НОВОСТИ   БИБЛИОТЕКА   КАРТА САЙТА   ССЫЛКИ   О ПРОЕКТЕ  






предыдущая главасодержаниеследующая глава

§ 36. Полупроводниковые материалы и приборы

Сравнительно недавно полупроводники имели ограниченное применение. Однако последние три десятилетия отмечены бурным развитием полупроводниковой промышленности благодаря изобретению и массовому применению полупроводниковых приборов.

Из всего многообразия элементарных полупроводников и соединений, обладающих полупроводниковыми свойствами, в промышленности применяются монокристаллические кремний и германий, выпускаемые многими сотнями тонн, а также арсенид и фосфид галлия. Последние относятся к группе полупроводниковых соединений AIIIBV (римские цифры обозначают принадлежность элементов А и В, входящих в соединение, к III и V группе периодической системы элементов). Их мировое производство исчисляется несколькими десятками тонн в год.

Полупроводники и их соединения в промышленности применяются в виде монокристаллов. Основные требования, предъявляемые к полупроводниковым монокристаллам- высокая чистота и совершенство кристаллической решетки. Наиболее важные физические свойства полупроводника определяются количеством содержащихся в нем посторонних атомов. Различие концентрации их в объеме кристалла, предназначенного для изготовления полупроводниковых приборов, приводит к значительному различию параметров этих приборов. Содержащиеся в монокристалле структурные дефекты также ухудшают параметры полупроводника. Поэтому важной задачей технологии полупроводниковых материалов является выращивание их в виде совершенных монокристаллов с определенной кристаллографической ориентацией и с минимальным, притом равномерным распределением по объему таких распространенных дефектов, как дислокации.

В настоящее время монокристаллы кремния получают методами Чохральского (∼ 70%) или бестигельной зонной плавки в вакууме или атмосфере инертного газа (см. § 20). Монокристаллы кремния электронного типа проводимости, как правило, легируют фосфором, а дырочного - бором. Для получения равномерного распределения легирующей примеси в монокристалле в процессе роста проводят подпитку расплава твердой, жидкой или парообразной фазой, содержащей легирующую примесь. В качестве исходного продукта для выращивания монокристаллов кремния используют стержни поликристаллического кремния, полученного водородным восстановлением хлорсилана:

SiHCl3 + Н2 → Si + 3НС1.

Для производства монокристаллического легированного и нелегированного германия используют поликристаллический германий, полученный водородным восстановлением двуокиси германия и подвергнутый кристаллизационной зонной очистке. Монокристаллы германия электронного типа проводимости легируют сурьмой, а дырочного - галлием.

Чистый поликристаллический арсенид галлия получают синтезом из исходных высокочистых галлия и мышьяка. Процесс синтеза осуществляется под слоем флюса путем пропускания паров мышьяка через расплав галлия в атмосфере азота под давлением 1,3 - 1,5 ат.

В последнее время все большее развитие начинает получать процесс синтеза арсенида галлия, совмещенный с выращиванием его монокристалла из-под слоя флюса методом Чохральского. Синтез поликристаллического фосфида галлия проводят в автоклавных установках под давлением инертного газа 60 - 80 ат. Пары фосфора пропускают через расплав галлия, имеющий температуру 1500°С. Монокристаллы фосфида галлия получают вытягиванием из расплава по методу Чохральского.

Наиболее распространенными и массовыми полупроводниковыми приборами являются диоды и триоды (транзисторы), изготавливаемые из кремния и германия. Они содержат один или несколько р-n-переходов. Для создания р-n-перехода нужно получить контакт между электронным и дырочным полупроводником без нарушения непрерывности кристаллической решетки.

Если привести в контакт два полупроводника р и n-типа, то вследствие того, что концентрация электронов в электронном полупроводнике, где они являются основными носителями заряда, намного больше, чем в дырочном, начнется диффузионное перемещение электронов из электронного полупроводника в дырочный. После ухода части электронов из электронного полупроводника в нем остается такое же количество некомпенсированных неподвижных положительно заряженных донорных примесей, образующих положительный объемный заряд, а в дырочном полупроводнике - отрицательно заряженных акцепторных примесей, т. е. создается контактная разность потенциалов Vk (рис. 71, а). Наличие этих неподвижных зарядов создает электрическое поле, называемое диффузионным, которое препятствует дальнейшему переходу носителей. Состояние равновесия наступает тогда, когда суммарный ток через переход отсутствует. Если к такому контакту приложить внешнее напряжение Uвн таким образом, что минус внешнего напряжения подключен к р-области, а плюс к n-области полупроводника (обратное включение р-n-перехода), то контактная разность потенциалов увеличится на величину приложенного напряжения (рис. 71, б). Внешнее напряжение отталкивает электроны глубже внутрь n-области, а дырки вглубь р-области полупроводника; происходит расширение двойного слоя объемных зарядов. Такой слой обладает высоким сопротивлением, так как не содержит свободных носителей заряда, и называется "запорный слой". Если же минус внешнего напряжения подключить к n-области, а плюс к р-области (прямое включение р-n-перехода), то высота потенциального барьера уменьшится, произойдет сужение двойного слоя объемных зарядов (рис. 71, в) и облегчится переход электронов ври дырок в n-области. В результате р-n-переход будет отперт, и через него пройдет прямой ток. Такой прибор с одним р-n-переходом называется диодом и предназначен для выпрямления переменного тока. В настоящее время полупроводниковые приборы полностью вытеснили ламповые выпрямители.

Рис. 71. Область р-n-перехода в полупроводнике. Внешнее напряжение отсутствует (а), подключено в обратном направлении (б) и подключено в прямом направлении (в)
Рис. 71. Область р-n-перехода в полупроводнике. Внешнее напряжение отсутствует (а), подключено в обратном направлении (б) и подключено в прямом направлении (в)

Другим распространенным полупроводниковым прибором является триод, или транзистор, представляющий комбинацию двух встречно расположенных переходов, образующих последовательную цепь и предназначенный для усиления или генерирования электрических сигналов.

Полупроводниковый триод состоит из трех областей. Средняя область, образованная полупроводником с электронным или дырочным типом проводимости, называется базой. К базе с двух сторон примыкают области противоположного типа проводимости. Если базовая область изготовлена из электронного полупроводника, то триод будет р-n-n-типа, если из дырочного, то n-р-n-типа. Область триода, основным назначением которой является инжекция в базу неосновных носителей, называется эмиттером, а соответствующий электронно-дырочный переход носит название эмиттерного. Область триода, основным назначением которой является экстракция из базы неосновных носителей, называется коллектором, а соответствующий переход - коллекторным.

Рис. 72. Принцип действия полупроводникового триода (транзистора)
Рис. 72. Принцип действия полупроводникового триода (транзистора)

Если к транзистору (рис. 72) приложить напряжение, то переход эмиттер - база будет отперт, а переход база - коллектор заперт. Электроны из эмиттера легко переходят в базу, где они начинают играть роль неосновных носителей. Если база имеет большую толщину, то избыток неосновных носителей электронов исчезает в результате рекомбинации. Рекомбинацией называется процесс восстановления нарушенной парноэлектронной (ковалентной) связи в результате соединения электрона с дыркой. Однако на практике базу делают столь тонкой что избыточные электроны проводимости достигают перехода К. Ввод носителей в область базы через эмиттерный переход связан с затратой сравнительно небольшой энергии, так как падение напряжения на эмиттерном переходе невелико. Однако носители, введенные в область базы, попадают затем в коллекторный переход, а оттуда во внешнюю цепь. Падение напряжения на коллекторном переходе и на включенной последовательно с ним нагрузке значительно больше, чем на эмиттерном переходе. Прохождение носителей через цепь коллектора вызывает отбор от источника питания значительно большего количества энергии, чем было затрачено на введение носителей в базу. За счет этого достигается значительное усиление напряжения и мощности.

Другие комбинации из двух и более переходов позволяют получить другие типы приборов: переключающие диоды, управляемые диоды и т. д.

Для создания в полупроводниковом кристалле р-n- переходов пользуются несколькими приемами; вплавлением легирующего элемента в кристалл полупроводника, диффузией примеси из газовой фазы путем нагрева полупроводникового кристалла в присутствии паров примеси, получением р-n-перехода в процессе роста кристалла путем ввода примеси в расплав на определенной стадии роста и т. д.

Большую группу составляют полупроводниковые приборы, использующие фотоэлектрические явления в полупроводниках. К ним относятся вентильные фотоэлементы и фотодиоды - приборы, в которых использовано явление генерации э. д. с. в р-n-переходе под действием света. Вентильные элементы используют в фотографии и кинематографии, для преобразования солнечной энергии в электрическую, а фотодиоды, в которых под действием света происходит резкое возрастание тока, применяют в схемах считывания информации с перфорированной ленты в электронно-счетных машинах.

Другую группу фотоприборов составляют светодиоды или люминесцентные диоды, в которых при пропускании прямого тока через р-n-переход происходит интенсивное свечение. Выделение энергии в виде излучения происходит вследствие рекомбинации электрона с дыркой при переходе электронов в р-область и наоборот. В некоторых полупроводниках (германий, кремний) энергия, выделяющаяся в результате рекомбинации, передается главным образом кристаллической решетке. Однако в арсениде и фосфиде галлия процесс рекомбинации сопровождается выделением энергии в виде излучения, поэтому в оптоэлектронике эти материалы находят все более широкое применение.

Светодиоды с когерентным (стимулированным) излучением называются лазерными диодами или полупроводниковыми квантовыми генераторами (ПКГ). Высокая монохроматичность излучения малая, расходимость пучка света, высокий к. п. д. открывают возможности для широкого применения в науке и технике. К ним относятся направленная радиосвязь в космосе, передача информации на большие расстояния и т. д.

Описанные типы полупроводниковых приборов являются малой частью применяемых в науке и технике приборов и устройств, использующих полупроводниковые эффекты.

предыдущая главасодержаниеследующая глава








© METALLURGU.RU, 2010-2020
При использовании материалов сайта активная ссылка обязательна:
http://metallurgu.ru/ 'Библиотека по металлургии'
Рейтинг@Mail.ru
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь