Авиа

Архив рубрики «Физико-химические основы термической обработки полупроводников»

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.

Классифицируют на легированный и нелегированный.

Существующая в настоящее время система обозначения отдельных марок монокристаллического германия состоит из нескольких элементов. Первая буква — Г — обозначает исходный материал (собственно германий). Вторая буква — Д или Э — обозначает дырочный или электронный тип проводимости. Третья буква определяет элемент легирующей добавки (Ф — фосфор, Б’—бор, С — сурьма, Г — галлий и т. д.).

В обозначение входит числовая дробь. Ее числитель указывает номинальное значение удельного сопротивления. Ом-см, при 300 К,

а знаменатель — гарантируемое значение диффузионной длины неосновных носителей заряда, мм, также при 300 К-   Например:

1) ГЭС 20/1,0 —германий, электронного типа проводимости, легированный сурьмой, номинал марки по удельному сопротивлению 20 Ом-см, диффузионная длина не менее 1,0 мм;

.2) ГДГ 1,0/0,6 — германий, дырочного типа проводимости, легированный галлием, номинал марки по удельному сопротивлению 1,0 Ом-см, диффузионная длина не менее 0,6 мм.

¦ В настоящее время германий находит широкое применение в различных областях науки и техники для изготовления разнообразных приборов. В электротехнике из германия изготавливают высококачественные силовые выпрямители (диоды) электрического тока. По сравнению с селеновымии ртутными выпрямителями германиевые обладают рядом преимуществ. Коэффициент полезного действия германиевых диодов- и выпрямителей достигает 96—99%, ртутных 80— 85%, селеновых 75—80%.

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.

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.

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.

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.

Для получения материалов с ППГ необходимо, чтобы магнитокристаллическая анизотропия преобладала над другими видами анизотропии. В таком случае направление легкого намагничивания во всем объеме материала совпадает с направлением внешнего магнитного поля. При этом намагничивание осуществляется только путем

смещения границ доменов, а процесс вращения вектора намагниченности практически отсутствует. Экспериментальное изучение процесса перемагничивания однородного магнитоодноосного ферромагнитного образца, обладающего’ ППГ, показало, что перемагничивание начинается от одного единственного зародыша перемагничивания внутри образца и весь процесс идет благодаря росту объема зародыша, т. е. смещению его границ с конечной скоростью в виде одиночного большого скачка Баркгаузена.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в материалах с ППГ процесс перемагничивания происходит практически во всем объеме образца при одном и том же поле, равном коэрцитивной силе.

По составу, состоянию и способу получения материалы с ППГ подразделяют на: 1) ферриты; 2) текстуро-ванные ферромагнитные ленты; 3) тонкие ферромагнитные пленки.

Качество изготовленных из них полупроводниковых приборов в значительной степени зависят от диффузионных процессов, протекающих в этих монокристаллах при их выращивании и термообработке. Диффузия в полупроводниках тесно связана с наличием в реальных кристаллах структурных дефектов. Примеси — наиболее распространенные и наиболее управляемые дефекты в полупроводниках. Поэтому многие явления термообработки полупроводников определяются и контролируются процессами диффузии. Знание диффузионных констант позволяет сознательно управлять процессами термической обработки полупроводников.

Как известно, монокристаллические полупроводниковые материалы являются однородными твердыми растворами чаще всего замещения, реже внедрения и вычитания.    

Следует отметить, что большинство задач полупроводниковой техники связано с чрезвычайно сильным влиянием на электрофизические свойства полупроводниковых материалов исключительно малых концентраций легирующих компонентов. При этом’ наиболее сильное влияние на электрофизические свойства полупроводниковых материалов оказывают элементы, находящиеся в твердом растворе. За пределами растворимости в твердом растворе это влияние гораздо слабее. В связи с этим при легировании полупроводниковых материалов руководствуются   пределами   растворимости в твердом

состоянии. До 1958 г. применяли слабо легированные полупроводниковые материалы с содержанием легирующих компонентов до 1016 см-3.

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

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.

Это при температуре 800° С в условиях, исключающих загрязнение, в течение трех месяцев производили отжиг. Последующие измерения показали, что у сплава с соотношением алюминия и сурьмы, равным 1:1, микротвердость понизилась на 600 МПа, а электросопротивление несколько возросло (рис. 33, кривые 2). После этого был проведен повторный отжиг еще в течение трех месяцев при той же температуре. Соответствующие измерения показали (рис. 33, кривые 3), что микротвердость- понизилась еще на 900 МПа, а удельное электросопротивление возросло более чем на два порядка. Свойства соседних по составу сплавов изменились менее существенно.

Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать заключение, что в твердых растворах

алюминия и сурьмы в кремнии при эквиатомном соотношении между легирующими компонентами в процессе длительного отжига имеет место химическое взаимодействие, приводящее, очевидно, к образованию донорно-акцепторных комплексов и сопровождающееся направленным и существенным изменением свойств. Это обстоятельство раскрывает определенные возможности проведения термической обработки с целью стабилизации параметров сложнолегированного материала, делающей его более надежным при использовании в соответствующих устройствах.

В твердом растворе и характера ее изменения с температурой необходимо для правильного понимания тех изменений в электрических свойствах полупроводников, которые имеют место при их термообработке.

Следует отметить и другую сторону данного вопроса.

В условиях работы электронных устройств возможен распад твердого раствора, приводящий к обеднению его одним компонентом и относительному обогащению другим, что приводит к выходу из строя соответствующей аппаратуры. Разумеется, реальная картина поведения примесей в сложнолегированном материале осложняется взаимодействием между легирующими элементами. Очевидно, речь идет об изменении взаимной растворимости в соответствующей тройной системе, приводящем к тем же последствиям, а в отношении тройных систем — о соответствующих четверных либо более’ сложных системах. Рассмотрим кратко вопросы взаимосвязи полигенно-сти и растворимости. В простейшем случае при легировании полупроводника однозарядными донорами или акцепторами должны быть справедливы следующие ионизационные равенства:

Обзор данных относительно экспериментальной проверки справедливости этих равенств на примере германия, кремния и арсенида галлия приведен в монографии В. И. Фистуля1. Из этих данных следует, что при легировании полупроводника донорами после определенной концентрации, которая названа пороговой, наблюдаются отклонения от ионизационного равенства (3.1).

Это явление получило неудачное название политро-пии — термин, заимствованный из технической термодинамики (в переводе с греческого «поли» — много, «тро-пос» — путь). Для того чтобы подчеркнуть возможность существования атомов легирующих элементов в разнова-лентном состоянии, более целесообразно и правильно применять термин «полигенность», используемый широко для этих же целей при описании расплавленных металлов и полупроводников.

Являются электрическими аналогами ферро- и антиферромагнетиков.

Сегнетоэлектрики применяют в малогабаритных конденсаторах (например, материалы на основе титана бария СМ-1 и Т-1700), в нелинейных конденсаторах (изготавливают из твердых растворов стан-иата бария, цирконата бария или титаната стронция в титанате бария), в пьезоэлементах (твердые растворы титаната свинца и кальция в титанате бария и др.), в накопительных элементах — «ячейках памяти» (моно- и поликристаллы титаната бария и др.).

В настоящее время ведется интенсивная разработка и непрерывное внедрение в производство все новых и новых полупроводниковых материалов — основы бурного прогресса полупроводниковой техники.

Несмотря на свою молодость, материаловедение полупроводников достигло больших успехов. Важные исследования в области материаловедения полупроводников выполнены в СССР под руководством академиков А. Ф. Иоффе, Н. П. Сажина, А. В. Новоселовой и др.

Основные параметры и характеристики

В современной технике применяют магнитные материалы с различными физическими свойствами, так как разнообразны и задачи, которые решаются с их помощью.

Подразделяют на две основные группы — магнитномягкие и маг-нитнотвердые. К третьей группе относят материалы специального назначения, применение которых основано на особенностях магнитных свойств, определяемых составом и структурой. К таким материалам относятся ферриты, металлические сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) и некоторые другие.

Материалы с ППГ широко применяют в устройствах электронной вычислительной техники и автоматики для переработки и передачи информации и для хранения дискретной информации (элементы «памяти»)..

Для правильного использования существующих материалов с ППГ необходимо оценивать их именно по тем характеристикам, которые описывают поведение материалов в условиях службы изделий. К материалам и изделиям указанного типа предъявляются специальные требования.

Основными требованиями к материалам для статических магнитных запоминающих устройств являются: высокая степень прямоугольности петли гистерезиса, заданное значение коэрцитивной силы Нс и минимальное время перемагничивания (время переключения):

остаточная магнитная индукция, соответствующая максимальному значению магнитной индукции Вт\ Нт — напряженность магнитного поля, соответствующая индукции   насыщения Вт (рис. 34)   {В-Нт/2 — индукция   при Н = -Нт/2).

Среди полупроводниковых соединений ведущее место принадлежит соединениям типа Аш В", так как они обладают широким диапазоном электрофизических свойств. Благодаря высокой подвижности носителей их можно применять для быстродействующих приборов, для осуществления прямых электронных переходов в инжекци-онных диодах и лазерах и др. Их также широко используют в различных туннельных диодах (арсенид галлия, антимонид галлия, ан-тимонид индия и др.). фотосопротивлениях (антимонид индия и др.), датчиках э. д. с. Холла (антимонид индия, арсенид индия и др.) и во многих других приборах.

Наиболее часто применяемые при создании инжекционных полупроводниковых лазеров полупроводниковые материалы и длины волн генерируемого этими лазерами излучения X, мкм, следующие: GaAs0,84; InAsO.31; InP,0,91; GaAs+GaP 0,65—0,84.

Среди  материалов,  используемых  в лазерной  технике,  помимо соединений типа Л111 В" ‘находятся также соединения типа Аи Вт (CdSe, HgSe, CdTe, HgTe и др.)  и AUIBVI  (селениды и теллуриды галлия и индия).

Полупроводниковые лазеры в настоящее время применяют в физике, химии, биологии, медицине, точном машиностроении и в космических исследованиях. Интересно отметить, что лазерный луч мощностью всего в 2 Вт на Луне был бы виден ярче, чем сотни миллионов ватт электрического света. Причина этого — в строгой направленности лазерного луча. Он доходит до Луны без сколько-нибудь значительного рассеивания, в то время как море огней гигантского города рассеивается на большой площади.

Её измеряют в достаточно сильном магнит–ном поле ( в пять раз превышающем коэрцитивную силу #с). У современных материалов а = 0,85^0,98. Желательно, чтобы значение а было возможно ближе к единице, так как сердечник из материалов с идеальной прямо-угольностью (сс=1) имеет два   устойчивых   магнитных

состояния, соответствующих положительному (-\-Вг) и отрицательному (—ВТ) значениям остаточной индукции, что создает возможность для хранения и переработки двоичной информации. В двоичной системе счисления все числа можно воспроизвести только двумя цифрами 1 и 0, соответствующими указанным двум значениям остаточной индукции.

В данном случае методы записи и получения («считывания») информации основаны на процессе переключения сердечников из одного магнитного состояния- в другое при подаче в обмотки сердечников соответствующих импульсов тока. Установлено, что чем ближе петля гистерезиса к идеальной, тем больше отношение полезного сигнала к сигналу помехи. Для петли гистерезиса с а= . – = 1 сигнал помехи равен нулю.

Величину Н0 можно приближенно оценивать формулой #о= (1,2-f-1,4) #с. Время перемагничивания (время переключения) т может достигать величины от долей до нескольких микросекунд. Если значения напряжённости поля измерять в амперах на метр, а %’— в микросекундах, то коэффициент переключения будет выражаться в амперах, умноженных на микросекунды и деленных на метр (А-мкс/м). Для пермаллоевых сердечников из ленты толщиной несколько микрометров S=25-М 60 АХ Хмкс/м. По мере уменьшения толщины ленты величина 5 уменьшается (она минимальна у ферромагнитных пленок). Для ферритов 5 = 25-=-55 А-мкс/м.

Среди важнейших проблем производства полупроводниковых приборов особое место занимает проблема термической стабильности электрических свойств монокристаллических полупроводниковых материалов. Она возникла в связи с тем, что в процессе создания электронно-дырочных переходов, в частности при изготовлении плоскостных диодов и триодов, монокристаллы подвергаются термической обработке при высоких температурах (примерно на 200° С ниже точки плавления), в результате чего изменяются электрические свойства исходного материала.

Известно, например, что после нагрева германия я-тица до 500° С и выше и последующего быстрого охлаждения изменяется не только величина удельного электросопротивления, но и тип проводимости (т. е. наблюдается термоконверсия — появление в германии р-типа проводимости). Температура нагрева и время выдержки, необходимые для превращения, зависят от содержания лримесей. Последующий отжиг при температуре ниже температуры, превращения может восстановить электронный тип проводимости.                 В настоящее время считают, что термоконверсия германия, а также арсенида галлия обусловлена диффузией меди (акцепторная примесь), адсорбированной на поверхности кристаллов из травящих и промывающих растворов. С нашей точки зрения причина термоконверсии и последующего отжига термоакцепторов заключа-

ется в следующем.. При нагреве до температуры выше 500° С медь, проникая в объем германия в количествах, достаточных для полной компенсации доноров, превращает проводимость германия в дырочный типТ При этом следует помнить, что растворимость меди в германии резко убывает с уменьшением температуры. Поэтому при быстром охлаждении (закалке) фиксируется пересыщенный твердый раствор меди в германии. Последующий «отжиг» (точнее, высокий отпуск) приводит к выделению избыточной меди на дислокациях и других дефектах решетки с образованием примесных атмосфер и других микроагрегатов второй фазы. При этом концентрация акцепторной меди в твердом растворе резко уменьшается, что сопровождается декомпенсацией донорных примесей и восстановлением электронного,типа проводимости.

Наиболее чувствительно к режиму термообработки время жизни неосновных носителей тока. Зачастую оно снижается настолько, что германий и кремний становятся непригодными для применения в некоторых полупроводниковых приборах.

В жидких либо твердых растворах. Ориентиром в данном случае могут служить значения соответствующих теплот образования [см. уравнение (3.9)], а также характер диаграмм состав — свойство, полученных при физико-химическом анализе тройных систем типа полупроводник — акцептор — донор по раз-резам-изоконцентратам с постоянным содержанием полупроводника-растворителя и в жидкой, и в твердой фазах.

Классификация полупроводниковых материалов

Наиболее распространенными полупроводниками являются германий и кремний. Однако существует также много других веществ с полупроводниковыми свойствами. Рассмотрим лишь основные показатели этих материалов.

В настоящее время нет общепринятой исчерпывающей классификации полупроводников. Поэтому в зависимости от исходных позиций можно классифицировать полупроводниковые вещества по разным признакам. Наиболее полную классификацию полупроводников можно провести по типу их химической связи. Однако учитывая задачи настоящего пособия, ограничимся химической классификацией полупроводников, которая основана на периодической системе Д. И. Менделеева.

Согласно такой классификации все полупроводниковые вещества можно разделить на два класса: простые и сложные полупроводники.

Простыми называются полупроводники, основной состав которых  -образован атомами одного химического элемента.

Простыми полупроводниками являются следующие элементы: бор, углерод, кремний, германий, .олово, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур и иод. Следует отметить, что-бор, углерод, олово, фосфор и мышьяк проявляют полупроводниковые свойства только в определенных модификациях, что лишний раз подчеркивает зависимость полупроводниковых свойств от характера химической связи.

В ряде исследований отмечено, что в твердых растворах на основе полупроводника между легирующими элементами донорного и акцепторного типа возможно взаимодействие, приводящее к образованию донорно-акцепторных комплексов, сущест-

венно влияющих на свойства материала. Степень ассоциации атомов легирующих элементов в комплексы либо степень их диссоциации в существенной степени зависит от теплового воздействия на материал, его интенсивности и длительности. Указанные процессы (ассоциации и диссоциации) можно представить в виде системы двух реакций, протекающих между продуктами ионизации доноров и акцепторов согласно уравнениям (3.1) и (3.2):

Это выражение характеризует температурную зависимость константы равновесия донорно-акцепторного взаимодействия в твердом растворе на основе полупроводника и, следовательно, служит отправным моментом при подходе к термической обработке сложнолегированного полупроводникового материала.

Насколько существенно- процессы ассоциации или диссоциации сказываются на свойствах материала после проведения соответствующей термической обработки, можно судить из рассмотрения следующего примера. В кремний вводили алюминий и сурьму в различных соотношениях и-исследовали – свойства тройных твердых растворов по разрезам-изокон-центратам, располагающимся по составу в пределах области гомогенности на основе кремния.

Их изготавливают не только в дискретном виде; в качестве активных элементов они входят в состав твердых интегральных схем. Как известно, интегральная схема состоит из активных и пассивных элементов. В качестве подложки используют кремний, сапфир, ситаллы. Для активных элементов интегральных схем применяют в основном те же материалы, что и при изготовлении приборов в дискретном исполнении.

Из других простых полупроводников следует отметить селен, из которого изготавливают различные выпрямители, фотосопротивления, фотоэлементы и др. Многие" двойные и тройные соединения селена с другими элементами применяют в качестве фотосопротивлений (се-ленид кадмия, селенид свинца и др.) и термоэлементов (PbSe, BiSe3, PbTe—PbSe и др.).

Теллур используют для детекторов ¦у-частиц при низких температурах. Однако наиболее важны для практики его двойные и тройные соединения, обладающие высокими фото- и термоэлектрическими свойствами. Это позволяет применять их для фотоэлектрических приборов (PbS, PbTe и др.). термоэлектрогенераторов и охлаждающих устройств (Bi2Te3, Sb2Te3 и др.), пленочных датчиков э. д. с. Холла (HgSe, HgTe и др.).

Бор до настоящего времени еще не нашел самостоятельного применения в полупроводниковых приборах. Однако его замечательные свойства — большая ширина запрещенной зоны, высокая температура плавления и, по-видимому, высокие значения подвижности носителей заряда делают бор весьма перспективным материалом.

Сера и фосфор в полупроводниковой технике самостоятельного значения не имеют (в основном из-за очень низкой температуры плавления). Однако они являются основными компонентами ряда важных полупроводиковых материалов.

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’/*, что позволяет определить величину Д?. Установлено, что величина &Е после отжига и закалки германия равна 0,24 эВ, что соответствует энергии ионизации одного из уровней (второго) атомов меди в решетке германия (см. табл. 8).

Исследованию причин термической нестабильности электрических свойств монокристаллов кремния посвящен ряд работ советских и зарубежных авторов. В част-

ности, нами исследовано совместное влияние внутренних факторов (содержания микропримесей, плотности дислокаций, остаточных напряжений) и внешних факторов (диффузии микропримесей с поверхности) на термическую стабильность электрических свойств монокристаллов кремния. Установлено, что главной причиной термической нестабильности времени жизни неосновных носителей тока в монокристаллах кремния после нагрева до 800 и 1200° С является диффузия рекомбинационно-ак-тивных примесей, адсорбированных на поверхности образцов в процессе их механической и химической обработок.

Рассмотрим изменение физико-химического состояния твердого раствора и электрофизических свойств при термообработке полупроводников.

Важной характеристикой материалов с ППГ является коэрцитивная сила. В зависимости от назначения применяют материалы либо с небольшим значением коэрцитивной силы (для работы в устройствах переработки дискретной информации), либо с относительно большим значением Нс (для хранения дискретной информации в быстродействующих счетно-решающих системах). Кро-’ ме того, основные параметры материалов с ППГ не должны существенно изменяться в заданном интервале частот, температур и т. д.

Требования, предъявляемые к материалам с ППГ, могут быть увязаны со свойствами цикла гистерезиса. Однако цикл гистерезиса дает очень грубую картину того, что происходит при перемагничивании материала сердечника. Для правильной оценки материала сердечника запоминающего устройства цикла гистерезиса недостаточно. Поэтому материалы сердечников необходимо испытывать в импульсном режиме по программе, соответствующей рабочим условиям.

В настоящее время двоичные элементы на сердечниках с ППГ по надежности заметно превосходят не только ламповые, бо и полупроводниковые элементы.