кроме электрона и дырки) частицы. Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока и прямозонные полупроводники являются эффективными люминес­центными материалами.

В непрямозонных полупроводниках (например, в фосфиде галлия GaP) минимум зоны проводимости смещен по оси импульса. Излучательная рекомбинация электрона с дыркой идет лишь на некотором комплексе, которому передается избыточный импульс и, соответственно часть энергии. Длина волны излучения при непрямых переходах полу­чается больше. Тем не менее излучательная рекомбинация может эффективно идти через подходящие примесные центры в два этапа сначала происходит локализация носителя одного знака на примесном центре, а затем рекомбинация этого носителя со свободным носителем другого знака. В качестве таких центров излучательной рекомбинации в фосфиде галлия, например, выступают комплексы донор — акцептор (Zn+ – 0-) или нейтральные ловушки (атом N вместо атома Р в ре­шетке GaP).

Следует отметить, что самопоглощение излучения идет в прямозонных полупроводниках значительно сильнее, чем в непрямозонных.

Кроме двойных (бинарных) соединений широко используются и твердые растворы – в основном тройные соединения, например GaAlAs, GaAsP, InGaP и др. Структура формул тройных соединений показывает, атомы каких элементов заме­щают в кристаллической решетке друг друга. Значение ширины запрещенной зоны и структура энергетических зон твердых растворов зависят от соотношения компонентов в растворе.

В таблице 2.3 приведены материалы, которые используются для из­готовления полупроводниковых излучателей; дано также значение ширины запрещенной зоны ЕЗ для каждого материала.

Таблица 2.3 – Перспективные материалы для элементной базы оптоэлектроники

Современные излучатели в основном используют прямые переходы. Выбор ширины запрещенной зоны ЕЗ определяется рабочей длиной волны излучателя в оптическом диапазоне волн.

Из выражения (2.75) имеем

(2.75)

Следовательно, для работы в диапазоне видимого излучения (0,38 мкм ¸ 0,78 мкм) необходимы полупроводники с шириной запрещенной зоны (1,5 ¸ 3,0) эВ. Это требование сразу ис­ключает использование германия и кремния и других полупроводников, технология которых хорошо разработана, и обусловливает переход к материалам типа АIIIВV, их твердым рас­творам и др.

В полупроводниках генерация оптическо­го излучения обеспечивается обычно с по­мощью электролюминесценции. При электролюминесценции энергия воз­буждения потребляется из электрического по­ля. Различают два вида электролюминес­ценции:

· инжекционную, которая возникает в p-n – переходе, находящем­ся под прямым напряжением;

· предпробойную, которая развивается в сильных полях, близких к тем, при которых появляется электрический пробой p-n — перехода.

Наибольшее применение в излучателях нашла инжекционная элек­тролюминесценция.

Дата добавления: 2017-05-02; просмотров: 1954;

На первом этапе люминесценции возможны различные переходы электронов:

· зона – зона;

· зона – примесный уровень;

· между уровнями примеси.

При межзонных переходах возможны два основных случая, соответствующие прямым и непрямым переходам. Наличие прямых и непрямых переходов объясняется зависимостью энергии электрона от его импульса (рис. 2.4). Импульс электрона () равен произ­ведению его массы () на скорость движения (v):

Прямой переход – это переход электрона без изменения импульса электрона. Непрямой переход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или по­глощаемого фотона.

По закону сохранения импульса при излучении или поглощении фотона должно выполняться равенство:

,

где и – соответственно начальный и конечный импульсы элек­трона; – импульс фотона.

Так как скорость движения фотона равна скорости света, то

,

где масса фотона () связана с длиной волны соотношением Де-Бройля:

Тогда импульс фотона равен:

,

где – ширина запрещенной зоны.

Для эВ имеем , т.е. импульс электрона можно считать неизменным при прямом переходе (), что соответ­ствует переходу по вертикали между максимумом валентной зоны () и минимумом зоны проводимости () (рис. 2.4, а).

Могут происходить также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости или, наоборот, с изменением импульса электрона () – непрямые переходы. При этом в процессе поглощения или выделения энергии кроме фотона и электрона должна участвовать еще третья частица, которая заберет часть импульса на себя (рис. 2.4, б). Закон сохранения им­пульса при непрямых переходах имеет вид:

где k – импульс третьей частицы (например, фонона).

Основные материалы полупроводниковых излучателей арсенид галлия (GaAs) и тройные соединения на его основе (GaAlAs и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы «зона – зона». Каждая рекомбинация носителя заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона, длина волны которого определяется из соотношения:

, (2.1)

где – в измеряется микрометрах, – в электрон-вольтах.

Таким образом, выполнение закона сохранения импульса (оно также обязательно для любого электронного перехода, как и соблю­дение закона сохранения энергии) при прямых переходах не требует участия в рекомбинации третьей (кроме электрона и дырки) частицы. Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока и прямозонные полупроводники являются эффективными люминес­центными материалами.

В непрямозонных полупроводниках, например, в фосфиде галлия (GaP), минимум зоны проводимости смещен по оси импульса. Излучательная рекомбинация электрона с дыркой идет лишь на некотором комплексе, которому передается избыточный импульс и, соответственно, часть энергии. Длина вол
ны излучения при непрямых переходах полу­чается больше. Тем не менее, излучательная рекомбинация может эффективно идти через подходящие примесные центры в два этапа: сначала происходит локализация носителя одного знака на примесном центре, а затем рекомбинация этого носителя со свободным носителем другого знака. В качестве таких центров излучательной рекомбинации в фосфиде галлия, например, выступают комплексы «донор – акцептор» (Zn+ – O—) или нейтральные ловушки (атом N вместо атома Р в ре­шетке GaP).

Следует отметить, что самопоглощение излучения идет в прямозонных полупроводниках значительно сильнее, чем в непрямозонных.

В табл. 2.1 приведены материалы, которые используются для из­готовления полупроводниковых излучателей; дано также значение ширины запрещенной зоны для каждого материала. Как видно из табл. 2.1, предпочтение в современных излучателях отдано полу­проводникам с прямыми переходами. Выбор ширины запрещенной зоны определяется рабочей длиной волны излучателя в оптическом диапазоне волн.

Таблица 2.1

Материалы полупроводниковых излучателей

Тип

соединения

Полупроводник

Ширина запрещенной зоны , эВ

Характер разрешенного

межзонного пере­хода при k = 0

1,45

Прямой

2,25

Непрямой

2,16

Непрямой

0,46

Прямой

0,70

Прямой

1,34

Прямой

2,42

3,50

2,70

Прямой

3,80

Прямой

3,20

Прямой

2,30

Прямой

2,50

Прямой

1,80

Прямой

1,60

Прямой

α-SiC

5,90

β-SiC

2,35

Кроме двойных (бинарных) соединений широко используются и твердые растворы – в основном тройные соединения, например: GaAlAs, GaAsP, InGaP и др. Структура формул тройных соединений показывает, атомы каких элементов замещают в кристаллической решетке друг друга. Значение ширины запрещенной зоны и структура энергетических зон твердых растворов зависят от соотношения компонентов в растворе.

Из выражения (2.1) имеем:

Следовательно, для работы в диапазоне видимого излучения (0,38 – 0,78 мкм) необходимы полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,5 – 3,0 эВ. Это требование сразу ис­ключает использование германия и кремния и других полупроводников, технология которых хорошо разработана, и обусловливает переход к материалам типа AIIIBV, их твердым растворам и др.

В полупроводниках генерация оптическо­го излучения обеспечивается обычно с по­мощью электролюминесценции.

При электролюминесценции энергия воз­буждения потребляется из электрического по­ля. Различают два вида электролюминес­ценции:

1) инжекционную, которая возникает в р-п-переходе, находящем­ся под прямым напряжением;

2) предпробойную, которая развивается в сильных полях, близких к тем, при которых появляется электрический пробой р-п-перехода.

Наибольшее применение в излучателях нашла инжекционная электролюминесценция.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *