Загальна характеристика напівпровідникових матеріалів
Сумський державний університет
ЕлИТ факультет
Кафедра прикладної фізики
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни
„ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ”
Тема роботи: Загальна характеристика напівпровідникових матеріалів
Виконала: ст. гр. ЕП-81
Копил А.М.
Перевірив: Опанасюк Н.М.
Суми – 2010
ЗМІСТ
Вступ
1. Класифікація напівпровідникових матеріалів
1.1 Германій
1.2 Кремній
1.3 Селен
1.4 Карбід кремнію
1.5 Окисні напівпровідники
1.6 Склоподібні напівпровідники
1.7 Органічні напівпровідники
2. Застосування напівпровідникових матеріалів та вимоги до них
3. Електрофізичні властивості
3.1 Зонна структура напівпровідникових сплавів
3.2 Методи виробництва кремній – германієвих сплавів
3.3 Дислокації в місцях концентраційних флуктуацій
Висновки
Література
ВСТУП
Кількість типів напівпровідникових приладів дуже великий і кожний прилад залежно від принципу дії й необхідних електричних параметрів має потребу в напівпровідниковому матеріалі з певними властивостями.
Швидке зростання виробництва й підвищення надійності виробів електронної техніки залежать не тільки від методів їхнього виготовлення й культури, але й у значній мірі від електрофізичних й інших властивостей застосовуваних матеріалів, які в багатьох випадках визначає параметри напівпровідникових приладів й інтегральних мікросхем і впливають на стабільність їхньої роботи в електричних і теплових режимах, а також при тривалому зберіганні.
Технологія промислового виробництва напівпровідникових приладів й інтегральних мікросхем - складний багатоступінчастий процес, що вимагає застосування на кожному етапі великої кількості специфічних матеріалів з певними властивостями. Так, основою для створення цілого ряду виробів електронної техніки став клас матеріалів - напівпровідники, які мають властивості, необхідні для одержання приладів з високими електричними характеристиками.
Напівпровідникові матеріали, які застосовують для виготовлення різних класів приладів і інтегральних схем, повинні відповідати ряду вимог.
При розгортанні виробництва нових електронних приладів на напівпровідниковій основі віддача від інвестицій носить кумулятивний характер: на кожному етапі впровадження нових технологій неможливе без виробничої бази, створеної раніше. Тому має сенс максимально використовувати наявне устаткування, удосконалюючи його під постійно змінні вимоги ринку. Такий підхід дозволяє без величезних разових вкладень працювати на сучасному рівні, його використовують більшість сучасних фірм, таких як Intel, Sony, Toshiba, IBM. Одна із сторін методу – використання матеріалів з новими властивостями, що дозволяють використовувати для своєї обробки широко поширені, налагоджені і такі, що окупили себе технології.
1. КЛАСИФІКАЦІЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
Напівпровідникові матеріали по хімічному складі можна розділити на прості й складні. Простими напівпровідниковими матеріалами є хімічні елементи: бор В, вуглець СО2, германій Ge, кремній Si, селенів So, сірка S, сурма Sb, телур Ті й йод J. Найбільш широке застосування як самостійні напівпровідникові матеріали знайшли тільки три з них: германій, кремній і селенів. Інші використаються як легуючі добавки до германія й кремнію або компонентів складних напівпровідникових матеріалів.
У групу складних напівпровідникових матеріалів входять хімічні сполуки, що володіють напівпровідниковими властивостями й включають у себе два, три або більше елементи, наприклад арсенід галію GaAs, телурид вісмуту Bi2Te3, силіцид цинку й фосфору ZnSi2 і ін. Напівпровідникові матеріали цієї групи, що складаються із двох елементів, називаються бінарними сполуками й так само, як це прийнято в неорганічній хімії, мають найменування того компонента, у якого металеві властивості виражені слабкіше. Так, бінарні сполуки, що містять миш'як, називають арсенідами, сірку - сульфідами, телур-телуридами, вуглець - карбідами.
Тверді розчини напівпровідникових матеріалів позначають символами вхідних у них елементів з індексами, які визначають атомну частку цих елементів у розчині [1].
До складних напівпровідникових матеріалів відносять також тирит, сіліт, ферит, аморфні стекла й ін.
По ступені досконалості решітки всі кристали можна розділити на ідеальні й реальні, а по сполуці — на стехіометричні й нестехіометричні.
Ідеальні — це кристали, кожний атом яких перебуває у положенні, які характеризують мінімумом потенційної енергії, тобто упорядковано розташований як стосовно своїх найближчих сусідніх атомів, так і до атомів усього об'єму кристала. Стехіометричністю прийнято називати пропорційність масової сполуки вхідних елементів атомним масам у хімічній формулі речовини, що утворить даний, кристал. Якщо масова сполука кристалічної речовини пропорційна його хімічній формулі, кристал має стехіометрична сполука. Таким чином, ідеальні кристали по сполуці є стехіометричні.
Більшість напівпровідникових матеріалів являє собою кристалічні тверді речовини з упорядкованою періодичною структурою. При описі різних структур користуються наступними термінами:
- елементарний осередок, що представляє собою найменший об'єм кристалічної речовини у вигляді паралелепіпеда, переміщаючи який уздовж трьох незалежних напрямків, можна одержати кристал;
- постійна решітки, обумовлена як довжина елементарного осередку уздовж однієї з осей;
- кристалографічні осі, що показують напрямки кристала й визначають ребра елементарного осередку.
Розглянемо основні типи кристалічних решіток.
Рисунок 1 - Розташування атомів у простій кубічній решітці [1]
Проста кубічна решітка (рис. 1) складається з атомів, що лежать у вершинах куба. Типовим матеріалом з такою структурою є хлористий цезій, у решітці якого послідовно чергуються позитивні іони цезію й негативні іони хлору.
Гранецентрована кубічна решітка (рис. 2, а) більш складніша, чим проста кубічна, тому що в ній атоми розміщені не тільки у вершинах куба, але й у середині кожної грані. Типовими матеріалами з такою структурою є хлористий натрій (рис. 2, б) і алюміній.
Рисунок 2 - Розташування атомів у гранецентрованій кубічній решітці[1]: а) Загальний вид: 1-хлор; 2-натрій; б) Решітка іонного кристала хлористого натрію
Об’ємноцентрована кубічна решітка складається з атомів, розташованих у кутах і в центрі куба (але не на його гранях). Типовим матеріалом з такою структурою є залізо при нормальній температурі.
Рисунок 3 - Решітка типу алмаза [1]
Крім цих порівняно простих, структур існують більше складні, але також з кубічним елементарним осередком. Найбільш важливої з них є решітка типу алмаза (рис. 3).
Більшість напівпровідникових матеріалів після кристалізації мають решітку типу алмаза. Основну роль у цій решітці грає наявність тетраедричних зв'язків; кожний атом з'єднаний із чотирма найближчими атомами валентними зв'язками. Решітка типу алмаза являє собою модифікацію гранецентрованої кубічної решітки й складається із двох гранецентрованих решіток, зрушених відносно один одного на l/4 діагоналі осередку. У решітці цього типу ребра елементарного осередку не збігаються з напрямками валентних зв'язків[1] .
1.1 Германій
Германій Ge ставиться до IV групи періодичної системи елементів. Атомна маса 72,59. Температура плавлення 937° С. Зміст германія в земній корі невелике й становить близько 0,001%. У незначних кількостях германій утримується в цинкових рудах, вугільного пилу, золі, сажі й морській воді. Германій майже не має своїх руд. Єдина руда германія – германіт – містить набагато більше міді, заліза й цинку, чим германія. Видобуток германія – складний технологічний процес.
В твердому стані германій — типовий ковалентний кристалічний матеріал, що володіє характерним блиском. Механічна обробка германія утруднена, а на звичайних токарських, свердлильних і фрезерних верстатах взагалі неможлива, тому що це дуже твердий тендітний матеріал.
Кристалічний германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі; при температурі вище 600° С окисляється до двоокису германія Ge02. Вода на германій не діє, у соляній НС1, азотній HN03 кислотах германій не розчиняється. Активно розчиняють германій при кімнатній температурі царська горілка (суміш соляної й азотної кислот), розчин перекису водню, різні травники (суміші кислот). У розчинах киплячих лугів КІН і NaOH германій добре розчиняється, а в холодні мало розчинний. Додавання в розчини лугів перекису водню підвищує розчинність германія. У розплавлених лугах германій швидко розчиняється з утворенням розчинних у воді германітов. Розплавлені вуглекислий і азотнокислий натрій також швидко розчиняють германій з виділенням відповідного газу.
В напівпровідниковій технології широко використають кварцові й графітові тиглі, касети, контейнери й інші вироби.
Основними сполуками германія є двоокис, моноокис і тетрахлорид германія.
Двоокис германія Ge02 — аморфна або кристалічна речовина. Аморфну (склоподібна) модифікацію одержують швидким охолодженням розплавленого двоокису германія. У присутності каталізаторів склоподібна модифікація переходить у кристалічну тетрагональну, котра потім перетворюється в гексагональну. У більшості випадків двоокис, що утвориться в багатьох процесах, германія являє собою суміш аморфної й гексагональної модифікацій [1].
Двоокис германія розчиняється в соляний і сарною кислотах, а також у лузі.
Двоокис германія — порошок білих кольорів, використовуваний для виробництва напівпровідникового полікристалічного й монокристалічного германія, випускають трьох груп: ГД1, ГД2 і ГДЗ, які відрізняються друг від друга змістом основної речовини й домішок.
Моноокис германія Ge утворюються в результаті диспропорційності або в процесі відновлення двоокису германія. У деяких випадках вона утвориться в розчинах. Моноокис германія має аморфну структуру. У воді моноокис германія практично не розчиняється, а в сарною й соляний кислотах розчиняється повільно.
Тетрахлорид германія GeCl4 утвориться в результаті хлорування й солянокислої обробки германієвих продуктів. Твердий тетрахлорид германія існує у двох модифікаціях.
Виготовлення чистого монокристалічного германія складається з наступних основних процесів: одержання тетрахлориду германія і його очищення, гідролізу тетрахлориду германія й одержання з нього двоокису германія, відновлення двоокису германія воднем і одержання полікристалічного злитка, очищення полікристалічного злитка від домішок зонною плавкою, вирощування з розплавленого полікристалічного германія злитка монокристала германія.
