Физико-химические и электрические свойства. Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокими твердостью и хрупкостью
Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокими твердостью и хрупкостью. Подобно кремнию он кристаллизуется в структуре алмаза, элементарная ячейка которого содержит восемь атомов.
Постоянная решетки германия а=0,566 нм. Атомы в узлах решетки Ge удерживаются за счет равноценных ковалентных связей. Число атомов Ge в единице объема составляет 4,45.1028 атом/м3. Кристаллический германий тверд, хрупок, серовато-белого цвета с характерным металлическим блеском. Его Тпл составляет 936°С. При комнатной температуре концентрация собственных носителей заряда составляет 2,5.1019 м–3, а удельное сопротивление, обусловленное собственной электропроводностью, равно ~ 0,68 Ом·м. Таким образом, у Ge концентрация собственных носителей заряда на три десятичных порядка больше, а собственная удельная электропроводность на четыре десятичных порядка выше, чем соответствующие характеристики у Si. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При температурах ниже 5,4 К и давлениях выше 11 ГПа германий переходит в сверхпроводниковое состояние. Для видимого света Ge непрозрачен. Однако, для ИК- лучей, начиная с длины волны 1,8 мкм, Ge становится относительно прозрачным. При нагревании на воздухе до температур выше 650С он окисляется с образованием двуокиси – GeO2. Из-за нестабильности свойств собственный окисел на поверхности германия, в отличие от собственного окисла кремния, не может служить надежной защитой материала при проведении процессов планарной технологии (фотолитографии и локальной диффузии).
|
|
|
При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной серной кислотах. Активными растворителями германия в нормальных условиях являются: смесь азотной и плавиковой кислот, раствор перекиси водорода и травители, содержащие в своем составе окисляющие реагенты.
Германий обладает очень малым давлением насыщенного пара при температуре плавления, что облегчает технику кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Даже в расплавленном состоянии германий практически не взаимодействует с графитом и кварцевым стеклом, что позволяет использовать их в качестве тиглей и лодочек при проведении металлургических процессов. Жидкий германий способен интенсивно поглощать водород, причем водород является электрически нейтральной примесью.
Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. Процесс введения примесей в основной материал называют легированием. В качестве доноров и акцепторов наиболее часто используют элементы V и III групп Периодической системы. В качестве акцепторной примеси используют элементы III группы периодической системы Менделеева: галлий Ga, индий In, алюминий Аl. Для создания донорных уровней применяют элементы V группы: мышьяк As, сурьму Sb, висмут Bi, фосфор Р, а также элемент I группы – литий Li.
|
|
|
Данные элементы образуют с германием твердые растворы с весьма ограниченной растворимостью (доли атомного процента). Влияние примесей, создающих глубокие уровни, относительно слабо сказывается на электрической проводимости германия, но они могут играть важную роль в процессах рекомбинации и фотопроводимости. В нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси.
В технологии изготовления микроэлектронных структур весьма распространенным процессом является диффузия электрически активных примесей в полупроводник. Ускоренная диффузия некоторых примесей может приводить к необратимым изменениям характеристик полупроводниковых приборов в процессе их эксплуатации.
Между коэффициентами диффузии и растворимостью примесей в германии существует определенная взаимосвязь: чем больше растворимость, тем меньше коэффициент диффузии. Чем менее устойчиво состояние, тем выше скорость диффузии. Физическая сущность такого явления вытекает из кинетики теплового движения дефектов в кристаллах.
|
|
|
Поскольку в германии полезные примеси III и V групп, специально вводимые в полупроводник для придания ему необходимых свойств, диффундируют очень медленно, а некоторые нежелательные примеси (особенно медь) диффундируют быстро, то при термообработке германия надо принимать меры, исключающие проникновение вредных примесей.
Термообработка германия может приводить к существенному изменению его электрических свойств. Taк, если образец n-типа нагреть до температуры выше 550°С, выдержать некоторое время, а затем быстро охладить (закалить), то можно наблюдать изменение типа электропроводности полупроводника. Аналогичная термообработка германия р-типа приводит к снижению удельного сопротивления без обращения типа электропроводности. Отжиг закаленных образцов при температуре 500–5500 С восстанавливает не только тип электропроводности, но и первоначальное значение удельного сопротивления.
Плавление германия сопровождается резким изменением его электрических свойств. В расплавленном состоянии германий имеет удельное сопротивление (ρ=6,5·10–7 Ом·м), близкое к удельному сопротивлению жидких металлов, например ртути. Благодаря этому облегчается индукционный разогрев германия токами высокой частоты при проведении процессов металлургической очистки и выращивания монокристаллов.
|
|
|
Применение германия
Промышленность выпускает разнообразные марки германия, отличающиеся по типу электропроводности, природе легирующей примеси, величине удельного сопротивления, размерам слитка и другим параметрам. Маркировка монокристаллического германия для полупроводниковых приборов состоит из трех заглавных букв. Например, ГЭС, ГДГ, которые означают: Г–германий, Э–электронная проводимость, С–легированный сурьмой, Д–дырочная проводимость, Г– легированный галлием. Кроме этих заглавных букв, проставляют еще цифры и прописные буквы, которые указывают номинал удельного сопротивления, величину его разброса, группу по плотности дислокаций, кристаллографическую ориентацию и другие параметры.
На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов (особенно выпрямительных плоскостных диодов и сплавных биполярных транзисторов). Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0,3 до 1000 А при падении напряжения не более 0,5 В. Недостатком таких диодов являются невысокие допустимые обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низкочастотными и высокочастотными, мощными и маломощными. Нанесение пленочной изоляции из SiО2 позволяет изготавливать германиевые транзисторы по планарной технологии.
Германий используется также для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов, варикапов, точечных высокочастотных, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Примеси золота создают в германии неэффективные центры рекомбинации.
Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.
Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов, фотодиодов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн, счетчиков ядерных частиц.
Рабочий диапазон температур германиевых приборов –60°+70°С. Невысокий верхний предел рабочей температуры является существенным недостатком германия.
Кремний
В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержится 29,5% (по массе). Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина также представляют собой соединения кремния. Наиболее распространенным соединением этого элемента является двуокись кремния SiО2.
Свободная двуокись кремния встречается в основном в виде минерала кварца. В ряде месторождений чистота кварцевого песка достигает 99,9%. Кремний в свободном состоянии в природе не встречается. В элементарном виде он впервые был получен в 1811 г. намного раньше германия, однако как материал полупроводниковой электроники нашел широкое применение лишь во второй половине прошлого столетия, после разработки эффективных методов его очистки.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1260; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!