Простые полупроводники

Элементарные полупроводники IV группы периодической системы (кремний и германий) являются основными материалами полупроводникового приборостроения; имеют кристаллическую решётку типа алмаза, в которой атомы соединены ковалентной связью. Период решётки у кремния меньше, чем у германия, что определяет более прочную ковалентную связь из-за более сильного перекрытия электронных облаков и, следовательно, большую ширину запрещённой зоны. Это различие обусловило также более высокий верхний предел рабочих температур у кремния (200^°С).

Кремний и германий в большинстве случаёв применяют в виде монокристаллических слитков и плёночных структур.

Кремний. Базовый материал для создания ИМС и дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и т.д.) при комнатной температуре химически инертен, в расплавленном состоянии ― химически активен. Широкое применение получил после создания метода бестигельной зонной очистки. Кремний наиболее подходящий материал для изготовления фотоэлектрических преобразователей, трансформирующих световую энергию в электрическую.

Поликристаллический кремний наряду с монокристаллическим находит применение в производстве ИМС. Плёнки из нелегирированного поликристаллического кремния имеют относительно высокое удельное сопротивление (10⁴÷ 10⁶ Ом·м) из-за рассеяния носителей заряда на границах зёрен. Такие плёнки в сочетании с плёнкой из SiO₂ используются в качестве межэлементной электрической изоляции.

Для создания токопроводящих и резистивных элементов применяют плёнки из легированного поликристаллического кремния с удельным поверхностным сопротивлением 20÷ 30 Ом. Замена ими плёнок из алюминия позволяет повысить плотность элементов и быстродействие БИС.

Маркировка кремния буквенно–цифровая. Первая буква обозначает название материала, вторая ― тип электропроводности, третья ― название легирующего элемента; числитель дроби показывает значение удельного сопротивления (Ом·м), знаменатель диффузную длину неосновных носителей заряда (м). Например, КЭФ 15, 0\0, 3 ― кремний с электронной проводимостью, легированный фосфором, ρ = 15·10^-2Ом·м, L = 0, 3·10^-3м.

 

Параметры полупроводников. Таблица 3.1

Параметры	Материал
Ge	Si
Температура плавления.
Рабочая температура,	60…70	180…200
Подвижность электронов, м2\(В·с)	0, 39	0, 14
Коэффициент теплопроводности, Вт\(м·К)
Удельное объёмное сопротивление при 300К Ом·м	106…0, 47	106…2·103
Ширина запрещённой зоны при 300К (эВ)	0, 665	1, 12
Диэлектрическая проницаемость, ε
Содержание в земной коре, %	7·104	~26
Защитные плёнки	–	SiO2, Si3N4

 

Достоинства кремния:

1. Чувствительность проводимости к внешним энергетическим воздействиям.

2. Технологичность.

3. Высокая рабочая температура.

4. Доступность сырья.

Применение кремния в промышленности:

1. Получение электротехнических сталей легированных кремнием.

2. Получение специальных стёкол.

3. Получение силикатного кирпича.

4. Получение керамики и бетона.

Применение кремния в радиолектроннике:

1. Микроэлектроника (диоды, триоды, транзисторы,, тиристоры, ИС и др.).

2. Оптоэлектроника (модуляторы, системы передачи, приёма, переработки информации).

3. Лазерная техника.

4. Атомная техника (счётчики частиц высоких энергий, детокторы излучений).

5. Приборостроение (кварцевые резонаторы, генераторы СВЧ – колебаний).

6. Различные преобразователи и датчики.

7. Материалы с оптическими эффектами.