+7-351-
215-23-09


Получение и свойства полупроводников

Дополнительно по теме

Электропроводность полупроводников

Получение и свойства полупроводников

Характеристики полупроводниковых материалов

Получение полупроводниковых материалов

Способов получения чистых и примесных полупроводниковых материалов очень много: наиболее совершенный и широко применяемый способ очистки полупроводниковых материалов - способ "зонной плавки". При зонном плавлении слиток "грязного" полупроводника, полученный тем или иным способом, помещается в чистую графитовую лодочку, заключенную в кварцевую трубу; по этой трубе непрерывно проходит инертный газ, например аргон, который препятствует попаданию в трубу извне нежелательных примесей и воздуха. При помощи узкого кольцевого нагревателя добиваются плавления небольшой части слитка и медленно перемещают расплавленную зону вдоль него. На границе твердой и жидкой фаз большинство примесей диффундирует из твердой фазы в жидкую за счет большей растворимости в жидкой фазе и уносится расплавленной зоной к концу слитка. При повторении этого процесса несколько раз получается очень чистый слиток, у которого отламывается грязный конец. После зонной плавки слиток поступает в дальнейшую плавку, где в него вводят необходимые примеси в нужных количествах. Наиболее распространенный метод "вытягивания монокристаллов из расплава", именуемый методом Чохральского, заключается в следующем. При медленном вытягивании затравки (кусочек монокристалла данного полупроводника) из расплава, который также находится в инертном газе, расплавленный полупроводник постепенно выкристаллизовывается на ее поверхности, образуя при этом монокристалл. В процессе вытягивания кристалла из расплава для достижения однородности растущего кристалла и равномерного перемешивания введенных в расплав примесей часто дают затравке и тиглю с расплавом вращательное движение в разные стороны, причем устанавливается очень точный контроль температуры расплава. После того как монокристалл вытянут из расплава, ему дают постепенно остыть, затем проверяют его электрические параметры и пускают в производство,

Свойства полупроводников

Под действием внешних факторов, таких, как тепло, свет, электрическое и магнитное поля, проводимость полупроводников может резко изменяться. Выше было указано, как изменяется электропроводность полупроводников под действием тепла. Это свойство используется для создания полупроводниковых термосопротивлений (терморезисторов), которые очень чувствительны к изменению температуры и используются для измерения и стабилизации температуры с большой точностью.

Большинство полупроводниковых материалов изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения, т. е. имеют нелинейную вольт-амперную характеристику, и при определенных напряжениях могут становиться проводниками. Это свойство используется для создания нелинейных полупроводниковых сопротивлений - варисторов, а также вилитовых сопротивлений, которые используются в вентильных разрядниках.

Наличие градиента температуры в полупроводнике вьвдвает перемещение свободных зарядов из горячего участка полупроводников, где концентрация их и скорость движения больше, в холодный участок.

Если носителями тока являются электроны, то они переносят свой заряд в холодный участок, заряжая его отрицательным электричеством, тогда как горячий участок полупроводника, потерявший часть своих электронов, окажется заряженным положительно, что создает между горячим и холодным участками термо-э. д. с. В полупроводниках же с дырочной проводимостью горячий участок окажется заряженным отрицательно, а холодный - положительно. Этот эффект называется термоэлектричеством и используется для создания термоэлементов и термогенераторов, которые превращают тепловую энергию в электрическую.

В замкнутой цепи из двух различных полупроводников при прохождении тока один спай полупроводников будет нагреваться, а другой - охлаждаться. Один и тот же спай двух полупроводников при одном направлении тока нагревается, при другом - охлаждается. Это явление - явление Пельтье - используется для создания холодильников, термостатов и т. п.

Под влиянием света проводимость полупроводника также может резко изменяться. Это вызывается тем, что свет определенной длины волны сообщает электронам, находящимся в запрещенной зоне, энергию, достаточную, чтобы перевести электрон из валентной зоны, в зону проводимости (или с валентных уровней в зону проводимости) в зависимости от длины волны света; при этом образуется пара электрон - дырка. Свойство полупроводника изменять проводимость под действием света, или фотопроводимость, применяется для создания фоторезисторов, чувствительных не только к видимому участку спектра, но и к инфракрасным лучам.

При частичном освещении полупроводника между освещенным и неосвещенным участками возникает фото-э. д. с, причем разность потенциалов зависит от интенсивности освещения. Фото-э. д. с. используется для создания фотоэлементов без источников питания, а также солнечных батарей, которые превращают солнечную энергию непосредственно в электрическую.

Полупроводник при данной внешней температуре находится в состоянии термодинамического равновесия. В простейшем случае при воздействии света в кристалле образуются неравновесные пары элек трон - дырка (или неосновные носители тока). После прекращения действия света неравновесные пары электрон - дырка рекомбинируют. Среднее время, в течение которого в кристалле существует неравновесная пара, называется "временем жизни" неравновесных носителей. Величина эта очень чувствительна к структурным дефектам кристалла: чем выше время жизни, тем совершеннее кристалл. Эта величина определяется по скорости затухания во времени добавочной проводимости, созданной освещением кристалла:

где - начальная электрическая проводимость; - проводимость после прекращения освещения; t - время; - время жизни неосновных носителей тока.

Если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, протекающему по образцу, то на боковых гранях возникает поперечная разность потенциала, называемая э. д. с. Холла (рис. 5-25), равная:

где -холловская разность потенциалов; R -коэффициент Холла; I-ток через образец; В-магнитная индукция; d - толщина пластинки в направлении магнитного поля.

В общем виде коэффициент Холла определяется выражением

где b - отношение подвижностей.

В частных случаях для резко выраженных типов полупроводников коэффициент Холла равен:

Эффект Холла позволяет определять тип проводимости полупроводника (по знаку возникающей между точками А к В разности потенциалов) и концентрацию носителей. Кроме того, можно определять величину подвижности носителей тока. Для этой цели нужно знать величину электропроводности данного полупроводника. Для полупроводника резко выраженного типа подвижность равна:

Эффект Холла используется для измерения магнитной индукции постоянных и переменных полей, тока и мощности в электрических цепях, преобразования постоянного тока в переменный, модуляции сигналов переменного тока, детектирования и усиления сигналов, генерирования электрических колебаний и т. п.

Наиболее важной особенностью некоторых полупроводников является выпрямляющее свойство контакта между двумя полупроводниками, имеющими разнородную проводимость (электронную и дырочную), или полупроводника с металлом. Сущность этого явления сводится к тому, что на границе соприкосновения двух полупроводников (или на границе полупроводника с металлом) образуется тонкий слой, обладающий свойством пропускать электроны в одном направлении и препятствовать прохождению их в обратном направлении. Этот слой называют запирающим. Это свойство используется для изготовления полупроводниковых вентилей, фотоэлементов с запирающим слоем и фотодиодов. Более сложные сочетания между разнотипными полупроводниками дают возможность получить полупроводниковые триоды и тетроды для генерирования и усиления электрических колебаний.

Ряд полупроводников обладает специфическими свойствами, позволяющими использовать их для создания различных полупроводниковых приборов. К таким свойствам относятся пьезоэлектрический и тензорезистивный эффекты, ферромагнитные и люминесцентные свойства и др.

Рис. 5-25. Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла (полупроводник n-типа).

Дополнительно по теме