Простые полупроводники

ЛЕКЦИЯ №11

Из десяти элементов, обладающих свойствами полупроводников, наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Германий – один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и многие явления, характерные для полупроводников, впервые экспериментально были обнаружены на этом материале.

Содержание германия в земной коре невелико, около 7·10^-4 %. Для полупроводников необходим тщательно очищенный германий. Один из способов очистки – метод зонной плавки. Германий применяется для изготовления выпрямителей, транзисторов, фоторезисторов, фототранзисторов и т. д. Рабочий диапазон температур германиевых приборов – от –60 до +70 ^оС. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Кремний, как и германий, относится к IV группе таблицы Д. И. Менделеева. Он является одним из самых распространенных элементов в земной коре, его содержание составляет примерно 29 %. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается.

Технический кремний (около одного процента примесей), получаемый восстановлением из диоксида (SiO₂) в электрической дуге между графитовыми электродами, широко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, в электротехнической стали). Технический кремний как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10^-6 %. Технология получения кремния полупроводниковой чистоты очень сложна, она включает несколько этапов. Конечная очистка кремния может выполняться методом зонной плавки, при этом возникает ряд трудностей, так как температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия.

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, стабилитронов, тиристоров и т. д. У кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материалов 120–200 ^оС, что значительно выше, чем для германия.

Полупроводниковые химические соединения (бинарные соединения)

Полупроводниковыми свойствами обладают не только простые полупроводники (германий, кремний), но и целый ряд химических соединений. Среди них наибольшее распространение получили двойные (бинарные) соединения А^IIIВ^V, А^IIB^VI, А^IVB^IV и др.

Соединения А^IIIВ^V являются ближайшими аналогами кремния и германия. Они образуются в результате взаимодействия элементов III подгруппы таблицы Менделеева (бор, алюминий, галлий, индий) с элементами

V подгруппы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма), которые соответственно называются нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Среди соединений А^IIIВ^V особое положение занимает арсенид галлия (GaAs). У него ширина запрещенной зоны превышает ширину запрещенной зоны германия и кремния, но ещё не очень велика (1,43 эВ). Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по частотному пределу превосходят германиевые, а по максимальной рабочей температуре (до 450 ^оС) – кремниевые.

Соединения А^IIB^VI образуются в результате взаимодействия элементов II подгруппы (цинк, кадмий, ртуть, медь, висмут) с элементами VI подгруппы (сера, селен, теллур, кислород), которые соответственно называются сульфиды, селениды, теллуриды, оксиды. Технология изготовления полупроводниковых соединений А^IIB^VI разработана гораздо менее полно. Это связано с тем, что они обладают высокими температурами плавления. Обычно их выращивают в запаянных кварцевых ампулах.

К этой же группе относится оксид цинка ZnO, имеющий ΔW = 3,2 эВ, который широко используется в ограничителях перенапряжения. Но о нём подробнее будет рассказано в разделе «Керамические полупроводники».

Карбид кремния (SiC) является единственным бинарным соединением, образованным элементами IV подгруппы (А^IVB^IV) и относящихся к полупроводникам. Этот полупроводниковый материал с большой шириной запрещённой зоны (ΔW = 2,8–3,1 эВ) применяется для изготовления полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах (до 700 ^оС). Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив к окислению до температуры свыше 1 400 ^оС.