ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.02.2024
Просмотров: 21
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной
технический университет»
Кафедра АТМ
Реферат на тему:
«Технологии производства полупроводников»
по дисциплине «Конструкционные и электротехнические материалы»
| Выполнил ст. гр. АГдЗ 21-01 (шифр группы) | | Р. Д. Тасинкамбетов |
| | | 13.02.2023 |
| | | |
| Проверил _______________ (должность) | | И.О. Фамилия |
Уфа, 2023
Содержание
1 Полупроводниковые материалы
1.1 Электропроводность полупроводников
1.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
1.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
1.4 Основные полупроводниковые материалы
1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Полупроводниковые материалы по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Как и металлы, они обладают электронной проводимостью; как и у диэлектриков, у полупроводников валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. Отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от внешних факторов. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны у них относительно невелика (0,01 – 3 эВ), что позволяет электронам валентной зоны, получив дополнительную энергию извне, преодолеть запрещенную зону и оказаться в зоне проводимости, получив статус свободного носителя заряда. Удельное сопротивление полупроводников составляет
10-6 – 108 Ом*м. При этом надо подчеркнуть, что между проводниками и полупроводниками различие имеет качественный характер (наличие у последних запрещенной зоны), а между полупроводниками и диэлектриками это различие количественное (ширина запрещенной зоны).
При действии какого-либо внешнего фактора, например, энергетического воздействия (температуры, света, ядерного излучения) или введения даже ничтожно малого количества примесей, полупроводники превращаются в проводники. Для перехода в состояние диэлектрика необходимо уменьшить температуру полупроводника: при ее приближении к 0 К полупроводники прекращают проводить электрический ток и превращаются в диэлектрики.
Полупроводники делятся на простые и сложные. Простыми называются полупроводники, образованные атомами одного химического элемента, а сложными – двух или более элементов. В таблице 3.1 перечислены 9 простых полупроводников. Наиболее часто в современной полупроводниковой технике используются германий и кремний. Полупроводниковыми свойствами обладают также некоторые аллотропные модификации олова (серое олово), сурьмы и углерода.
Таблица 1.1 – Простые полупроводники
| Элемент | Ширина запрещенной зоны, эВ | Элемент | Ширина запрещенной зоны, эВ | Элемент | Ширина запрещенной зоны, эВ |
| Бор | 1,10 | Фосфор | 1,50 | Селен | 1,70 |
| Кремний | 1,12 | Мышьяк | 1,20 | Теллур | 0,36 |
| Германий | 0,72 | Сера | 2,50 | Йод | 1,25 |
Сложные полупроводники, в свою очередь, делятся на химические соединения и композиции (комплексы). К химическим соединениям относятся соединения элементов разных групп таблицы Менделеева, например, бинарные соединения общей формулы AIVBIV (например, карбид кремния SiC), AIIIBV (антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP), AIIBIV (сульфид свинца PbS, теллурид кадмия CdTe, селенид цинка ZnSe), а также некоторые оксиды (например, Cu2O) и вещества более сложного состава. К полупроводниковым композициям относятся материалы с полупроводящей или проводящей фазой, например, из карбида кремния и графита, сцепленных глинистой, стеклянной, керамической или другой связкой. Наиболее распространенными являются композиции вилит, тирит, силит и некоторые другие.
1.1 Электропроводность полупроводников
► Собственные полупроводники
Как уже отмечалось, в полупроводниках появление носителей заряда определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются чистота материала и его температура. В зависимости от степени чистоты полупроводники делятся на собственные и примесные. Собственный полупроводник – это полупроводник, в котором отсутствуют примесные атомы другой валентности, влияющие на его электропроводность. Естественно, в реальных материалах в кристаллической решетке всегда существуют примеси, но у собственных полупроводников их концентрация пренебрежимо мала.
Рассмотрим строение полупроводникового материала, получившего наибольшее распространение в современной электронике, – кремния (Si). В кристалле этого полупроводника атомы располагаются в узлах кристаллической решетки, а электроны наружной электронной оболочки образуют устойчивые ковалентные связи, когда каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам и крепко связана с ними. Кремний относится к IV группе таблицы Менделеева, следовательно, на наружной электронной оболочке располагаются по четыре валентных электрона; это означает, что вокруг каждого из атомов, кроме четырех собственных электронов, вращаются еще четыре соседних электрона. Таким образом, вокруг каждого атома образуются прочные электронные оболочки, состоящие из восьми обобществленных валентных электронов (рисунок 1.1). Такая связь характеризуется очень высокой прочностью.
При температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) все энергетические состояния внутренних зон и валентная зона занята электронами полностью, а зона проводимости совершенно пуста, поэтому кристалл полупроводника фактически является диэлектриком.
► Примесные полупроводники
Полупроводники, в кристаллическую решетку которых введены атомы примесей с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, называются примесными. Электрическая проводимость, создаваемая введенной примесью, называется примесной проводимостью. Именно примесные полупроводники используются для изготовления всех элементов электроники. У них концентрация носителей заряда, вызванных наличием примеси, значительно превышает концентрацию собственных носителей заряда, поэтому электропроводимость проявляется при более низких температурах. Дело в том, что в рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. При их малой концентрации вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Но, однако, примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.
Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимаются не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные собственные атомы. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлиях решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротрещины и т.д.
В зависимости от валентности примеси делятся на донорные и акцепторные. Если валентность примесных атомов больше, чем основных, примесь является донорной, т.к. в этом случае у примесного атома образуется лишний электрон, не участвующий в ковалентной связи с основными атомами. Этот электрон связан со своим атомом только силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика (сотые доли электрон-вольта). Поскольку при комнатной температуре тепловая энергия электрона kT=0,026эВ, ионизация примесных атомов происходит уже при этой температуре. Лишний электрон отрывается от атома и становится свободным, т.е. примесные атомы выполняют роль доноров электронов.
С точки зрения зонной теории, донор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости.
1.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
► Тепловая энергия
Удельная электропроводимость полупроводников в соответствии с формулой (3.10) зависит от концентрации и подвижности свободных носителей заряда, которые, в свою очередь, зависят от температуры. Если влияние температуры на подвижность относительно невелико, то на концентрацию температура влияет очень сильно. Поэтому общая зависимость электропроводимости от температуры подобна температурной зависимости концентрации, которая носит экспоненциальный характер.
Тогда зависимости удельной электропроводимости от температуры для собственного и примесного полупроводника будут иметь вид:
 | (3.33) |
 , | (3.34) |
где γ0 – удельная электропроводность основного материала при Т → ∞;
ΔWА – энергия ионизации примесей;
γА – удельная проводимость примесей при Т → ∞.
1.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
Термоэлектричество – явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках (полупроводниках), а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников (полупроводников) проходящим током. Термин «термоэлектричество» охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов.
1.4 Основные полупроводниковые материалы
Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов, включающий как отдельные элементы, так и химические соединения, органические и неорганические вещества, кристаллические и аморфные и т.п.
Основу современной электроники составляют неорганические кристаллические полупроводники (см. таблицу 3.1) и их соединения. Ведущее место среди них по целому спектру характеристик (совокупность электрофизических свойств, отработанность технологических процессов производства и т.п.) занимают германий и кремний.
► Германий
Германий стал первым применяться в полупроводниковой технике и на сегодняшний день является наиболее изученным полупроводником, хотя по объемам использованию уступил первенство кремнию. Существование германия и его основные свойства были предсказаны Д.И. Менделеевым, который назвал его экосилицием. Через полтора десятка лет этот элемент действительно был обнаружен в Германии, в честь которой он и получил свое название.