Элементы, обладающие свойствами полупроводников

Из девяти элементов, обладающих свойствами полупроводников (см. табл. 8-2), рассмотрим те, которые получили наибольшее рас­пространение в технике.

Исторически элемент германий определил научно-техническую революцию в полупроводниковой электронике, однако кремний быстро завоевал первое место как в дискретных приборах, так и

в микросхемах.

Германий. Содержание германия в земной коре невелико, около 7-Ю"4 %. В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших опера­ций переводят в диоксид германия (GeO2) — порошок белого цвета. Диоксид германия восстанавливается в водородной печи при тем­пературе 650—700 °С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. В некоторых случаях порошок германия получают непосредственно из GeCl4 путем разложения этого соеди­нения при высокой температуре в атмосфере паров цинка. Порошок германия подвергают травлению в смеси кислот и сплавляют в слитки. Слитки германия используют в качестве исходного мате-риала\для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же для непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из расплава (метод Чохральского).

При зонной плавке слиток германия 5 обычно помещают в графи­товую лодочку 4, заключенную в кварцевую трубу 1, по которой непрерывно проходит инертный газ (рис. 8-12). При помощи витка высокочастотного контура 2 получают узкую зону плавления 6, которая медленно перемешается вдоль очищаемого образца, так как виток двигается вместе с кареткой 5. Для ускорения процесса очи-

Рис. 8-13. Зависимость удельного сопротивления германия р- и я-ти-пов от концентрации носителей за­ряда при 20 °С

стки используется не один виток, а несколько, что эк­вивалентно нескольким по­следовательным очисткам при одном нагревателе. В герма­нии в небольших концентра­циях обычно присутствуют Ni, Ca, Cu, Mn, As, Fe, Si. Большинство примесей об­ладает большей растворимостью в жидкой фазе германия, чем в твер­дой, и уносится с расплавленной зоной. Поэтому в результате очи­стки примеси концентрируются у одного конца слитка, от которого взтем отрезается загрязненная часть длиной 20—25 мм. Удельное сопротивление в остальной части слитка после многократного прохождения его расплавленными зонами может быть выше 0,5 Ом-м. Удельное сопротивление германия зависит от концентрации носителей, определяемой степенью очистки (рис. 8-13). Для получения монокристалла по методу вытягивания из расплава тщательно очищенный от приме­сей германий расплавляют в установке

Коэффициенты диффузии примесей уменьшаются при понижении температуры (рис. 8-16).

Германий, использующийся в производстве полупроводниковых приборов, подразделяется на марки, отличающиеся легирующими примесями, значением удельного сопротивления и диффузионной длины неосновных носителей заряда. Для изготовления полупровод­никовых приборов слитки германия распиливаются на пластинки, поверхность которых протравливается для устранения дефектов обработки.

Физические свойства германия приведены в табл. 8-3. Удельная проводимость германия с различной концентрацией мышьяка зави­сит от температуры. Из рис. 8-17 видны области температур, в кото­рых проявляются собственная и примесная составляющие электро­проводности германия. Кроме того, видно, что при большом содержа­нии примесей (кривая 6) имеем вырожденный полупроводник.

При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная про­водимость сначала почти не изменяется, а начиная g температуры 1100°С — падает. В момент плавления германия происходит увели­чение его плотности на 5—6 %. Спектральная зависимость фото-254

проводимости германия была показана на рис. 8-7. Максимум фотопроводимости достигается при X «1,5 мкм в области инфра­красной части спектра.

Германий применяется для изготовления выпрямителей перемен­ного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности, умножения двух величин в приборах вычислительной техники и т. д. бптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз g большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, моду­ляторов света и коротких радиоволн. Внутренний фотоэффект в гер­мании наблюдается и при поглощении средних и быстрых электронов, а также при торможении элементарных частиц больших масс. Так, при поглощении а-частицы отмечается импульс тока продолжитель­ностью около 0,5 мкс, соответствующий прохождению 106 электро­нов. Поэтому германий может быть использован и для изготовления счетчиков ядерных частиц. На рис. 8-18 приведена вольт-амперная характеристика мощного германиевого выпрямителя g воздушным охлаждением. Рабочий диапазон температур германиевых приборов от —60 до +70 °С; при повышении температуры до верхнего предела прямой ток, например у диодов, увеличивается почти в два раза, а обратный — в три раза. При охла­ждении до —(50—60) °С прямой ток падает на 70—75 %.

Германиевые приборы должны быть ^защищены от действия влаж­ности воздуха.

Кремний, как и германий, отно­сится к ковалентным кристаллам

четвертой группы таблицы Д. И. Менделееева и имеет кубическую решетку типа алмаза. Это один из наиболее распространенных элементов земной коры (около 30 %). Технический кремний (около одного процента примесей) получают в электрических печах вос­становлением его оксидов углеродсодержащими веществами. За­тем химическим путем образуют легколетучие хлористые соединения кремния, например трихлорсилан (SiHCl3), представляющий со­бой жидкость с температурой кипения около 32 °С. После тщатель­ной дополнительной очистки трихлорсилан с потоком водорода поступает в камеру восстановления, в которой на нагретые элек­трическим током до 1250 °С кремниевые стержни — затравки осе­дает чистый поликристаллический кремний. Процесс ведут до полу­чения нужного диаметра стержня (до 100 и более мм). Выращива­ние объемных монокристаллов кремния осуществляют методами вы­тягивания из расплава и бестигельной зонной плавки. При этом имеются трудности. Температура плавления кремния (см. табл. 8-3) значительно выше температуры плавления германия и близка к тем­пературе размягчения труб, изготовленных из кварцевого стекла. Из этих труб в стержень может попасть кислород и другие примеси. Кроме того, кремний реагирует с углеродом, а потому зонную плавку стержня приходится вести без графитовой лодочки и не в кварце­вых трубах, а в камерах из тугоплавких металлов. При вертикаль­ном расположении стержня в процессе бестигельной зонной плавки узкая расплавленная зона удерживается вследствие большого по­верхностного натяжения расплавлен­ного кремния и малой плотности этого вещества физические свойства кремния. Коэффициент диффузии различных примесей в кремнии возрастает с повышением температуры. В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлек­троники. При использовании кремния верхний предел рабочей тем­пературы приборов может составлять в зависимости от степени очистки материала 120—200 °С, что значительно выше, чем для германия.

Селен — элемент шестой группы таблицы Д. И. Менделеева. Его получают на заводах при электрической очистке меди. Селен существует в нескольких разновидностях — как аморфных, так и кристаллических, разных цветов. Физические свойства серого кри­сталлического селена гексагонального строения приведены в табл. 8-3.

Удельное сопротивление селена изменяется в очень широких пределах 1—1011 Ом-м и зависит от рода и концентрации приме­сей, температуры, освещенности. Селен обычно является дырочным полупроводником.

Примеси галогенов (хлор, бром, йод) уменьшают удельное со­противление селена, если концентрация этих примесей меньше по массе. При дальнейшем увеличении содержания этих прийесей сопротивление возрастает. Примеси теллура, ртути и ряда других металлов увеличивают сопротивление технически чистых образцов селена. Из селена изготовлялись фотоэлементы и выпря­мители. В настоящее время применение селена существенно сокра­тилось.

Вопрос 40