Полупроводник

(Semiconductor)

Определение полупроводника, строение полупроводников и принцип действия

Информация об определении полупроводника, строение полупроводников и принцип действия

Содержание

Содержание

1. Исторические сведения

2. Свойства полупроводников

3. Строение полупроводников и принцип их действия.

4. Механизм проведения электрического тока полупроводниками

5. Виды полупроводников

- По характеру проводимости

- По виду проводимости

6. Использование полупроводников в электродинамике

- Полупроводниковый диод

- Транзистор

7. Типы полупроводников в периодической системе элементов

8. Физические свойства и применения

9. Легирование

10. Методы получения

11. Оптика полупроводников

12. Список полупроводников

- Группа IV

- Группа III-V

- Группа II-VI

- Группа I-VII

- Группа IV-VI

- Группа V-VI

- Группа II-V

- Другие

- Органические полупроводники

- Магнитные полупроводники

13. Технологии обработки полупроводников

Полупроводник — это материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводником и диэлектриком и отличается от проводника сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких эВ (электрон-вольт), то есть соизмерима с kT. Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а InAs — к узкозонным.

Полупроводник – это вещества, удельная электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов и больше, чем у диэлектриков.

Полупроводник – это широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности d, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.

Полупроводник (Semiconductor) - это

Исторические сведения

Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:

1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник

2. Фотопроводимость.

Были построены первые приборы на их основе.

О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом Республика Германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 - х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.

Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос всвязи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p - n - переходе, а затем на гетеропереходах.

В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.

Свойства полупроводников

Полупроводник (Semiconductor) - это

Полупроводник (Semiconductor) - это

Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе. Он выяснил что полупроводники - особый класс кристаллов со многими замечательными свойствами:

1. С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается.

2. Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.

3. Контакты различных полупроводников в определенных условиях при освещении или нагревании являются источниками фото - э. д. с. или, соответственно, термо - э. д. с.

Строение полупроводников и принцип их действия.

Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения).

Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении температуры ( T>0 K), освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома. Такой электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем.

В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны, но и «дырки». При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место-«дырка» при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка » как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей, несущей положительный заряд.

Механизм проведения электрического тока полупроводниками

Электропроводность полупроводников: - обеспечивается свободными электронами и дарками; - остается постоянной в пределах области температур, специфической для каждого вида полупроводников, и увеличивается с повышением температуры; - зависит от примесей; - увеличивается под действием света и с возрастанием напряженности электрического поля.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства изоляторов.

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. Так как, образуя кристаллы, атомы полупроводников устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1, 76*10-19Дж против 11, 2*10-19Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0, 4*10-19Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. В процессе повышения температуры количество свободных электронов возрастает - удельное сопротивление падает. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1, 5 - 2 эВ.

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешел электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение позитивно заряженного атома без перемещения самого атома. Этот процесс назвали "дыркой".

Виды полупроводников

По характеру проводимости

- Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и "дырки" появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации "дырок".

- Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых механизмов используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготовляются с помощью внесения смесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

- Электронные полупроводники (n-типа)

Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырехвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

- "Дырочные полупроводники (р-типа)"

Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырехвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, Индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвертым атомом кремния у атома Индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники p-типа, называются акцепторными.

Использование полупроводников в электродинамике

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников - дырчатого и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников - так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В. В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость). Обратный ток полупроводникового диода не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт. Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Транзистор

Транзистор - полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором.

Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор. Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых соединений. Их делят на несколько типов: одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов, сложные: двухэлементные AIIIBV и AIIBVI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно. Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Физические свойства и применения

Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же, основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве источника света, и здесь вне конкуренции прямозонные полупроводники -- соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Собственный полупроводник при температуре абсолютного ноля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро.

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.

Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют свтовую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электроэнергии создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупровдниковых выпрямителей,

переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

Легирование

Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко распространённый кремний можно легировать элементом V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, который является донором, и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор). Также создают компенсированные полупроводники с тем чтобы зафиксирован уровень Ферми в середине запрещённой зоны.

Методы получения

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния — метод Чохральского. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки.

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

Оптика полупроводников

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули, электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот , где Eg — ширина запрещённой зоны, — постоянная Планка. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона 2π / λ, где λ — длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников. Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными. Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами.

Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике.

Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда, а следовательно фотопроводимость.

При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов, электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решетки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры, создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения.

Список полупроводников

Группа IV

собственные полупроводники

Углерод, C

Кремний, Si

Кремний, Ge

Cерое олово, α-Sn

составной полупроводник

Карбид кремния, SiC

Кремний-германий, SiGe

Группа III-V

2-х компонентные полупроводники

Антимонид алюминия, AlSb

Арсенид алюминия, AlAs

Нитрид алюминия, AlN

Фосфид алюминия, AlP

Нитрид бора, BN

Фосфид бора, BP

Арсенид бора, BAs

Антимонид галлия, GaSb

Арсенид галлия, GaAs

Нитрид галлия, GaN

Фосфид галлия, Gap

Антимонид Индия, InSb

Арсенид Индия, InAs

Нитрид Индия, InN

фосфид Индия, InP

3-х компонентные полупроводники

AlxGa1-xAs

InGaAs, InxGa1-xAs

InGaP

AlInAs

AlInSb

GaAsN

GaAsP

AlGaN

AlGaP

InGaN

InAsSb

InGaSb

4-х компонентные полупроводники

AlGaInP, InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP

AlGaAsP

InGaAsP

AlInAsP

AlGaAsN

InGaAsN

InAlAsN

GaAsSbN

5-ти компонентные полупроводники

GaInNAsSb

GaInAsSbP

Группа II-VI

2-х компонентные полупроводники

Селенид кадмия, CdSe

Сульфид кадмия, CdS

Теллурид кадмия, CdTe

Оксид цинка, ZnO

Селенид цинка, ZnSe

Сульфид цинка, ZnS

Теллурид цинка, ZnTe

3-х компонентные полупроводники

CdZnTe, CZT

HgCdTe

HgZnTe

HgZnSe

Группа I-VII

2-х компонентные полупроводники

Хлорид купрума, CuCl

Группа IV-VI

2-х компонентные полупроводники

Селенид свинца, PbSe

Сульфид свинца, PbS

Теллурид свинца, PbTe

Сульфид олова, SnS

Теллурид олова, SnTe

3-х компонентные полупроводники

PbSnTe

Tl2SnTe5

Tl2GeTe5

Группа V-VI

2-х компонентные полупроводники

Теллурид висмута, Bi2Te3

Группа II-V

2-х компонентные полупроводники

Фосфид кадмия, Cd3P2

Арсенид кадмия, Cd3As2

Антимонид кадмия, Cd3Sb2

Фосфид цинка, Zn3P2

Арсенид цинка, Zn3As2

Антимонид цинка, Zn3Sb2

Другие

CInGaSe

Силицид платины, PtSi

Иодид висмута(III), BiI3

Иодид ртути(II), HgI2

Бромид таллия(I), TlBr

Иодид меди(II), PbI2

Дисульфид молибдена, MoS2

Селенид галлия, GaSe

Сульфид олова(II), SnS

Сульфид висмута, Bi2S3

Разные оксиды

Диоксид титана, TiO2

Оксид меди(I), Cu2O

Оксид меди(II), CuO

Диоксид урана, UO2

Триоксид урана, UO3

Органические полупроводники

Тетрацен

Пентацен

Акридон

Перинон

Флавантрон

Индантрон

Индол

Alq3

Магнитные полупроводники

Ферромагнетики

Оксид европия, EuO

Сульфид европия, EuS

CdCr2Se4

GaMnAs

Pb1-xSnxTe легированный Mn2+

GaAs легированный Mn2+

ZnO легированный Co2+

Антиферромагнетики

Теллурид европия, EuTe

Селенид европия, EuSe

Оксид никеля, NiO

Технологии обработки полупроводников

Наряду с сотрудничеством отдела исследования и развития организации Atotech с институтом CNSE (США) по разработке новых технологий (разработок) медных покрытий для внутренней проводки микросхем, внедряется передовой метод, основанный на электролитическом и химическом осаждении металла для различных применений в горизонтальной вейферной сборке.

Передовая технология сборки

Финишная обработка контактных площадок

Нанесение покрытия через трафарет

3D сборка

Передовая технология сборки Atotech подкрепляется международной компанией и структурой логистики фирмы с огромным ноу-хау в области электронной индустрии в целом с нашими филиалами в более 30 странах. Мы можем предложить полупроводниковой отрасли наши технологии химической обработки, опыт электролитического производства, а также глобально действующую структуру поддержки. Метод передовой сборки основан на металлизации межслойных переходов, произведенной химическим или электролитическим путем для различных применений в горизонтальной вейферной сборке.

Требования миниатюризации в межслойных технологиях и, соответственно, более высокий ввод/вывод, а также возросшие электрические нагрузки на тракт сигнала требуют инновативные процессы сборки вейферов. Включение электроосажденной купрума в процесс сборки полупроводниковых вейферов, как, например, перераспределяющего слоя (RDL) или медного контактного столбика, имеет следующие преимущества:

Применение малого шага,

Эффективная передача сигнала

Тепловая стабильность

Более того, для экономически эффективного производства полупроводниковых устройств химический процесс обеспечивает меньшее осаждение металла. Уникальная технология Atotech по химической универсальной финишной обработке контактных площадок может применяться в двух главных областях использования, в качестве диффузионного барьера для соединения шин на алюминиевых и медных контактных площадках и как паяемое финишное покрытие для перевернутого кристалла. Основные преимущества:

Исключительная антикоррозийная устойчивость осажденного металла

Высокая надежность паяных соединений

Улучшенная надежность соединения шин для высокотемпературных применений

Источники

ru.wikipedia.org ВикипедиЯ – свободная энциклопедия

glossary.ru Голоссарий. РУ

atotech.com АвтоТех

radiopartal.tut.su Радиопортал

Источник: http://forexaw.com/