Полупроводник n-типа

Полупроводники n-типа — полупроводник, в котором основные носители заряда — электроны.

Для того, чтобы получить полупроводник n-типа, собственный полупроводник легируют донорами. Обычно это атомы, которые имеют на валентной оболочке на один электрон больше, чем у атомов полупроводника, который легируется. При не слишком низких температурах электроны и со значительной вероятностью переходят с донорных уровней в зону проводимости, где их состояния делокализованы и они могут вносить вклад в электрический ток.

Число электронов в зоне проводимости зависит от концентрации доноров, энергии донорных уровней, ширины запрещенной зоны полупроводника, температуры, эффективной плотности уровней в зоне проводимости.

Обычно легирование проводится до уровня 10^13-10^19 доноров в см3. При высокой концентрации доноров полупроводник становится вырожденным.

4. Простые полупроводники: германий, кремний. Их свойства, технология получения монокристаллического кремния.

Оптимальное значение ширины запрещенной зоны (Eg), которая обусловила достаточно низкую концентрацию собственных носителей и высокую рабочую температуру

Большой диапазон реально достижимых удельных сопротивлений в пределах от10^-3 Ом*см (вырожденный) до 10⁵ (близкий к собственному)

Высокое значение модуля упругости, значительная жесткость

Оптимально высокая температура плавления

Малая плотность (2,3 г/см³) и низкий ТКЛР (3*10^-6 К^-1)

Высокая теплопроводность, близкая к железу

Высокая тензочувствительность – изменение удельного сопротивления при упругой деформации

Высокая растворимость примесей, причем примеси мало искажают кристаллическую решетку кристалла

Эти физико-химические свойства обусловили высокую технологичность кремния – стабильность и способность к обработке различными методами:

А) пассивирующие, маскирующие и защитные свойства собственного оксида;

Б) наличие удобных для очистки и последующего восстановления исходных соединений:

SiCl₄ (тетрахлорид); SiHCl₃ (трихлорсилан); SiH₄ – силан(моносилан)

В) кремний образует многие соединения с ценными свойствами, что используется технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем:

SiO₂ – диоксид кремния;

Si₃N₄ – нитрид кремния;

SiC – карбид кремния;

Силициды – интерметаллические соединения с металлическими свойствами, перспективны как материал затворов и проводниковых шин СБИС нового поколения

Г) эпитаксия и гетероэпитаксия – явления, которые впервые приобрели практическое применение именно в технологии кремния

Д) кремний податлив к изменению степени кристаллизации (от поликристалла до аморфного вещества).Германий, как и кремний является хрупким материалом легко раскалывается при ударе, изгибе.

Промышленность выпускает поликристаллы и монокристаллы германия, а также германиевые эпитаксильные структуры.Поликристаллы германия применяют для изготовления оптических фильтров и как исходный материал для получения марочного германия.Монокристаллы германия выпускаются различных марок в зависимости от типа легирующей примеси.Германий используют для изготовления большого числа полупроводниковых приборов: выпрямители с большим обратным напряжением, точечных диодов, транзисторов с граничной частотой 600МГц, фотодиодов и фототранзисторов.Однако, германиевые приборы в отличие от кремниевых работают при температурах до 80⁰С, практически не работают при отрицательных температурах.Селен относится к простым полупроводникам это элемент VI группы. Он может существовать в нескольких кристаллических модификациях.Полупроводниковыми свойствами обладает только гексагональная модификация селена. Хрупок.Основные свойства селена: температура плавления 217⁰С, удельное электрическое сопротивление 10²–10⁷ Ом*см. Чистый селен имеет дырочный тип проводимости. Ширина запрещенной зоны 1,5…2 эВ.Акцепторные примеси: хлор, бром, йод.Донорные примеси: (II группа) ртуть, кадмий.Применение: фотоэлементы, выпрямители до 50 Гц. Они надежны, просты по технологии, экономичны, не требовательны к соблюдению высокой чистоты производственных помещений. Кремний является вторым по распространенности элементом земной коры. Его содержание в ней по массе составляет 27,6%. В силу своей химической активности в свободном состоянии кремний в природе не встречается. Существование и свойства германия предсказал в 1870 г. Д. И. Менделеев, назвав его экасилицием. В 1886 г. немецкий физик Винклер обнаружил его в минерале аргиродите. Германий в природе рассеян, в виде рудных месторождений почти не встречается. В настоящее время основной источник получения германия – каменный уголь. В коксохимическом производстве получение германия – побочное производство. Промышленность выпускает кремний в виде поликристаллических и монокристаллических слитков, а также готовые эпитаксильные структуры на кремнии.Поликристаллические слитки состоят из множества кристалло-зерен, различно ориентированных относительно друг друга и оси слитка. Монокристаллический слиток из одного кристалло-зерна с определенно заданной кристаллографической ориентацией относительно оси слитка.Эпитаксильная структура состоит из пластины-подложки толщиной 200-300 мкм из полупроводника или диэлектрика, на которой закристаллизованы из газовой или жидкой фазы полупроводниковая монокристаллическая пленка заданного состава толщиной 20-100 мкм. Причем кристаллическая решетка пленки продолжает, наследует с определенной степенью соответствия кристаллическую решетку подложки.Поликристаллический кремний является исходным продуктом для получения монокристаллического легированного кремния.

Простые полупроводники: германий, кремний. Их свойства, технология получения монокристаллического кремния.

Элементарные (простые) полупроводники.

Все полупроводники делят на две группы: простые и сложные. Простые – это материалы, которые состоят из атомов одного элемента, сложные – из нескольких элементов. Наиболее известными и распространенными простыми полупроводниками являются кремний и германий. Кремний является вторым по распространенности элементом земной коры. Его содержание в ней по массе составляет 27,6%. В силу своей химической активности в свободном состоянии кремний в природе не встречается. Существование и свойства германия предсказал в 1870 г. Д. И. Менделеев, назвав его экасилицием. В 1886 г. немецкий физик Винклер обнаружил его в минерале аргиродите. Германий в природе рассеян, в виде рудных месторождений почти не встречается. В настоящее время основной источник получения германия – каменный уголь. В коксохимическом производстве получение германия – побочное производство.

Примеси и легирующие элементы в кремнии и германии.

При изготовлении полупроводниковых и микроэлектронных приборов применяются кремний и германий, легированные малыми количествами электрически активных примесей. В зависимости от характера влияния примеси на тип электропроводности и концентрацию носителей заряда примесные элементы можно разделить на нейтральные, акцепторы, доноры и элементы, вызывающие появления в запрещенной зоне кремния и германия глубоких энергетических уровней. Кремний и германий в любых пропорциях образуют друг с другом твердые растворы, причем постоянная решетки монотонно изменяется при изменении состава раствора. Кремний относится к хрупким материалам: при растяжении разрушается без деформации, легко, как стекло, раскалывается при ударе, падении, при нарушении плавности режима резки. При температуре выше 4000С кремний становится пластичным. По электрофизическим полупроводниковым свойствам кремний занимает ведущее место. При ширине запрещенной зоны 1,15эВ кремниевые приборы могут работать стабильно в широком интервале температур от –400 до 1800С. Собственное сопротивление кремния велико – 2,3*105 Ом*см. За счет легирования свойства кремния можно изменять в широком интервале значений, что позволяет применять кремний практически для изготовления всех классов приборов и интегральных схем микроэлектроники. Промышленность выпускает кремний в виде поликристаллических и монокристаллических слитков, а также готовые эпитаксильные структуры на кремнии. Поликристаллические слитки состоят из множества кристалло-зерен, различно ориентированных относительно друг друга и оси слитка. Монокристаллический слиток из одного кристалло-зерна с определенно заданной кристаллографической ориентацией относительно оси слитка. Поликристаллический кремний является исходным продуктом для получения монокристаллического легированного кремния. Приборы на кремнии отличаются большой надежностью. Технология получения монокристаллов полупроводникового кремния состоит из следующих этапов: получение технического кремния; превращение кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; очистка и восстановление соединения, получение кремния в виде поликристаллических стержней; конечная очистка кремния методом кристаллизации; выращивание легированных монокристаллов. Исходным сырьем для большинства изделий микроэлектронной промышленности служит электронный кремний. Первым этапом его получения является изготовление сырья, называемого техническим (металлургическим) кремнием.