Полупроводниковые материалы и их применение

Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних факторов (температуры, освещения, воздействия электрического и магнитного полей и т. д.). К полупроводникам относится большое количество веществ, удельное сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков. В отличие от металлов полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления в широком интервале температур. Факт уменьшения удельного сопротивления при нагревании твёрдых тел впервые был установлен Фарадеем ещё в 1833 г. при исследовании свойств сернистого серебра, поэтому Фарадея можно считать первооткрывателем класса полупроводниковых материалов.

Долгое время полупроводники считали непригодными для целей электротехники, так как это «плохие проводники и плохая изоляция». Первые направления их применения – люминофоры газосветных ламп и катодно-лучевых трубок, селеновые фотоэлементы, купроновые (купроксные) и селеновые выпрямители, термоэлектрические генераторы, а также материалы на основе карбида кремния (силит, вилит, тирит). Здесь следует отметить опыты Олега Владимировича Лосева с кристаллами карбида кремния и созданный им в 1922 г. полупроводниковый радиоприемник «кристадин». Однако подлинным началом полупроводниковой революции в электронике следует считать середину 20 века. В 1947 г. группе учёных Bell Telephone Laboratories под руководством Уильяма Шокли удалось получить первую модель транзистора с точечными контактами – полупроводниковый усилитель (англ. transfer resistance).

В 1951 г. Шокли представил первый трехслойный германиевый транзистор, выполнявший те же функции, что и электронная лампа, но имевший гораздо меньшие размеры, более надёжный и экономичный (Нобелевская премия 1956 г. вместе с Джоржем Бардином и Уолтером Браттейном). В 1954 г. Гордону Тилу из Texas Instruments удалось изготовить транзисторы из дешевого кремния, что снизило их себестоимость и положило начало процессу микроминиатюризации полупроводниковой электроники – применению интегральных микросхем. Дальнейшее развитие микроэлектроники шло в направлении совершенствования технологий выращивания кристаллов и монокристаллических плёнок кремния. Следующий качественный скачок в разработке полупроводниковых материалов был вызван развитием оптоэлектроники. Здесь ключевым моментом следует считать создание в 1962 г. инжекционного арсенид-галиевого лазера. Потребности оптоэлектроники явились мощным стимулом для разработки новых светочувствительных и светоизлучающих полупроводниковых соединений, в том числе и органических.

Развитие магнитоэлектроники – использования магнитных явлений в электронных и оптоэлектронных устройствах – стимулировало разработку магнитных полупроводников. Открытие в 1988 г. эффекта гигантского магнетосопротивления GMR (Нобелевская премия 2007 г.), а также увеличение быстродействия электронных устройств за счёт применения полупроводниковых соединений привели к их дальнейшей миниатюризации и переходу от микро- к наноэлектронике. Самыми перспективными полупроводниковыми материалами наноэлектроники считаются открытые в 2004 г. графены – сверхтонкие углеродные плёнки. Магнитоэлектроника в условиях перехода к нанотехнологиям совершила качественный скачок и получила новое название – спинтроника. Материальной базой спинтроники являются химические соединения, содержащие ионы переходных и редкоземельных металлов (напомним, что за счёт незаполненных внутренних оболочек они представляют собой очень маленькие магниты, направлением намагничивания которых можно управлять).

Основными параметрами, характеризующими возможность использования полупроводниковых материалов, являются: ширина зоны запрещённых энергетических состояний (запретной зоны); подвижность носителей зарядов (электронов и дырок); концентрация примесей и значение энергии их активации.

Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов (таблица 3.1), находящихся в правой части Периодической таблицы Д. И. Менделеева.

Таблица 3.1 – Ширина запретной зоны у элементарных полупроводников

В электрон-вольтах

Число полупроводниковых соединений очень велико и непрерывно возрастает. По химическому составу среди них различают неорганические и органические (отметим, что и те и другие могут быть магнитными), а по структуре – моно- и поликристаллические, аморфные (в том числе и стекловидные), а также полимерные и композиционные.

Монокристаллы отличаются более совершенным строением, они наиболее глубоко изучены, физические явления в них лучше поддаются расчётам, и они обеспечивают большую надёжность и идентичность параметров полупроводниковых приборов.

Поликристаллические полупроводники могут быть использованы в виде порошков и твёрдых материалов, в том числе и текстурованных. В ряде случаев они имеют преимущества по сравнению с монокристаллическими.

Аморфные полупроводниковые материалы характеризуются наличием ближнего порядка и отсутствием дальнего порядка. Для стеклообразных полупроводниковых материалов характерно наличие полярных группировок ионов, структуру этих материалов можно изменять с целью записи и обработки информации. Гибкость органических полимерных полупроводников позволяет изготавливать электронные устройства в виде гибких плёнок, лент и волокон. Композиции полупроводников различной структуры, а также полупроводников с проводниками или диэлектриками позволяют добиться особых эффектов, недостижимых в условиях однородного материала.