Основные вимоги до полупроводниковым матеріалам

Основные вимоги до полупроводниковым материалам.

К напівпровідникам відносять велику групу речовин. З власного питомій електричному опору вони займають проміжне становище між провідниками і диэлектриками. Діапазон питомої опору при кімнатної температурі умовно обмежують значеннями 10−4 і 1010 Ом.см. Відмітними властивостями напівпровідників є сильна залежність їх питомої електричного опору від концентрації домішок. Більшість напівпровідників удільне опір залежить також від температури та інших зовнішніх енергетичних впливів (світло, електричне і магнітне полі, іонізуюче випромінювання тощо. д.).

На основі напівпровідникових матеріалів створено чимало різноманітних напівпровідникових приладів. Властивості, параметри і характеристики цих приладів значною мірою визначаються властивостями і параметрами вихідного напівпровідникового матеріалу. Принцип дії більшості напівпровідникових приладів (выпрямительные діоди, стабилитроны, варикапы, біполярні транзистори, тиристоры тощо. буд.) грунтується на використанні властивостей выпрямляющего переходу, в ролі котрого зазвичай служить электронно-дырочный перехід. Тому такі прилади будуть працездатні лише за температурі, відповідної примесной електропровідності. Поява власної електропровідності за високої температурі порушує нормальну роботу приладу. Максимальна допустима температура напівпровідникового приладу, насамперед, визначається шириною забороненої зони вихідного напівпровідникового матеріалу. Отже, використання матеріалу з великою шириною забороненої зони дозволить збільшити максимальну допустиму температуру приладу. З іншого боку, прилади з урахуванням широкозонного напівпровідникового матеріалу зможуть працювати з більшою припустимою удільної потужністю розсіювання, т. е. При нормальних умов роботи може бути зменшено габарити приладу чи габарити теплоотводящих радиаторов.

В час основним матеріалом напівпровідникової електроніки є кремній. Для розробки технології виготовлення чистого кремнію і напівпровідникових приладів його основі витрачено багато зусиль і коштів. Тому найближчим часом низька можливість заміни кремнію в інший напівпровідниковий матеріал. Для такий заміни необхідні суттєві переваги в властивості і характеристиках приладів, соціальній та економічності виробництва цих приладів. Можливо, такі переваги зможуть забезпечити деякі сполуки елементів третій, і п’ятої груп таблиці Д. І. Менделєєва. У тому числі є матеріали з більшої рухливістю носіїв заряду. Це першу чергу, належить до арсениду галію. Велика ширина забороненої зони арсеніду галію забезпечить велику максимальну допустиму температуру напівпровідникового приладу, а, отже, допустиму потужність розселення. Велика рухливість носіїв заряду має забезпечити поліпшення частотних властивостей транзисторних і диодных структур напівпровідникових приладів (зокрема і інтегральних микросхем).

Подвижность носіїв заряду впливає частотні властивості выпрямительных діодів, оскільки ці якості більшості выпрямительных діодів визначаються часом розсмоктування не основних носіїв у базовій області диодной структуры.

Одна і найважливіших завдань напівпровідникової електроніки — це зростання пробивного напруги коллекторного переходу транзистора і тиристора, і навіть пробивного напруги выпрямляющего електричного переходячи діода. Аби вирішити це завдання необхідно одержати рівномірний розподіл щільності струму у всій площі электронно-дырочного переходу, що знизить можливість появи теплового пробою. Тому особливу значення набуває вимогу до однорідності вихідного напівпровідникового матеріалу, оскільки микронеоднородности та інші дефекти значно знижують пробивное напруга переходу. Природно, що з підвищенням якості вихідних матеріалів необхідно удосконалювати методи контролю їх параметрів і свойств.

Развитие мікроелектроніки, зокрема, і взагалі електронної техніки має супроводжуватися підвищенням надійності і зниженням вартості електронних схем і пристроїв. Необхідність підвищення надійності викликана, по-перше, ускладненням апаратури, збільшенням кількості елементів установках. Задля більшої працездатності всієї установки необхідна висока надійність кожного окремого елемента установки. У цьому який завжди можна використовувати резервування чи дублювання з економічних і технічним міркувань. По-друге, електронна апаратура стала застосовуватися при екстремальних зовнішніх умов у зв’язку з розвитком геофізичних досліджень, створенням ядерних енергетичних пристроїв, підвищенням технічних параметрів авіаційної техніки та розвитком космонавтики. Апаратура повинна тепер працювати у високих і низьких температурах, за наявності чималих градієнтів температури, при радіаційне опромінення, при наявність сильних електромагнітних полів, на великих статичних і динамічних механічних навантаженнях, при вплив мікроорганізмів і агресивних середовищ. У цьому іноді неможливо використовувати спеціальні засоби захисту (термостати, радіаційні і электромагнитыне екрани, механічна зменшення) через вимоги одночасного зниження маси, енергоспоживання і стоимости.

Естественный і зрозумілий шлях підвищення надійності - це зростання загальної культури проектування й виробництва приладів. Але необхзожим також глибокий аналіз кінетичних закономірностей і творення механізмів старіння напівпровідникових та інших матеріалів які використовуються у напівпровідникових приладах. Передусім, необхідно досліджувати фізико-хімічні процеси в напівпровідникових матеріалах за одночасного вплив високої температури і сильних електричних полів, електричну і хімічну корозію, окислювання, дифузію домішок, накопичення деформацій, усталостные явища т. д.

Снижение вартості виробів як мікроелектроніки, але й напівпровідникової електроніки сильна мірою залежить від відсотка виходу придатних приладів, який виявляється іноді дуже низьким (особливо великих інтегральних мікросхем) недостатнє якості вихідного напівпровідникового якості вихідного напівпровідникового матеріалу і недостатньою однорідності по кристаллу.

С появою напівпровідникових приладів виникла відразу ж потрапити потреба у поліпшення їхнього частотних властивостей, щодо підвищення припустимою потужності розсіювання. Робітники частоти сучасних кремнієвих біполярних транзисторів НВЧ наближаються вже безпосередньо до теоретичного межі. Тому, аби ще поліпшити частотні властивості, потрібно використовувати інший матеріал (про що вже було зазначено раніше), і навіть розробляти напівпровідникові прилади з іншим принципом действия.

Так, для генерації НВЧ електромагнітних коливань розробляються та випускаються лавинно-пролетные діоди і генератори Ганна, (генератори Ганна, хоча у структурі цих приладів немає выпрямляющего електричного перехода).

Принцип дії лавинно-пролетных діодів грунтується на інерційності лавинного множення носіїв зарядів в електронному переході при лавинному пробое і існування певного часу прольоту що виникають у переході носіїв через такий перехід. Тому до однорідності і якістю вихідного напівпровідникового матеріалу лавинно-пролетных діодів пред’являються жорсткі требования.

Выпускаемые промисловістю лавинно-пролетные діоди і генератори Ганна розраховані на вихідну НВЧ потужність у безперервному режимі кілька десятків милливатт. У імпульсному режимі ця потужність може бути підвищено кілька порядків. Для збільшення вихідний потужності потрібні лавинно-пролетные діоди і генератори Ганна з більшої площею электронно-дырочного переходу та набуттям більшої площею тонкої плівки напівпровідника. Водночас мали бути зацікавленими однорідні як за «товщиною, а й по площади.

В ролі вихідних матеріалів для фоточувствительных і фото преосвітніх напівпровідникових приладів — фоторезисторов, фотодіодів і фотоелементів, доцільно використовувати напівпровідники з різноманітною шириною забороненої зони, мають максимум спектральною характеристики що за різних довжинах хвиль. Особливий інтерес представляє напівпровідникові багатокомпонентні тверді розчини, у яких ширина забороненої зони і максимум спектральною характеристики змінюються в межах залежно від змісту окремих компонентов.

В частковості, для безпосереднього перетворення сонячного світла електричну енергію використовують кремнієві фотоелементи — сонячні батареї, які є основними джерелами харчування електронної апаратури на космічних кораблях і супутниках. Проте задля підвищення ККД фотоелементів, призначених для перетворення сонячного світла, з урахуванням спектрального розподілу енергії в сонячному спектрі необхідний напівпровідниковий матеріал із трохи більшої шириною забороненої зони, ніж в кремнію (наприклад, арсенід галлия).

Естественно, що вихідному полупроводниковому матеріалу кожного приладу пред’являються вимоги, пов’язані з принципом дії та умовами цього приладу. Так, сонячні батареї повинні тривалий час працювати за умов космічної радіації. Через це необхідним властивістю вихідного напівпровідникового матеріалу таких приладів є його стійкість до радіації. Радіаційна стійкість фото перетворювачів з урахуванням арсеніду галію вища, ніж кремнієвих перетворювачів. Експериментально виявлено у кілька разів велика стійкість до радіації до опроміненню електронами і протонами фотоелементів на основі кремнію з p-типом электропроводимости, ніж основі кремнію з n-типом электропроводимости.

Коэффициент корисної дії фотоелемента, зокрема, залежить від місця виникнення нових носіїв заряду: можуть виникати на щодо великий глибині від электронно-дырочного переходу у базі, чи у переході, чи близи поверхні кристала полупроводника.

При виборі вихідний матеріал для фотоелемента необхідно враховувати зміни показника поглинання світла залежність від довжини волны.

При виробництві фоторезисторов непотрібен притаманне таке глибоке очищення напівпровідникових матеріалів і досконалості їх структури. У зв’язку з цим для виготовлення фоторезисторов зазвичай використовують селениды, сульфіди та інші з'єднання перетворені на аморфному стані, що знижує собівартість приборов.

Широкое практичне застосування одержало властивість різних порушених систем ефективно випромінювати електромагнітну енергію при мимовільної чи вимушеної рекомбінації. За підсумками цього властивості створено випромінюючі напівпровідникові прилади — світлодіоди і напівпровідникові лазери. У вихідному матеріалі таких приладів излучательная рекомбінація носіїв зарядів повинна переважати над безызлучательной.

Полупроводниковый матеріал для лазерів повинен мати структуру енергетичних зон, що забезпечує прямі излучательные переходи електронів між енергетичними рівнями. Перспективним є синтез і добір напівпровідникових матеріалів з однаковими параметрами кристалічною грати, що дозволяє створювати гетеропереходи на контактах двох напівпровідників з різноманітною шириною забороненої зони. Використання гетеропереходов в инжекционных лазерах дозволяє щодо просто отримувати инверсную населеність енергетичних рівнів у досить вузької області лазерної структуры.

Для виготовлення термисторов використовують різноманітні напівпровідникові матеріали, але найбільшого поширення отримали оксиди металів перехідною групи Д. І. Менделєєва [від титану (порядковий номер 22) до міді (порядковий номер 29)].

Основные вимоги, які пред’являються полупроводниковым матеріалам таких термисторов, визначаються необхідністю гарантувати широкий діапазон номінальних опорів, різний температурний коефіцієнт опору, малий розкид параметрів тощо. буд. Тому бажана матимуть можливість змінювати удільне опір і температурний коефіцієнт питомої опору вихідного матеріалу в межах шляхом зміни співвідношення складових компонентів. Найцікавіше представляють напівпровідники, які мають мале удільне опір узгоджується з великим температурним коефіцієнтом питомої опору. З іншого боку, масової виробництва термисторов бажано мати напівпровідниковий матеріал з не меншою чутливістю параметрів до стороннім домішкам і найменших отклонениям від заданих режимів термообработки.

Перспективными для термисторов є матеріали зі структурними фазовыми переходами, що відбуваються у певному діапазоні температури і що супроводжуються різким зміною питомої опору. Так було в оксиди ванадію зі збільшенням температури області фазових перетворень спостерігається зменшення питомої опору кілька порядків. Для виготовлення варисторов передусім необхідні матеріали, які мають хімічної стабільністю при високих температурах, бо за роботі варистора майже вся потужність виділяється в малому обсязі активних областей під точковими контактами між окремими кристалами чи зернами напівпровідника. Нелінійний вольт-амперних характеристик варисторов може істотно збільшено зі збільшенням температурного коефіцієнта опору поверхневих верств кристалів, з яких тільки варистор.

Для здобуття права варистор мав хорошими частотними властивостями, необхідно мале час релаксації теплових процесів в активних областях під точковими контактами, отже, мала площа точкових контактів, може бути отримано за великої твердості кристалів напівпровідника. Все це вимогам поки від частини задовольняє карбід кремнію, з якої і роблять основну частину варисторов.

В останнім часом налагоджене масове виробництво варисторов з оксидних напівпровідників, основою якого є оксид цинку. Принцип дії таких варисторов має свої особливості, але вимоги до вихідному матеріалу, перелічені вище, справедливі й у оксидних варисторов.

При розробці матеріалів для термоелектричних приладів важливе значення має температурна залежність ефективності і визначають її параметрів. З збільшенням температури у сфері примесной электропроводимости удільне опір напівпровідника зростає у зв’язки Польщі з зменшенням рухливості носіїв зарядів через підвищення теплового розсіювання кристалічною гратами. З цієї причини зменшується ефективність матеріалу. Отже, в матеріалах для термоэлементов має бути наскільки можна більш слабке падіння рухливості носіїв зарядів при середніх і високих температурах.

Основным вимогою до вихідному матеріалу перетворювачів ЭДС Голла є висока рухливість носіїв заряду, бо за цьому ЭДС Голла порівнянна з вихідним напругою. Проте вихідний напруга має вистачити великим, щоб корисний сигнал мав необхідне значення. Максимальне дозволене вхідний напруга обмежується максимальної припустимою потужністю. Отже, при великий рухливості носіїв заряду матеріал повинен мати вихідний удільне опір. Наприклад, перетворювач ЭДС Голла з антимонида індію має меншу максимальну ЭДС Голла, ніж перетворювач з германію, яка має рухливість електронів майже 20 раз меньше.

ЭДС Голла зазвичай пропорційна товщині кристалів напівпровідника. Тому вихідний матеріал має забезпечити створення перетворювачів ЭДС Голла, мають малу толщину.

Аналогичные вимоги висуваються до вихідним матеріалам для магниточувствителных напівпровідникових приладів — напівпровідникових магниторезисторов.

Для тензочувствительных напівпровідникових приладів — тензорезисторов і тензодиодов потрібні напівпровідникові матеріали які характеризуються багато долинными енергетичними зонами з можливо більшої анізотропією ефективних мас чи подвижностей носіїв заряду різноманітні кристаллографическим осях. Оскільки структура і властивості зони провідності і валентною зони однієї й тієї ж напівпровідника може істотно відрізнятися, то характері і значення тензочувствительности в полупроводнике з nі p-типом электропроводимости можуть бути різні. Тому мала тензочувствительность в n-полупроводнике ще означає, що вона можуть бути великими в p-полупроводнике того самого материала.

Кроме великий тензочувствительности, матеріал для тензочувствительных напівпровідникових приладів повинен мати хімічної інертністю, мати високе значення руйнівної механічного напруги, т. е. бути механічно міцним, мати велику ширину забороненої зони, що дозволить робити тензоприборы з великою максимальної припустимою температурой.

Основным матеріалом виготовлення напівпровідникових тензорезисторов нині є кремній. Це як тим, що кремній краще за інших напівпровідників задовольняє переліченим вимогам виготовлення тензорезисторов, а й тим, що властивості кремнію досліджені найбільш детально, налагоджено промислова технологія отримання однорідних монокристалів кремнію з малим числом дефектів, що, своєю чергою, дозволяє вибирати матеріал із «потрібними параметрами і відомої температурної залежністю питомої опору, а також полегшує створення невыпрямляющих контактов.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.