Category Archives: Физико-химические основы термической обработки полупроводников

Германий в радиотехнике

Германий в радиотехнике

В радиотехнике германий применяют для изготовления высококачественных детекторов (для радиочастот и сверхвысоких частот), мощных и маломощных низкочастотных транзисторов, датчиков э. д. с. Холла и магнетосопротивления, термисторов (термосопротивлений, термисторных термометров (термометров сопротивления), фотодиодов и др.

В оптике германий используют для изготовления линз для инфракрасных лучей. Германиевые линзы эффективно .отфильтровывают инфракрасную часть спектра от ультрафиолетовой.

Высокие параметры германиевых полупроводниковых приборов обусловлены замечательными свойствами германия, основные из которых — высокая подвижность и большое время жизни носителей заряда.

В последние годы в полупроводниковую технику интенсивно внедряются новые материалы, однако доминирующее положение в области производства приборов все еще сохраняют германий и кремний.

Наряду с германием важнейшим полупроводниковым материалом является кремний. У кремния значительно больше ширина запрещенной зоны (1,2 эВ), чем у германия (0,7 эВ). В этом его основное преимущество, которое позволяет кремниевым приборам работать при более высоких температурах. Транзисторы на основе кремния могут работать при температурах до 120—150° С, в то время как для германиевых транзисторов предельная рабочая температура примерно вдвое меньше (70—85*0). Германиевые приборы не. удовлетворяют требованиям техники по температурным пределам. Однако у кремния значительно меньше подвижность электронов и дырок проводимости, что затрудняет создание высокочастотных приборов. Кроме того, кремний — весьма сложный в технологическом отношении материал. Его очень трудно очистить от некоторых примесей (например, бора).

В настоящее время промышленность выпускает монокристаллический кремний электронного и дырочного типов проводимости.

Метод производства монокристаллического германия

Изменение времени жизни неосновных носителей заряда после термообработки

Имеются веские доказательства для такого объяснения. В самом деле, путем исследования температурной зависимости временем жизни определено положение энергетических уровней термических центров рекомбинации в запрещенной зоне германия. В области температур примесной проводимости время жизни экспоненциально возрастает с температурой по закону

Экспериментально определяют зависимость т= =f(/T) с учетом поправки на Т

Исследования методом электронной микроскопии

Исследования методом электронной микроскопии

Они показали, что при отклонении от ионизационного равенства (3.1) в монокристаллической матрице полупроводника содержатся мелкодисперсные включения второй фазы. В этой

связи надо полагать, что явление полигенности связано с переходом из однофазного состояния сплава в двухфазное и, следовательно, с концентрированием легирующей добавки в виде электрически неактивных выделений второй фазы. Поставленные на основе этой гипотезы параллельные исследования растворимости при различных температурах и концентрации носителей заряда на примере фосфида и арсенида индия, легированных цинком и теллуром, цоказали справедливость высказанных соображений.

Следует отметить, что при легировании акцепторами наблюдается качественно совершенно такая же картина, как и при легировании донорами.

Независимо от характера трактовки физико-химической природы полигенности легирующих компонентов в полупроводниках надежно установленная взаимосвязь ее с пределами растворимости дает основания для управления концентрацией носителей заряда путем применения соответствующей термической обработки. Вместе с тем в свете этой взаимосвязи следует важное заключение о степени надежности работы соответствующих электронных устройств на основе сильнолегированных полупроводников, получаемых насыщением -при более высоких температурах, чем температурный диапазон работы данного устройства. Иными словами, о возможности распада твердого раствора на основе полупроводника в процессе работы прибора можно судить на основе анализа данных об изменении растворимости с температурой. Следует учесть, что такой распад может привести к изменению концентрации носителей заряда на целые порядки, что, естественно, может существенно изменить ^параметры соответствующего устройства и привести к отказу его работы. Вопрос о взаимосвязи полигенности с растворимостью приобретает таким образом, самостоятельное практическое значение и требует детальной разработки в отношении важнейших полупроводниковых материалов и соответствующих легирующих элементов.

Маркировка промышленности

Маркировка промышленности

При маркировке промышленных сплавов первая буква марки (К) обозначает материал (кремний), вторая (Э или Д) тип проводимости, третья — легирующую добавку. Числитель дроби — номинал удельного электросопротивления, Ом-см, при 300 К, знаменатель—длина диффузии неосновных носителей заряда, мм, при 300 К-Например: КЭФ 150/0,3 — кремний, электронного типа проводимости,

легированный фосфором, номинал марки по удельному сопротивлению 150 Ом-см, диффузионная длина не менее 0,3 мм.

В полупроводниковых приборах применяют чистый кремний, а также некоторые его соединения и сплавы. Например, карбид кремния широко используют для создания варисторов (нелинейных сопротивлений), термокомпенсаторов и др. Кроме того, он идет на изготовление нагревательных элементов для силитовых печей.

Чистый кремний используют для производства мощных силовых выпрямителей, стабилизаторов напряжения, мощных транзисторов, фотогальванических элементов с высоким значением коэффициента полезного действия (батареи из них называются «солнечными»), атомных батарей, тензодатчиков и др.

Называемый ретроградный характер кривых солидуса

Называемый ретроградный характер кривых солидуса

Это когда максимум растворимости легирующего компонента в твердом растворе а -(точка т) наблюдается выше эвтектической температуры t-s- При этом максимально возможные концентрации донорных легирующих примесей в твердом растворе на основе германия достигают примерно 2-Ю20 см-3, а в твердом растворе на основе кремния 2-Ю21 см-3, т. е. до 0,4-и 3,0% (ат.) соответственно, С понижением температуры растворимость легирующих компонентов в твердом растворе, как правило, резко уменьшается. Вследствие этого рбласти однородности твердых растворов на диаграммах состояния полупроводник — легирующий компонент столь узки, что исключается использование линейной шкалы для нанесения состава сплава. В настоящее время .для этой цели обычно применяют логарифмическую шкалу. Следует отметить, что на рис..32 для большей наглядности диаграмма состояния в области твердого рас-

твора а изображена в масштабе, в сотни  раз большем, чем остальная часть диаграммы.

Согласно диаграмме состояния на рис. 32, растворимость компонента В в а-твердом растворе меняется с изменением температуры по кривой ambd. В сплаве концентрации С в интервале температур t—12 твердый раствор а не насыщен по отношению к компоненту В (за исключением температур t и t% когда он насыщен). При понижении температуры до t2 твердый раствор а становится насыщенным, а при температурах ниже t2 — пересыщенным по отношению, к компоненту В.

Так как процессы диффузии в твердой среде при относительно низких температурах протекают сравнительно медленно, то для сплавов концентраций компонента В, отвечающих точкам dub (см. рис. 32) при соответствующей скорости охлаждения (достаточной для подавления диффузионных процессов, т. е. при закалке) удается зафиксировать при комнатной температуре пересыщенный а-твердый- раствор. Однако сохранить в пересыщенном твердом растворе можно только примеси с незначительным коэффициентом диффузии при комнатной температуре. Если подвижность примеси при комнатной температуре достаточно велика (литий и медь в кремнии), то происходит распад пересыщенного а-твердого раствора — естественное старение, которое может привести к существенному изменению всех .физико-химических и электрофизических свойств полупроводниковых сплавов.

Двойные и более сложные кислородные соединения

Двойные и более сложные кислородные соединения

Применяют для изготовления рабочих тел полупроводниковых термосопротивлений (CuO, Cu20, MgO, ZnO, А1203, SnO, Ti02) Сга08,МпаОз, Fe203, Co203) NiO, Ni203) NH4VO3, MgCr204, Zn2Ti04 И др.). Кроме того, закись меди Cu20 идет на изготовление разнообразнейших купроксных выпрямительных элементов. Двуокись титана Ti02 также является основой многих выпрямительных устройств.

Ферриты (оксиферы) — это ферромагнитные -полупроводники. Их удельное электросопротивление в 108—1014 раз больше, чем металлических ферромагнетиков, и, следовательно, потери на вихревые токи в высокочастотных электромагнитных полях у ферритов минимальны. В связи с этим ферриты являются основным магнитным материалом для техники высоких и сверхвысоких частот. В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент магнитно-мягких и магнитнотвердых простых и сложных ферритов.

Ферриты идут на изготовление сердечников трансформаторов, катушек индуктивности и фильтров, магнитострикционных преобразователей, элементов «памяти», различных постоянных магнитов для многих устройств сверхвысоких частот.

Ферриты используют в быстродействующих электронных счетных машинах, многоканальной телефонии, радиолокации, электроакустике и во многих других областях науки и техники.

Магнитокристаллическая анизотропия

Изменение времени жизни неосновных носителей заряда после термообработки

Имеются веские доказательства для такого объяснения. В самом деле, путем исследования температурной зависимости временем жизни определено положение энергетических уровней термических центров рекомбинации в запрещенной зоне германия. В области температур примесной проводимости время жизни экспоненциально возрастает с температурой по закону

Экспериментально определяют зависимость т= =f(/T) с учетом поправки на Т

Однородность состава и свойств монокристаллов полупроводников,

Изменение времени жизни неосновных носителей заряда после термообработки

Имеются веские доказательства для такого объяснения. В самом деле, путем исследования температурной зависимости временем жизни определено положение энергетических уровней термических центров рекомбинации в запрещенной зоне германия. В области температур примесной проводимости время жизни экспоненциально возрастает с температурой по закону

Экспериментально определяют зависимость т= =f(/T) с учетом поправки на Т

Применение сильно легированного полупроводника

Применение сильно легированного полупроводника

В настоящее время для туннельных диодов, лазерных и термоэлектрических устройств и некоторых других полупроводниковых приборов применяют сильно легированные полупроводники с концентрацией легирующих компонентов до 1020 см-3.

В связи с этим изменение электрофизических свойств полупроводниковых материалов при различных видах термообработки (отжиг, закалка, старение и т. д.) в общем случае может быть вызвано изменениями в составе твердого раствора, взаимодействием примесей и образованием структурных дефектов.

Рассмотрим наиболее важный случай влияния изменения растворимости примесей в твердом растворе с температурой на электрофизические свойства полупроводниковых материалов. Знание растворимости легирующего элемента и характера ее изменения с температурой необходимо для правильного понимания характера изменения свойств полупроводниковых материалов при Термообработке.

Для получения подобной информации рассмотрим соответствующие углы диаграмм состояния полупроводник— легирующий компонент. Общей особенностью диаграмм состояния на основе германия и кремния (рис. 32) является так

Сложными полупроводники

Сложными полупроводники

Это полупроводники основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов.

Сложными полупроводниками являются химические соединения и полупроводниковые сплавы.

а)   оксидные полупроводниковые стекла — тройные системы на основе Р205+Уг05 и окислов металлов I, II, V и других групп периодической системы (например, Ag20, Li20, BaO, Аэ2Оз, Sb203, WO3, Fe203 и др.); в этих стеклах пятиокись фосфора является стеклооб-разователем, пятиокись ванадия обеспечивает полупроводниковые свойства, а перечисленные окислы металлов стабилизируют стеклообразное состояние;

б)   халькогенидные полупроводниковые стекла 4As2Se3-As2Te3, As2Se3-3As2Te и др.;

9)   органические полупроводники — антрацен, нафталин, пента-цен, тетрацен, фталоцианин и др.;

10)   сплавы систем InAs—CdSnAs2, InSb—AgInTe2 и др.;

11)  жидкие полупроводники — растворы натрия и калия в аммиаке, сульфид таллия и др.

Самый факт существования жидких и стеклообразных полупроводников свидетельствует о том, что полупроводниковые свойства присущи не только кристаллическому,  но и аморфному состоянию.

Таким образом, химическая классификация полупроводниковых материалов убедительно свидетельствует о том, что, хотя число элементарных полупроводников и невелико, однако число полупроводниковых соединений и сплавов практически неограниченно. Все это открывает действительно неисчерпаемые возможности для поиска новых полупроводниковых материалов с нужными свойствами.

Одним из наиболее детально изученных и широко применяемых полупроводниковых материалов является германий.

В настоящее время -промышленность выпускает монокристаллический германий электронного и дырочного типов проводимости.