Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
БЬ в кристаллах йе или Б1 является донором.
Если у атома примеси число электронов на внешнем уровне меньше, чем у атома матрицы, то его состояние в решетке устойчиво в виде отрицательного иона, в который он обращается, захватывая электроны проводимости, — акцептор.
В этом случае «дырочная» электрическая проводимость доминирует:
Ств>а„
(13.12)
Образование отрицательного иона возможно и у металлических элементов (Оа, 1п), так как оно вызвано стремлением к наиболее устойчивой форме тетраэдрического кристалла.
Схематически влияние р-металла III группы периодической системы на проводимость полупроводника (бе) показано на рис. 204. Захватывая электроны из а-связи Се—Се, атом Са обращается
432
0|
Ое
:0е
;Се:
в отрицательный ион, создавая этим самым электронную вакансию, или «дырку». Таким образом, создается примесная проводимость полупроводников, очень сильно изменяющая их электрические свойства. Подбор донор-ных и акцепторных примесей показан в табл. 13.14, где приведена часть периодической системы Д. И. Менделеева, -из которой исключены д,- и /-металлы, электронное строение которых является особым (гл. 12).
Вводя в один и тот же кристалл полупроводника примеси различного' характера, можно, изменяя
характер проводимости, создавать различные электронные схемы (диоды, триоды, тетроды и т. д.). Влияние примесей на электрические свойства полупроводников и объясняет те высокие требования, которые предъявляются к чистоте полупроводниковых материалов и к их кристаллической структуре, которая должна обладать наименьшей концентрацией несовершенств (дислокации, блоки, вакансии).
Методы получения полупроводниковых материалов. Исходными материалами для получения чистого кремния и германия являются тетрахлориды, полученные из технических продуктов и про
Се
Рис. 204. Влияние «акцепторных» примесей на проводимость
Таблица 13.14. Характер примесей
Группы
I и Ш 'V V VI VII
и Ве В С N 0
Ыа м& А1 Б1 Р Б С1
К Са Оа Ое Аэ Бе Вг
иь Бг 1л Бп БЬ Те I
Сз Ва Т1 РЬ В1 Ро Ас
акцепторы
доноры
433
шедшие очистку вакуумной разгонкой и фракционированием. Из тетрахлоридов 81С14 и ОеС14, представляющих собой жидкости, выделяют снова элементарный Б1 и Ое, которые подвергают вакуумной плавке для удаления примесей и превращают в монокристаллы.
Получение монокристаллов уже освобождает вещества от примесей, которые остаются в жидкой фазе, понижая ее температуру плавления. Монокристаллы получают по методу Чохральского наращиванием из расплава на внесенную туда затравку — монокристалл — и постепенным вытягиванием стержня монокристалла. Схема этого процесса приведена на рис. 205. Однако полученный монокристалл может содержать некоторое количество примесей в состоянии твердого раствора.
Рис. 205. Вытягивание монокристалла кремния (германия) по методу Чохральского:
/ — вращающийся и двигающийся поступательно монокристалл; 2 — печь; 3 — расплав
Рис. 206. Распределение растворенных примесей при кристаллизации твердых растворов между твердой (Ст) и жидкой фазами (Сж)
В диаграммах плавкости твердых растворов ограниченной и неограниченной растворимости (рис. 206) устанавливается определенное соотношение между концентрациями жидкого и твердого растворов в процессе кристаллизации:
С(т)*=*С(ж) (13.13)
При температурах, близких к температуре плавления чистого компонента, это соотношение показывает, что жидкий раствор содержит значительно больше примесей, чем твердый:
С(ж)>С(т)
На этом основан принцип зонной плавки, которая осуществляется следующим образом: в монокристалле создается с помощью интенсивных источников энергии (электронный луч или луч лазера в вакууме) узкая расплавленная зона, медленно движущаяся по
434
монокристаллу. Примеси из твердой фазы уходят в жидкость, которая является как бы коллектором для них и при своем перемещении жидкая фаза освобождает от примесей один конец монокристалла, обогащая ими другой. Схема проведения зонной плавки показана на рис. 207, причем безразлично, что двигается —- источники энергии или сам монокристалл. Зонная плавка, проведенная несколько раз (в одном и том же направлении), позволяет получить материал очень высокой чистоты, содержащий не более 107 атомов примеси в 1 см3, что составляет 10~'8 —10~10% (мае.) от основного материала.
Очистка и получение других полупроводниковых материалов ведется примерно такими же методами.
Сложные полупроводники (неорганические). Ряд неорганических соединений: оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды и др. — обладают полупроводниковыми свойствами. Большинство таких соединений обладает кристаллической решеткой типа алмаза или сфалерита (2пБ), но возможны и другие кристаллические структуры.
Большинство соединений полупроводникового типа обладает значительной широтой области гомогенности, и преобладание вакансий по неметаллу делает их «.-полупроводниками, а преобладание вакансий по металлическим атомам приводит к образованию полупроводников р-типа. Точные стехиометрические соотношения компонентов дают минимальное значение электрической проводимости. На рис. 208 схематически показано изменение электросопротивления 2пБ в зависимости от наличия тех или иных вакансий.
