Реферат: Алмазоподобные полупроводники

Саратовский государственныйтехнический университет

Кафедра Электронногомашиностроения

КУРСОВАЯ РАБОТАНа тему:АЛМАЗОПОДОБНЫЕПОЛУПРОВОДНИКИ.Получение,свойства, области применения.

Выполнил :

студент IIкурса гр.

ЭПУ-21

Горев Александр

Проверил:

Доцент Котина Н.М.

Саратов. 2003 г.

РЕФЕРАТ

Ключевые слова

:

Полупроводник,неорганический полупроводник, органический полупроводник, кристаллическийполупроводник, аморфный полупроводник, магнитный и немагнитный полупроводники,твердый раствор, алмазоподобный полупроводник,кристаллическая структура, донорно-акцепторная связь, электронно-дырочныйпереход, инжекционная электролюминесценция, инжекционный лазер.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

:

Изучитьполучение, физические и химические свойства, области применения, строение иклассификацию полупроводниковых материалов и алмазоподобныхполупроводников.

СОДЕРЖАНИЕ

1.

Реферат

2.Цель работы

3.Содержание

4.Введение

5.Основная часть

а)Классификация полупроводниковыхматериалов

б)Полупроводниковые соединения типа АIIIВ V

в)Физико-химические и электрическиесвойства

г)Применение полупроводниковыхсоединений типа АIII ВV

д)Строение и химическая связь полупроводниковых соединений типа АII ВVI

е)Применение полупроводниковых соединений типа АII ВVI

ж)Твердые растворы на основе соединенийАIII ВV

6.Заключение

7.

Списокиспользованной литературы

Введение.

Изобретение радио великим русским учёнымА.С. Поповым открыло новую эру в развитии науки и техники. Чтобы обеспечитьразвитие радиоэлектроники, потребовалось огромное количество радиодеталей ирадиокомпонентов. В послевоенное десятилетие резисторы, конденсаторы,индуктивные катушки, электронные лампы и полупроводниковые приборы сталиизготовляться в миллионных и миллиардных количествах. Собираемая из разнородныхдеталей электронная аппаратура во многих случаях была громоздкой, тяжелой и недостаточно надёжной. Так, средний телевизор содержал порядка тысячирадиодеталей и электронных приборов, занимая объем около 20 литров.

В настоящее время, с использованиемсовременных методов обработки и получения материалов, удаётся на подложке в 1квадратный сантиметр разместить до 600 000 функциональных элементов, но и этотеоретически ещё не предел.

Классификация полупроводниковых материало

в.

Полупроводники представляют собой весьмамногочисленный класс материалов. В него входят сотни самых разнообразныхвеществ – как элементов, так и химических соединений. Полупроводниковымисвойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества,кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотряна существенные различия в строении и химическом составе, материалы этогокласса роднит одно замечательное качество- способность сильно изменять своиэлектрические свойства под влиянием небольших внешних энергетическихвоздействий. Одна из возможных схем классификации полупроводниковых материалов приведена на рис.1

<img src="/cache/referats/15138/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">Рис. 1 Классификацияполупроводниковых

материалов по составу и свойствам.

Полупроводниковымисвойствами обладают и некоторые модификации олова и углерода.

Последнийсуществуют двух аллотропных формах – алмаз и графит.Графит по электрическим свойствам близок к проводникам (ΔЭ

<0,1 эВ), а чистые алмазы являются диэлектриками.Однако искусственные алмазы за счет вводимых примесей приобретают свойстваполупроводников.

Весьма обширна группаполупроводниковых неорганических соединений, которые могут состоять из двух,трех и большего числа элементов. В качестве примеров таких соединений можнопривести InSb, Bi 2 Te3, ZnSiAs2, CuAlS2 , CuGe2P3. Кристаллическая структура многихсоединений характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как это имеетместо в решетки алмаза. Такие полупроводниковые соединения получили название алмазоподобныхполупроводников. Среди них наибольший научный и практический интереспредставляют бинарные соединения типа AIIIВV и AIIBVI , которые в настоящее время являютсяважнейшими материалами полупроводниковой оптоэлектроники.

Большинство алмазоподобныхполупроводников с родственными свойствами образуют между собой изовалентныетвердые растворы. В твердых растворах путем изменения состава можно плавно и вдостаточно широких пределах управлять важнейшими свойствами полупроводников, в частности,шириной запрещенной зоны и подвижностью носителей заряда. Это открываетдополнительные возможности для оптимизации параметров полупроводниковыхприборов, позволяет добиться лучшего согласования физических характеристикразличных компонентов электронной аппаратуры.

Для изготовления полупроводниковыхприборов используют как монокристаллы, так и поликристаллические материалы.Монокристаллы представляют собой более простые системы, с более совершеннымстроением, чем поликристаллические материалы. Они наиболее глубоко изучены,физические явления в них лучше поддаются расчетам, и они обеспечивают большуюнадежность и идентичность параметров полупроводниковых приборов.

В механизме электропроводностиаморфных неорганических и кристаллических органических полупроводников выявленряд особенностей. Интерес к органическим полупроводникам вызван тем, что внекоторых из них полупроводниковые свойства сочетаются с эластичностью, котораяпозволяет изготавливать рабочие элементы в виде гибких лент и волокон.

Полупроводниковые соединения типа АIIIВ V.

Кристаллическая структура ихимическая связь. Соединения А IIIВV являются ближайшими электронными аналогамикремния и германия. Они образуют в результате взаимодействия элементов III-б подгруппыПериодической таблицы (бора, алюминия, галлия, индия) с элементами V-б подгруппы(азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединенийрассматриваемого ряда. Соединения АIIIВV принято классифицировать по металлоидномуэлементу. Соответственно, различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды.

За исключением нитридов всесоединения АIIIВVкристаллизуются в решетке цинковой обманки кубического типа (сфалерит). Длянитридов характерна структура гексогонального типа (вюрцит). В решетке того и другого типов каждый атомэлемента IIIгруппы находится в тетраэдрическом окружении четырех атомов элемента Vгруппыи наоборот. Структура сфалерита в отличие от структуры алмаза не имеет центрасимметрии. Эта особенность приводит к различию в свойствах поверхностей (111) и(111), целиком сложенных из разноименных атомов. Различное поведение гранейпроявляется при травлении, окислении и при выращивании кристаллов.

Длясоединений А В характерен особый тип химической связи, называемый донорно — -акцепторной. Из четырех ковалентных связей,которыми каждый атом встраивается в решетку, три образуются обобществлениемвалентных электронов атомов АIIIи ВV, а четвертая связьосуществляется неподеленной парой валентныхэлектронов атомов ВVОбразование этой связисоответствует энергетически выгодному переходу электронов от атома ВVвэнергетическое состояние, общее для донора (атомов ВV)и акцептора (атома АIII).

В каждой ковалентной связи максимум электроннойплотности смещен в сторону атома с более высокой электроотрицательностью, т.е. электронные облака стянуты к узлам решетки, где находятся атомы ВV.Благодаря такой поляризации связей атомы АIII приобретают некоторый эффективныйположительный заряд, а атомы ВV–отрицательный. Величинаэтого эффективного заряда (± g) определяет степень ионности соединения, которая закономерно изменяется припереходе от одного соединения к другому в соответствии с положением химическихэлементов в Периодической таблице Д. И. Менделеева.

Физико-химическиеи электрические свойства. Полупроводниковые соединения АIIIВVобразуют гомологический ряд, в котором наблюдаетсязакономерное изменение многих свойств при изменении атомных номеровкомпонентов. Эти закономерности можно проследить с помощью табл.1

Соединение

Период

Решетки

×10, нм

Плот-

ность

Мг/м2

Темпе-

ратура

плавле-

ния,

0С

Твер-

дость**

Аl×106,

К-1**

Шири-

на запр.

зоны.эВ

Подви-

жность

электро-

нов,

Подви-

жность

дырок,

м2/(В×с)

Показа

тельпрелом-

ленияпри

hν= ∆Э

Прони-

цае-

мость

***

ВN(куб)

АlN

GaN

<st1:place w:st=«on»>InN</st1:place>

3,615

3,110

(а)

4,975

(с)

3,186

(а)

5,176

(с)

3,540

(а)

5,704

(с)

3,49

3,28

6,11

6,91

3000

2400

1700

1100

6,1

5,65

6,0

5,88

3,40

1,95

0,03

2,1

2,2

2,4

2,9

7,1

9,1

12,2

AlP

GaP

InP

5,463

5,451

5,869

2,37

4,07

4,78

2000

1467

1070

5,5

4,2

5,9

4,6

2,45

2,26

1,35

0,008

0,019

0,46

0,003

0,012

0,015

3,0

3,45

9,8

11,1

12,4

AlAs

GaAs

InAs

5,661

5,653

6,058

3,60

5,32

5,67

1770

1237

942

4,5

5,2

6,4

5,3

2,16

1,43

0,36

0,028

0,95

3,3

0,045

0,046

3,2

3,65

3,52

10,1

13,1

14,6

AlAb

GaSb

InSb

6,136 6,096 6,479

4,28 5,65 5,78

1060 710

525

4,8 4,5 3,8

4,2 6,2 4,9

1, 58

0, 72 0,18

0, 02

0, 4

7,8

0,055 0,14 0,075

3,4

3,8

4,0

14,4 15,7

17,7

*

-твердость поминералогической шкале

**

-температурный коэффициент линейного расширения

***

-низкочастотная диэлектрическая проницаемость

Диаграммысостояния систем АIII–ВVимеют однотипный электрический характер. Полиморфизма не наблюдается вплоть доточки плавления. В большинстве случаев эвтектика вырождена в сторонулегкоплавкого компонента. Точки плавления лежат выше соответствующих температурплавления элементов, из которых состоит соединение, за исключением антимонидаиндия, температура которого (5250С) лежит между температуройплавления сурьмы (6300С) и индия (1570С).

За исключением антимонидов, всесоединения АIIIВVразлагаются принагревании, причем разложение происходит по схеме:

АIIIВV →

АIII(ж) + ½ ВV2(газ)

Равновесное давление насыщенного пара, состоящегопрактически из молекул компонента В, растет с повышением температуры и в точкеплавления достигает значений 104– 105 Па для арсенидов и106 – 107 Па – для фосфидов.

Внутри каждой группысоединений-аналогов наблюдается уменьшение ширины запрещенной зоны с ростомсуммарного атомного номера и атомных масс, входящих в соединение элементов. Этообъясняется более сильным размытием «электронных облаков» ковалентных связей помере движения вниз по Периодической таблице, благодаря чему усиливаетсяметаллический характер связи. Одновременно с ослаблением ковалентных химическихсвязей снижаются температура плавления и твердость материала, т.е.полупроводник становится более пластичным, приближается по своим механическимсвойствам к металлам.

Подвижность носителей заряда в полупроводниках АIIIВVограничивается в основном рассеянием электронов и дырок на оптических тепловыхколебаниях решетки, под которыми следует понимать противофазное смещениесоседних атомов. Поскольку атомы АIIIи ВVобладаютнекоторым ионным зарядом, то их противофазное смещение приводит к появлениюдипольного момента, являющегося эффективным центром рассеяния электронов идырок. Чем больше разность электроотрицательностейэлементов, образующих соединение, тем сильнее выражена ионная составляющаяхимической связи. Соответственно возрастает рассеяние на оптических колебанияхи уменьшается подвижность носителей заряда.

В ряду ковалентных полупроводников подвижность электроноврастет при переходе от алмаза к кремнию и далее к германию, т.е. приближенноможно считать, что подвижность носителей заряда увеличивается с ростом атомноймассы. Аналогичная зависимость, более отчетливо выраженная для электронов, чемдля дырок, имеет место и в соединениях АIIIВV.Увеличение атомной массы компонентов ведет к уменьшению амплитуды тепловыхколебаний атомов, что, в свою очередь приводит к уменьшению рассеяния носителейзаряда на этих колебаниях. А так как в том же направлении происходит ослаблениеионной составляющей связи, то подвижность носителей заряда резко возрастает.Среди всех полупроводников антимонид индия обладает рекордно высокойподвижностью электронов. Абсолютное значение подвижности электронов длябольшинства соединений существенно превышает подвижность дырок. Исключениесоставляет только антимонид алюминия, у которого подвижность дырок почти в трираза превышает подвижность электронов.

Вследствие большого различия в значениях подвижностейэлектронов и дырок в InSb, InAs, InPи GaAsих собственное удельное сопротивление практическиполностью определяется движением электронов. При фиксированной температуреминимальная удельная проводимость в этих материалах наблюдается у образцов

р-типавобласти смешанной электропроводности.

Примесии дефекты структуры. Большинство соединений АIIIВVхарактеризуется незначительными отклонениями от стехиометрического состава,поэтому они относительно просты по механизму легирования, в них легкоформируются электронно-дырочные переходы. Как правило, введение избытка одногоиз компонентов в среду кристаллизации не складывается существенно наэлектрофизических свойствах материала. Исключение составляют нитриды, в которыхвозникают трудности с инверсией типа электропроводности. В частности, нитридгаллия независимо от условий получения кристаллов всегда проявляетэлектропроводность н-типа.

Примеси замещения в кристаллической решетки соединенийАIIIВVраспределяются таким образом, чтобы не возникало центров с большим избыточнымзарядом. Поэтому примеси элементов IIгруппы-Ве, Mg, Znи Cd, образующие твердые растворы замещения, всегдазанимают в решетке АIIIВVузлы металлического компонента и при этом являютсяакцепторами, благодаря меньшей валентности по сравнению с валентностьюзамещаемых атомов. В тоже время примесиэлементов VIгруппы-S, Se, Te — всегда располагаются в узлах ВVи играют роль доноров. Более сложным характеромотличается поведение примесей элементов IVгруппы. Поскольку в этом случае при замещении атомоводной из двух подрешеток имеется избыток или недостаток лишь одного валентногоэлектрона, то атомы примесей IVгруппы могутзанимать как узлы А так и В, проявляя при этом донорныеили акцепторные свойства соответственно. Замещение должно сопровождатьсянаименьшей деформацией кристаллической решетки. Поэтому критерием донорного или акцепторного действия примесей может служитьсоответствие размеров замещающего и замещаемого атомов.

В большинстве случаев атомы примесей элементов IVгруппы локализуется в одной из подрешеток. Например,в антимониде индия кремний и германийзамещают только атомы сурьмы и являются только донорами. Однако в некоторыхсоединениях наблюдается амфотерное поведение этих примесей. Так, в арсениде ифосфиде галлия наблюдается парное вхождение атомов кремния и германия вкристаллическую решетку соединения с одновременным замещением узлов АIIIи ВV. Взависимости от степени легирования, температуры роста и состава кристаллическойсреды имеет место преимущественное вхождение этих примесей в ту или инуюподрешетку.

Примеси элементов III-б и V-б подгрупп обычно замещают соответственно атомыА IIIи ВV в решетке соединения, образуя нейтральныецентры. Растворимость этих элементов в большинстве случаев столь велика, чтоудается получать кристаллы твердых растворов во всем диапазоне концентраций.

Примеси элементов переходной группы(Fe, Co, Niи т.п.) создают в полупроводниках АIIIВVглубоколежащие энергетические уровни акцепторного типа и являются эффективнымирекомбинационными ловушками. Легирование арсенида галлия железом или хромомиспользуется для получения кристаллов с высоким удельным сопротивлением (до 102Ом×м). Такой материал называют полуизолирующим.

В полупроводниках с высокойподвижностью электронов (InSb, InAs, GaAs) энергия ионизации мелких доноров (S, Se, Te, Sn) составляет лишь всего от одной до несколькихтысячных долей электронвольта.

Существенной особенностью процессадиффузии в полупроводниках АIIIВVявляется его зависимость от давления паров летучегокомпонента группы ВV,которое определяет концентрацию дефектов в решетке. Для получениявоспроизводимых результатов диффузию большей частью проводят в запаяннойампуле, в которую кроме легирующего компонента помещают навеску фосфора имышьяка. Установлено, что в арсениде галлия с ростом давления паров мышьякакоэффициент диффузии акцепторных примесей уменьшается, а донорныхувеличивается. Это связано с тем, что с ростом давления мышьяка уменьшаетсяконцентрация вакансий мышьяка в кристаллической решетке и увеличиваетсяконцентрация вакансий галлия. Соответственно смещается равновесие междуколичеством примесных атомов, находящихся в узлах и междуузлиях.Аналогичные закономерности имеют место и в других полупроводниках типа АIIIВV.

Доноры в соединениях типа АIIIВVхарактеризуются крайне низкими значениями коэффициентов диффузии. Чтобыпроникновение доноров достигало измеримых размеров, необходимы высокаятемпература (в пределах 200-3000С от точки плавления основноговещества) и продолжительное время диффузии. Это приводит к нарушению (эрозии) поверхностииз-за переноса летучего элемента Vгруппы подвлиянием небольших градиентов температуры внутри ампулы. Кроме того, диффузиятаких доноров, как S, Seи Te, осложняетсяобразованием на поверхности полупроводника слоя сложного фазового состава (химическихсоединений типа Ga2S3).

На практике при формировании р-п-структуриспользуется лишь диффузия цинка, который является акцепторной примесью иобладает достаточно высокой растворимостью в полупроводниках типа АIIIВV.Температурная зависимость коэффициента диффузии (в м2/с) цинка варсениде галлия определяется выражением

DZn=15exp [ -2,49 эВ/(kT)].

Чтобы снизить поверхностнуюконцентрацию акцепторов, диффузию цинка в GaAsчасто проводят через тонкий слой SiO2,наносимый на поверхность пластин. Для диффузии цинка в GaPв качестве источника легирующей примеси с успехомприменяют ZnP2, который помещают в ампулу вместе с пластинамифосфида галлия.

Большими коэффициентами диффузии вполупроводниках типа АIIIВVобладают элементы Iгруппы, особенно медь. Малая энергия активизациипроцесса диффузии этих примесей указывает на междуузельныймеханизм их миграции в кристаллической решетке соединения.

Рекомбинацияносителей заряда. Ценным свойством многих полупроводников типа АIIIВVявляетсявысокая эффективность излучательной рекомбинации неравновесных носителейзаряда. Для генерации излучения в видимой области спектра ширина запрещеннойзоны полупроводника должна превышать 1,7 эВ. Из соединений типа АIIIВV,освоенных в технологическом отношении, этому условию удовлетворяют фосфидгаллия GaPинитрид галлия GaN.Материалы с более узкой запрещенной зоной способны эффективно излучать винфракрасной области. К их числу относится, в частности, арсенид галлия,имеющий ∆ Э = 1,43 эВ. Излучение фотонов в GaAsпроисходит в результате прямой межзонной рекомбинацииэлектронов и дырок. Эффективная люминесценция в GaNи GaPвозникает лишь при введении специальных примесей.Так, при легировании нитрида галлия цинком в зависимости от концентрациипоследнего можно получить рекомбинационное излучение в желтой, зеленой илиголубой областях спектра. В фосфиде галлия наиболее интенсивная люминесценцияобусловлена рекомбинацией с участием изоэлектронных ловушек. Роль таких ловушекиграют атомы азота или нейтральные комплексы Zn– O. Последниеобразуются в том случае, когда атомы цинка (мелкого акцептора) и кислорода(глубокого донора) занимают соседние узлы в решетке GaP. Изоэлектронные ловушки азота вызывают люминесценциюфосфида галлия в зеленой области спектра, а комплексы Zn– Oответственныза красное излучение. ответственны закрасное излучение. Наибольший практический интерес представляет инжекционнаяэлектролюминесценция, возбуждаемая при прямом включении р-н-переходов.

Применениеполупроводниковых соединений типа АIIIВV.Многообразие свойств полупроводников типа А В обуславливает их широкоеприменение в приборах и устройствах различного технического назначения. Особыйинтерес к этой группе материалов был вызван потребностями оптоэлектроники вбыстродействующих источниках иприемниках излучения. Инжекционные лазерыи светодиоды на основе полупроводников типа А В характеризуется высокойэффективностью преобразования электрической энергии в электромагнитноеизлучение. Существенными преимуществами таких приборов являются малыегабаритные размеры, простота конструкции, возможность внутренней модуляцииизлучения путем изменения управляющего напряжения, совместимость с элементамиинтегральных микросхем по рабочим параметрам и технологическим операциям.

Благодаря этому полупроводниковые лазеры и светодиодыс успехом используются в вычислительной информационно-измерительной и обороннойтехнике, в космонавтике и технике связи, а также в бытовой аппаратуре. Арсенидгаллия явился первым полупроводником, на котором в 1962 г. Был созданинжекционный лазер, т.е. осуществлена генерация когерентного излученияс помощью р-н-перехода.Лазерный эффект возникает лишь в случае, если плотность тока через р-н-переходпревышает некоторое пороговое значение.

Сопоставление эффективностилюминесценции различных материалов показывает, что квантовый выход растет сувеличени