Классификация полупроводниковых веществ
Классификацию полупроводниковых материалов проводят по различным признакам. Наиболее широко применяется классификация, в основу которой положен химический состав материала. В соответствии с этим различают органические и неорганические полупроводники. В свою очередь неорганические полупроводниковые материалы делятся на простые и сложные. Простыми называют полупроводники, состоящие, в основном, из атомов одного химического элемента, например: бор (B), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Gе), мышьяк (Аs), оловоα (Sn), сурьма (Sb), селен (Sе), теллур (Те). Сложными называют полупроводники, состоящие из атомов двух или большего числа химических элементов, например: соединения типа AIV– ВIV (сульфид свинца (РbS), теллурид свинца (РbТе)); AII–ВIV (сульфид кадмия (СdS); селенид кадмия (СdSe); окись цинка (ZnO); сульфид цинка (ZnS)); AIII–ВV (антимонид алюминия (АlSb); антимонид галлия (GаР); арсенид галлия (ПаAs); фосфид галлия (GаР); антимонид индия (InSb); арсенид индия (InAs); фосфид индия (InР)).
Кроме неорганических веществ полупроводниковыми свойствами обладают также и некоторые органические вещества, такие как бензол, нафталин, графен и т. д.
В зависимости от агрегатного состояния вещества различают кристаллические, аморфные и жидкие полупроводники.
Иногда в качестве отдельных классов рассматривают очень узкозонные полупроводники, оксидные полупроводники, магнитные полупроводники и т.д., учитывая специфичность физических процессов, в них протекающих.
Электронные и дырочные полупроводники
Электронная проводимость.
Одни полупроводники, например: окислы алюминия, цинка, титана и др., обладают подобно металлам электронной проводимостью и называются полупроводниками типа n (от слова negative – отрицательный), так как в них ток представляет собой перемещение электронов, т. е. отрицательно заряженных частиц. В этих полупроводниках имеется большое количество полусвободных электронов, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки.
Дырочная проводимость.
Полупроводники второго типа, к которым относятся закись меди, селен и другие вещества, обладают так называемой дырочной проводимостью и называются полупроводниками тина р (от слова positive – положительный). Электрический ток в них следует рассматривать как перемещение положительных зарядов. В полупроводниках типа р полусвободных электронов нет. Поэтому в них электроны не могут двигаться так, как в полупроводниках типа n. Атом полупроводника типа р под влиянием тепловых или других воздействий может потерять один из более удаленных от ядра электронов. Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона.
Метод зонной плавки
Зонная плавка (зонная перекристаллизация) – метод очистки твёрдых веществ, основанный на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах. Метод является разновидностью направленной кристаллизации, от которой отличается тем, что в каждый момент времени расплавленной является некоторая небольшая часть образца. Такая расплавленная зона передвигается по образцу, что приводит к перераспределению примесей. Если примесь лучше растворяется в жидкой фазе, то она постепенно накапливается в расплавленной зоне, двигаясь вместе с ней. В результате примесь скапливается в одной части исходного образца. По сравнению с направленной кристаллизацией этот метод обладает большей эффективностью. Метод был предложен В. Дж. Пфанном в 1952 году и с тех пор завоевал большую популярность. В настоящее время метод используется для очистки более 1500 веществ.
Схема устройства для зонной плавки в лодочке приведена на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 – Схема устройства для зонной плавки германия:
1 – индукционные катушки; 2 – расплавленные зоны; 3 – очищенный германий; 4 – сверхчистый германий; 5 – германий с повышенным содержанием примесей; 6 – графитовая лодочка
Очищаемое вещество помещают в лодочку из тугоплавкого материала. Основные требования к материалу лодочки:
- высокая температура плавления;
- материал лодочки не должен растворяться в очищаемом веществе или реагировать с ним.
Лодочку помещают в горизонтальную трубу, у которой один конец может быть запаян или через него подают инертный газ. Если он запаян, то другой конец трубы соединен с вакуумной установкой.
Один конец образца расплавляется, затем расплавленная зона начинает двигаться вдоль слитка.
Длина расплавленной зоны зависит от длины слитка и составляет несколько сантиметров. Вещество плавится либо индукционными токами, либо теплопередачей в печи сопротивления. Скорость движения составляет, как правило, от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час. Движение может осуществляться либо за счет вытягивания лодочки через неподвижную печь, либо смещением зоны нагрева. Иногда для повышения эффективности увеличивают число проходов зоны или число зон. Распределение примеси характеризуется коэффициентом распределения, который равен
где С S – концентрация примеси в жидкой фазе,
С L – концентрация примеси в твердой фазе.
Иногда вместо коэффициента распределения K используют коэффициент разделения α, который равен
.
Примеси, для которых коэффициент распределения K<1, концентрируются в расплавленной зоне и вместе с ней перемещаются к концу слитка. С другой стороны, от расплавленной зоны образуются слои вещества, более чистого относительно примесей, для которых K<1. Те примеси, для которых K>1, наоборот, концентрируются в начале слитка. Если осуществить многократное прохождение расплавленной зоны, то примеси с K<1 соберутся в конце слитка. Для примесей с К>1 метод мало эффективен. Самые чистые части слитка (из середины) используются для изготовления приборов. Таким методом можно очистить германий до образцов с удельным сопротивлением порядка 70 [Ом*см], в которых остается примерно один атом примеси на 1010 атомов германия.
Если расплав вступает в реакцию с материалом тигля (лодочки), или очищаемое вещество имеет высокую температуру плавления (>1500 °C), применяют бестигельную зонную плавку.
Метод обладает рядом недостатков. Основной недостаток – невозможность масштабирования, так как скорость процесса определяется скоростью диффузии примеси. Поэтому метод применяется для конечной стадии очистки при получении особо чистых веществ. Максимальные габариты лодочки – длина 50 см, толщина 2-3 см, длина расплавленной зоны
5 см.
Метод Чорхальского
Метод Чохральского – метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.
Может использоваться для выращивания кристаллов элементов и химических соединений, устойчивых при температурах плавления-кристаллизации.
На рисунке 4.3 показана схема установки для выращивания монокристаллов из расплава по методу Чохральского.
За время промышленного использования (с 1950-х годов) были разработаны различные модификации метода Чохральского. Так, для выращивания профилированных кристаллов используется модификация метода Чохральского, называемая методом Степанова. Модификация наиболее известна применительно к выращиванию сапфира и кремния.
Рисунок 4.3 – Схема установки для выращивания монокристаллов:
1 – затравка; 2 – монокристалл; 3 – высокочастотный редуктор;
4 – расплав; 5 – тигель из плавленого кварца; 6 – графитовая оболочка (нагреватель)
В иностранной литературе для обозначения материалов, полученных методом Чохральского, а также для самого технологического процесса и оборудования, используемого для выращивания слитков этим методом, используется аббревиатура «CZ» (отангл. CZochralskiZone– ср. с FZ –FloatZone). Например: англ. «CZ-puller» или нем. «DieOfenfür CZ-Kristallzuechtung» установка для выращивания материала методом Чохральского), «CZ-ingot» (кристалл, выращенный методом Чохральского) и т.д.
Вопросы к модулю:
1. Виды и электрические свойства полупроводников
2. Зонная теория твёрдых тел
3. Классификация полупроводниковых веществ
4. Перечислить основные полупроводниковые материалы
5. Германий
6. Кремний
7. Селен
8. Карбид кремния
9. Понятие собственной проводимости полупроводников
10. Понятие примесной проводимости полупроводников
11. Получение полупроводников
12. Метод зонной плавки
13. Метод Чохральского
14. Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых резисторов
5 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Магнитные свойства атома
Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами ионов, атомов и молекул. В свою очередь, магнитные свойства атомов зависят от собственных магнитных моментов ядерных нуклонов и электронов.
Магнитные свойства атомов также сходны в случае элементов с аналогичными внешними электронными оболочками. Атомы с целиком заполненными электронными оболочками, в частности атомы инертных газов и щелочноземельных металлов, не обладают магнитными моментами вследствие компенсации для любой заполненной оболочки всех моментов (орбитальных и спиновых) отдельных электронов. Для частично заполненных оболочек такой компенсации, как правило, не происходит атомы, обладающие подобными оболочками, имеют магнитные моменты и являются парамагнитными. Все атомы обладают диамагнетизмом, который обусловлен появлением у них магнитного момента под действием магнитного поля
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 271; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!