Алмазоподобные полупроводники - -*новый или неперечисленный*- - Скачать бесплатно
Саратовский государственный технический университет
Кафедра Электронного машиностроения
КУРСОВАЯ РАБОТА
На тему:
АЛМАЗОПОДОБНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ.
Получение, свойства, области применения.
Выполнил :
студент II курса гр.
ЭПУ-21
Горев Александр
Проверил:
Доцент Котина Н.М.
Саратов. 2003 г.
РЕФЕРАТ
Ключевые слова:
Полупроводник, неорганический полупроводник, органический полупроводник,
кристаллический полупроводник, аморфный полупроводник, магнитный и
немагнитный полупроводники, твердый раствор, алмазоподобный полупроводник,
кристаллическая структура , донорно-акцепторная связь, электронно-дырочный
переход, инжекционная электролюминесценция, инжекционный лазер.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Изучить получение, физические и химические свойства, области применения,
строение и классификацию полупроводниковых материалов и алмазоподобных
полупроводников.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Реферат
2. Цель работы
3. Содержание
4. Введение
5. Основная часть
а)Классификация полупроводниковых материалов
б)Полупроводниковые соединения типа АIII В V
в)Физико-химические и электрические свойства
г)Применение полупроводниковых соединений 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 соединений АIII ВV
6. Заключение
7. Список использованной литературы
Введение.
Изобретение радио великим русским учёным А.С. Поповым открыло новую
эру в развитии науки и техники. Чтобы обеспечить развитие радиоэлектроники,
потребовалось огромное количество радиодеталей и радиокомпонентов. В
послевоенное десятилетие резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки,
электронные лампы и полупроводниковые приборы стали изготовляться в
миллионных и миллиардных количествах. Собираемая из разнородных деталей
электронная аппаратура во многих случаях была громоздкой, тяжелой и не
достаточно надёжной. Так, средний телевизор содержал порядка тысячи
радиодеталей и электронных приборов, занимая объем около 20 литров.
В настоящее время, с использованием современных методов обработки и
получения материалов, удаётся на подложке в 1 квадратный сантиметр
разместить до 600 000 функциональных элементов, но и это теоретически ещё
не предел.
Классификация полупроводниковых материалов.
Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс
материалов. В него входят сотни самых разнообразных веществ – как
элементов, так и химических соединений. Полупроводниковыми свойствами могут
обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и
аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотря на
существенные различия в строении и химическом составе, материалы этого
класса роднит одно замечательное качество- способность сильно изменять свои
электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических
воздействий. Одна из возможных схем классификации полупроводниковых
материалов приведена на рис.1
[pic]Рис. 1 Классификация полупроводниковых
материалов по составу и свойствам.
Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые модификации олова и
углерода.
Последний существуют двух аллотропных формах – алмаз и графит. Графит по
электрическим свойствам близок к проводникам (?Э <0,1 эВ), а чистые алмазы
являются диэлектриками. Однако искусственные алмазы за счет вводимых
примесей приобретают свойства полупроводников.
Весьма обширна группа полупроводниковых неорганических соединений,
которые могут состоять из двух, трех и большего числа элементов. В качестве
примеров таких соединений можно привести InSb, Bi 2 Te3 , ZnSiAs2 , CuAlS2
, CuGe2P3 . Кристаллическая структура многих соединений характеризуется
тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в решетки алмаза.
Такие полупроводниковые соединения получили название алмазоподобных
полупроводников. Среди них наибольший научный и практический интерес
представляют бинарные соединения типа AIII ВV и AII BVI , которые в
настоящее время являются важнейшими материалами полупроводниковой
оптоэлектроники.
Большинство алмазоподобных полупроводников с родственными свойствами
образуют между собой изовалентные твердые растворы. В твердых растворах
путем изменения состава можно плавно и в достаточно широких пределах
управлять важнейшими свойствами полупроводников, в частности, шириной
запрещенной зоны и подвижностью носителей заряда. Это открывает
дополнительные возможности для оптимизации параметров полупроводниковых
приборов, позволяет добиться лучшего согласования физических характеристик
различных компонентов электронной аппаратуры.
Для изготовления полупроводниковых приборов используют как
монокристаллы, так и поликристаллические материалы. Монокристаллы
представляют собой более простые системы, с более совершенным строением,
чем поликристаллические материалы. Они наиболее глубоко изучены, физические
явления в них лучше поддаются расчетам, и они обеспечивают большую
надежность и идентичность параметров полупроводниковых приборов.
В механизме электропроводности аморфных неорганических и
кристаллических органических полупроводников выявлен ряд особенностей.
Интерес к органическим полупроводникам вызван тем, что в некоторых из них
полупроводниковые свойства сочетаются с эластичностью, которая позволяет
изготавливать рабочие элементы в виде гибких лент и волокон.
Полупроводниковые соединения типа АIII В V .
Кристаллическая структура и химическая связь. Соединения А III ВV
являются ближайшими электронными аналогами кремния и германия. Они образуют
в результате взаимодействия элементов III-б подгруппы Периодической таблицы
(бора, алюминия, галлия, индия) с элементами V-б подгруппы (азотом,
фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединений
рассматриваемого ряда. Соединения АIII ВV принято классифицировать по
металлоидному элементу. Соответственно, различают нитриды, фосфиды,
арсениды и антимониды.
За исключением нитридов все соединения АIII ВV кристаллизуются в
решетке цинковой обманки кубического типа (сфалерит). Для нитридов
характерна структура гексогонального типа (вюрцит). В решетке того и
другого типов каждый атом элемента III группы находится в тетраэдрическом
окружении четырех атомов элемента V группы и наоборот. Структура сфалерита
в отличие от структуры алмаза не имеет центра симметрии. Эта особенность
приводит к различию в свойствах поверхностей (111) и (111), целиком
сложенных из разноименных атомов. Различное поведение граней проявляется
при травлении, окислении и при выращивании кристаллов.
Для соединений А В характерен особый тип химической связи, называемый
донорно- -акцепторной. Из четырех ковалентных связей, которыми каждый атом
встраивается в решетку, три образуются обобществлением валентных электронов
атомов АIII и ВV , а четвертая связь осуществляется неподеленной парой
валентных электронов атомов ВV Образование этой связи соответствует
энергетически выгодному переходу электронов от атома ВV в энергетическое
состояние, общее для донора (атомов ВV) и акцептора (атома АIII).
В каждой ковалентной связи максимум электронной плотности 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 эффективный
положительный заряд, а атомы ВV –отрицательный. Величина этого эффективного
заряда (± g) определяет степень ионности соединения, которая закономерно
изменяется при переходе от одного соединения к другому в соответствии с
положением химических элементов в Периодической таблице Д. И. Менделеева.
Физико-химические и электрические свойства. Полупроводниковые
соединения АIII ВV образуют гомологический ряд, в котором наблюдается
закономерное изменение многих свойств при изменении атомных номеров
компонентов. Эти закономерности можно проследить с помощью табл.1
|ZnS |С |5,41 |4,09 |1020** |3,67 |п |_ |_ |
|ZnS |В |3,82(а|4,10 |1780 |3,74 |п |0,014 |0,0005|
| | |) | | | | | | |
|CdS |В |6,26(с|4,82 |1750 |2,53 |п |_ с | |
| | |) | | | | |0,034 |0,011 |
|HgS |С |4,13(а|7,73 |1480 |1,78 |п |c 0,035 |0,0015|
| | |) | | | | |0,07 | |
| | |6,75(с| | | | | |_ |
| | |) | | | | | | |
| | |5,84 | | | | | | |
|ZnSe |С |5,66 |5,43 |1520 |2,73 |п |0,026 |0,0015|
|CdSe |В |4,30(а|5,81 |1264 |1,85 |п |с 0,072 | |
| | |) | | | | | |0,0075|
|HgSe |С |7,01(с|8,25 |790 |0,12 |п |2,0 | |
| | |) | | | | | | |
| | |6,08 | | | | | |_ |
|ZnTe |С |6,10 |6,34 |1239 |2,23 |р |0,053 |0,003 |
|CdTe |С |6,48 |5,86 |1041 |1,51 |п, р |0,12 |0,006 |
|HgTe |С |6,46 |8,09 |670 |0,08 |п, р |2,5 |0,02 |
* C--сфалерит, В-вюрцит; **-- температура фазового перехода из ( на
(- модификацию
Как видно из табл.1, с ростом средней атомной массы во всех трех
гомологичных рядах закономерно уменьшаются ширина запрещенной зоны и
температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность
носителей заряда. Из-за увеличения межатомных расстояний прочность
химических связей падает при переходе от сульфидов к селенидам и далее - к
теллуридам. Теллурид ртути при всех температурах проявляет свойства
полуметаллов.
Большая доля ионной связи в соединениях АII ВVI по сравнению с
полупроводниками
АIII ВV приводит к большим значениям ширины запрещенной зоны и
заниженным подвижностям носителей заряда в рядах изоэлектронных аналогов.
Изоэлектронными аналогами называют вещества, имеющие одинаковую
кристаллическую структуру и одинаковый суммарный заряд ядра двух атомов-
партнеров. Например, изоэлектронными аналогами являются Ge, GaAs, ZnSe, а
также Sn, InSb, CdTe.
Поведение примесей в соединениях типа АII ВVI в основном подчиняется
тем же закономерностям, что и в полупроводниках типа АIII ВV , т. е.
примеси замещения, имеющие валентность меньшую валентности вытесняемых
атомов, играют роль акцепторов, а примеси с более высокой валентностью
являются донорами. Состояние примесей атомов более устойчиво, если их
вхождение в решетку не сопровождается образованием больших локальных
зарядов. Например, примесные атомы элементов I группы (Cu, Ag, Au
),замещая Zn или Сd в кристаллической решетки полупроводника, проявляют
акцепторные свойства. При этом, как правило, они образуют глубокие
энергетические уровни. Атомы элементов III группы (Аl, Ga, In ), также
замещающие катионы, ведут себя как доноры с малыми энергиями ионизации.
Соответственно акцепторные и донорные свойства проявляют элементы V и VII
групп Периодической таблицы, замещающие в решетке АII ВVI атомы
халькогенов.
Особенности свойств. При повышенных температурах все соединения АII
ВVI разлагаются в соответствии с реакцией
2АII ВVII ( 2АII(газ) (
В2VII(газ)
Присутствие в паровой фазе молекул А В хотя полностью и не исключается, но
для большинства соединений их концентрация мала и можно принять, что
диссоциация является полной. Равновесное давление паров летучих компонентов
сильно зависит от температуры.
Важная особенность полупроводников типа АII ВVI состоит в том, что
многие из них проявляют электропроводность лишь одного типа независимо от
условий получения и характера легирования кристаллов. Так, сульфиды и
селениды цинка, кадмия и ртути всегда являются полупроводниками п-типа. В
отличие от них теллурид цинка обладает только дырочной электропроводностью.
И лишь Cd Te и Hg Te могут иметь электропроводность как
п-, так и р-типа, в зависимости от условий изготовления и типа легирующих
примесей. Отсутствие инверсии типа электропроводности существенно
ограничивает возможности практического использования полупроводников типа
АII ВVI .
Проводимость соединений типа АII ВVI может быть значительно (на
несколько порядков) изменена путем термообработки в парах собственных
компонентов. Например, удельная проводимость сульфида кадмия при
термообработке в парах серы может измениться на 10 порядков (рис.2).
[pic]
Рис. 2 Изменение удельной проводимости поликристаллического
сульфида кадмия в зависимости от давления пара серы при термообработке.
Столь сильное изменение электрических свойств обусловлено нарушениями
стехиометрического состава соединения. Поскольку полупроводники типа АII
ВVI характеризуются значительной долей ионной связи, нестехиометрические
дефекты ведут себя как электрически активные центры, в частности, вакансии
в металлоидной подрешетки играют роль доноров, а вакансии в подрешетке
металла ведут себя подобно акцепторам.
При термообработке преимущественно возникают те дефекты, энергия
образования которых меньше. В сульфидах и селенидах доминирующим типом
дефектов являются вакансии в анионной подрешетке. Чтобы понять их роль в
сульфиде кадмия, припишем (для простоты анализа) атомам компонентов полный
ионный заряд (рис.3).
S0
Cd+2 S -2 Cd +2 S -2
S -2 Cd +2 ( Cd +2
Cd +2 S -2 Cd +2 S -2
S –2 Cd +2 S -2 Cd +2
Рис.3 Разупорядочность в кристаллах
CdS при недостатке серы.
Вакансии в анионных узлах образуются при недостатке серы. Последняя может
покидать кристалл лишь в виде нейтральных атомов S0 , оставляя на вакансиях
избыточные электроны. Каждая вакансия создает энергетический уровень вблизи
зоны проводимости, заполненный электронами при низкой температуре.
Достаточно небольшого воздействия чтобы оторвать электроны от дефекта
структуры, т. е. перевести их в зону проводимости.
В кристаллах Zn Te преимущественно образуются вакансии в подрешетке
катионообразователя. Ионы цинка, покидая кристалл, отбирают недостающие
электроны у ближайших ионов теллура, благодаря чему появляется дырочная
электропроводимость.
В отличие от CdS и ZnTe теллурид кадмия может быть электронным и
дырочным полупроводником. Например, термообработка при температуре 9000 С в
парах кадмия под давлением больше 7·104 Па приводит к появлению
электронной электропроводности. Если же давление паров кадмия при
термообработке меньше указанного значения, то получается материал р-типа
(рис.4).
[pic]
Рис.4 Зависимость концентрации носителей
заряда в теллуриде кадмия при термообработке (температура отжига 900 0 С)
Таким образом, химическая чистота является хотя и необходимым, но
недостаточным условием для получения кристаллов соединений типа АII ВVI с
заданными свойствами. Требуется обязательно управлять степенью дефектности
кристал -лической решетки, т. е. концентрацией вакансий. Самокомпенсация
сульфидов и селенидов собственными дефектами структуры является основной
причиной, препятствующей обращению типа электропроводности при их
легировании. К этому следует добавить, что акцепторы обладают малой
растворимостью в полупроводниках А В и, как правило, образуют глубокие
уровни.
Применение. Из всех соединений типа А В по масштабам применения
выделяются сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой
для многих промышленных люминофоров, а второй широко используется для
изготовления фоторезистров, обладающих высокой чувствительностью в видимой
части спектра. Именно на сульфиде цинка Г. Дестрио впервые наблюдал
свечение в переменном электрическом поле. До сих пор люминофоры из ZnS
превосходят другие материалы по внутреннему квантовому выходу. В
зависимости от условий синтеза ZnS кристаллизуется в двух модификациях-
высокотемпературной гексагональной и низкотемпературной кубической.
Точка фазового перехода лежит вблизи 10200С. Предпочтение отдают
люминофорам с кубической структурой ввиду повышенной яркости свечения.
Однако практически почти всегда в сульфидных люминофорах имеется смесь
обеих модификаций. Важной особенностью сульфида цинка является то, что он
образует непрерывный ряд твердых растворов с CdS, CdSe, ZnSe. При этом
добавка СdS стабилизирует гексагональную модификацию, а добавка ZnSe-
кубическую.
Спектр излучения люминофоров определяется типом вводимых активаторов
люминесценции. Наиболее широкое распространенное получили
электролюминофоры, активированные медью, которые излучают в зеленой и
голубой областях спектра. Чтобы повысить растворимость акцепторной примеси
меди в состав люминофора вводят эквивалентное количество доноров
(галогенов), которые выступают в качестве соактиваторов люминесценции.
Растворение примесных ионов в решетке основы можно описать химическим
уравнением вида
(1 – 3х) Zns + х ZnCl2 + х Cu2S ( Zn1-2хCu2х S1-2х Cl 2х
Эффективные люминофоры с излучением в желтой области спектра получают при
активизации сульфида цинка марганцем.
Недостатком электролюминесцентных устройств на основе сульфида цинка
является относительно высокая скорость деградации приборов (ухудшение их
свойств), обусловленная усилением ионного характера химической связи,
стимулирующим процессы электролиза.
Примеси могут играть существенную роль и в механизме собственной
фотопроводимости полупроводников АIIВVI, поскольку от их природы и
концентрации зависит время жизни неравновесных носителей заряда, а оно, в
свою очередь, определяет фоточувствительность и скорость фотоответа. При
этом важен не столько донорный или акцепторный характер примесных атомов,
сколько принадлежность их к центрам рекомбинации или ловушкам захвата.
Введением специальных примесей, так называемых центров сенсибилизации,
можно существенно повысить чувствительность собственных фоторезисторов.
В сульфиде кадмия очувствляющими центрами являются скомпенсированные
(т.е. ионизированные)
|
