Алмазаповодные полупроводники

ИРКУТСКИЙ государственный технический университет

 

Кафедра «ГОРНОЕ ДЕЛО»

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

 

 

 

На тему:

 

АЛМАЗОПОДОБНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ.

 

 

Получение, свойства, области применения.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил :

студент 3 курса гр.

ГД3

Матисаков Суюнбек

Проверил:

_____________________

 

Иркутск

2015г.

 

 

Курсовая работа

 

Ключевые слова:

 

Полупроводник, неорганический полупроводник, органический полупроводник, кристаллический полупроводник, аморфный полупроводник, магнитный и немагнитный полупроводники, твердый раствор, алмазоподобный полупроводник, кристаллическая структура , донорно-акцепторная связь, электронно-дырочный переход, инжекционная электролюминесценция, инжекционный лазер.

 

 

 

 

 

 

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

 

Изучить получение, физические и химические свойства, области применения, строение и классификацию полупроводниковых материалов и алмазоподобных полупроводников.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Курсовая работа

2. Цель работы

3. Содержание

4. Введение

5. Основная часть

а)Классификация полупроводниковых материалов

б)Полупроводниковые соединения типа АIII В V

в)Физико-химические и электрические свойства

г)Применение полупроводниковых соединений типа АIII ВV

   д)Строение и химическая связь  полупроводниковых соединений типа АII  ВVI

е)Применение  полупроводниковых соединений типа АII  ВVI

ж)Твердые растворы на основе соединений АIII ВV

6. Заключение

7. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

 

Изобретение радио великим русским учёным А.С. Поповым открыло новую эру в развитии науки и техники. Чтобы обеспечить развитие радиоэлектроники, потребовалось огромное количество радиодеталей и радиокомпонентов. В послевоенное десятилетие резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, электронные лампы и полупроводниковые приборы стали изготовляться в миллионных и миллиардных количествах. Собираемая из разнородных деталей электронная аппаратура во многих случаях была громоздкой, тяжелой и не достаточно надёжной. Так, средний телевизор содержал порядка тысячи радиодеталей и электронных приборов, занимая объем около 20 литров.

В настоящее время, с использованием современных методов обработки и получения материалов, удаётся на подложке в 1 квадратный сантиметр разместить до 600 000 функциональных элементов, но и это теоретически ещё не предел.

 

 

 

 

 

 

 

Классификация полупроводниковых материалов.

 

Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов. В него входят сотни самых разнообразных веществ – как элементов, так и химических соединений. Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотря на существенные различия в строении и химическом составе, материалы этого класса роднит одно замечательное качество- способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий. Одна из возможных схем  классификации полупроводниковых материалов приведена на рис.1 

Рис. 1 Классификация полупроводниковых

материалов по составу и свойствам.

 

Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые модификации олова и углерода.

Последний существуют двух аллотропных формах – алмаз и графит. Графит по электрическим свойствам близок к проводникам (ΔЭ <0,1 эВ), а чистые алмазы являются диэлектриками. Однако искусственные алмазы за счет вводимых примесей приобретают свойства полупроводников.

Весьма обширна группа полупроводниковых неорганических соединений, которые могут состоять из двух, трех и большего числа элементов. В качестве примеров таких соединений можно привести  InSb, Bi 2 Te3 , ZnSiAs2 , CuAlS2  , CuGe2P3 . Кристаллическая структура многих соединений характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в решетки алмаза. Такие полупроводниковые соединения получили название алмазоподобных полупроводников. Среди них наибольший научный и практический интерес представляют бинарные соединения типа AIII ВV  и AII BVI  , которые в настоящее время являются важнейшими материалами полупроводниковой оптоэлектроники.

Большинство алмазоподобных полупроводников с родственными свойствами образуют между собой изовалентные твердые растворы. В твердых растворах путем изменения состава можно плавно и в достаточно широких пределах управлять важнейшими свойствами полупроводников, в частности, шириной запрещенной зоны и подвижностью носителей заряда. Это открывает дополнительные возможности для оптимизации параметров полупроводниковых приборов, позволяет добиться лучшего согласования физических характеристик различных компонентов электронной аппаратуры.

Для изготовления полупроводниковых приборов используют как монокристаллы, так и поликристаллические материалы. Монокристаллы представляют собой более простые системы, с более совершенным строением, чем поликристаллические материалы. Они наиболее глубоко изучены, физические явления в них лучше поддаются расчетам, и они обеспечивают большую надежность и идентичность параметров полупроводниковых приборов.

В механизме электропроводности аморфных неорганических и кристаллических органических полупроводников выявлен ряд особенностей. Интерес к органическим полупроводникам вызван тем, что в некоторых из них полупроводниковые свойства сочетаются с эластичностью, которая позволяет изготавливать рабочие элементы в виде гибких лент и волокон.   

 

Полупроводниковые соединения типа АIII В V .

 

Кристаллическая структура и химическая связь. Соединения  А III ВV  являются ближайшими электронными аналогами кремния и германия. Они образуют в результате взаимодействия элементов III-б подгруппы Периодической таблицы (бора, алюминия, галлия, индия) с элементами V-б подгруппы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединений рассматриваемого ряда. Соединения АIII ВV  принято классифицировать по металлоидному элементу. Соответственно, различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды.

За исключением нитридов все соединения АIII ВV кристаллизуются в решетке цинковой обманки кубического типа (сфалерит). Для нитридов характерна структура гексогонального типа (вюрцит). В решетке того и другого типов каждый атом элемента III группы находится  в тетраэдрическом окружении четырех атомов элемента V группы и наоборот. Структура сфалерита в отличие от структуры алмаза не имеет центра симметрии. Эта особенность приводит к различию в свойствах поверхностей (111) и (111), целиком сложенных из разноименных атомов. Различное поведение граней проявляется при травлении, окислении и при выращивании кристаллов.

Для соединений А В характерен особый тип химической связи, называемый донорно- -акцепторной. Из четырех ковалентных связей, которыми каждый атом встраивается в решетку, три образуются обобществлением валентных электронов атомов АIII и  ВV , а четвертая связь осуществляется неподеленной парой валентных электронов атомов ВV Образование этой связи соответствует энергетически выгодному переходу электронов от атома ВV в энергетическое состояние, общее для донора (атомов ВV) и акцептора (атома АIII).

В каждой ковалентной связи максимум электронной плотности смещен в сторону атома с более высокой электроотрицательностью,т. е. электронные облака стянуты к узлам решетки, где находятся атомы ВV . Благодаря такой поляризации связей атомы АIII  приобретают некоторый эффективный положительный заряд, а атомы ВV –отрицательный. Величина этого эффективного заряда (± g) определяет степень ионности соединения, которая закономерно изменяется при переходе от одного соединения к другому в соответствии с положением химических элементов в Периодической таблице Д. И. Менделеева.

Физико-химические и электрические свойства. Полупроводниковые соединения АIII ВV образуют гомологический ряд, в котором наблюдается закономерное изменение многих свойств при изменении атомных номеров компонентов. Эти закономерности можно проследить с помощью табл.1 

      

Соединение	Период Решетки ×10, нм		Плот- ность Мг/м2	Темпе- ратура плавле- ния,  0 С	Твер- дость**	Аl ×106, К-1**	Шири- на запр. зоны.эВ		Подви- жность электро- нов,	Подви- жность дырок, м2/(В×с)	Показа тель прелом- ления при  hν =  ∆Э	Прони- цае- мость ***
ВN(куб) АlN       GaN       InN	3,615 3,110 (а) 4,975 (с) 3,186 (а) 5,176 (с) 3,540 (а) 5,704 (с)		3,49 3,28       6,11       6,91	3000 2400       1700       1100	10 7       -       -	- 6,1       5,65       -	6,0 5,88       3,40       1,95		- -       0,03       -	-       -       -	2,1 2,2       2,4       2,9	7,1 9,1       12,2       -
AlP GaP InP	5,463 5,451 5,869		2,37 4,07 4,78	2000 1467 1070	5,5 5 -	4,2 5,9 4,6	2,45 2,26 1,35		0,008 0,019 0,46	0,003 0,012 0,015	3,0 3,45 3,45	9,8 11,1 12,4
AlAs GaAs InAs	5,661 5,653 6,058		3,60 5,32 5,67	1770 1237 942	5 4,5 4	5,2 6,4 5,3	2,16 1,43 0,36		0,028 0,95 3,3	- 0,045 0,046	3,2 3,65 3,52	10,1 13,1 14,6
AlAb GaSb InSb	6,136 6,096 6,479	4,28 5,65 5,78		1060 710  525	4,8 4,5 3,8	4,2 6,2 4,9	1, 58 0, 72 0,18	0, 02 0, 4 7,8		0,055 0,14 0,075	3,4 3,8 4,0	14,4 15,7 17,7

 

*  -твердость по минералогической шкале

** -температурный коэффициент линейного расширения

***-низкочастотная диэлектрическая проницаемость

 

Диаграммы состояния систем АIII –ВV имеют однотипный электрический характер. Полиморфизма не наблюдается вплоть до точки плавления. В большинстве случаев эвтектика вырождена в сторону легкоплавкого компонента. Точки плавления лежат выше соответствующих температур плавления элементов, из которых состоит соединение, за исключением антимонида индия, температура которого (5250С) лежит между температурой плавления сурьмы (6300С) и индия (1570С).

За исключением антимонидов, все соединения АIII ВV разлагаются при нагревании, причем разложение происходит по схеме:

 

                                   АIII ВV   →      АIII(ж)    +   ½  ВV2(газ) 

 

Равновесное давление насыщенного пара, состоящего практически из молекул компонента В , растет с повышением температуры и в точке плавления достигает значений 104– 105 Па для арсенидов и 106 – 107 Па – для фосфидов.

Внутри каждой группы соединений-аналогов наблюдается уменьшение ширины запрещенной зоны с ростом суммарного атомного номера и атомных масс, входящих в соединение элементов. Это объясняется более сильным размытием «электронных облаков» ковалентных связей по мере движения вниз по Периодической таблице, благодаря чему усиливается металлический характер связи. Одновременно с ослаблением ковалентных химических связей снижаются температура плавления и твердость материала, т.е. полупроводник становится более пластичным, приближается по своим механическим свойствам к металлам.

Подвижность носителей заряда в полупроводниках АIII ВV ограничивается в основном рассеянием электронов и дырок на оптических тепловых колебаниях решетки, под которыми следует понимать противофазное смещение соседних атомов. Поскольку атомы АIIIи ВV обладают некоторым ионным зарядом, то их противофазное смещение приводит к появлению дипольного момента, являющегося эффективным центром рассеяния электронов и дырок. Чем больше разность электроотрицательностей элементов, образующих соединение, тем сильнее выражена ионная составляющая химической связи. Соответственно возрастает рассеяние на оптических колебаниях и уменьшается подвижность носителей заряда.

В ряду ковалентных полупроводников подвижность электронов растет при переходе от алмаза к кремнию и далее к германию, т.е. приближенно можно считать, что подвижность носителей заряда увеличивается с ростом атомной массы. Аналогичная зависимость, более отчетливо выраженная для электронов, чем для дырок, имеет место и в соединениях АIII ВV .Увеличение атомной массы компонентов ведет к уменьшению амплитуды тепловых колебаний атомов, что, в свою очередь приводит к уменьшению рассеяния носителей заряда на этих колебаниях. А так как в том же направлении происходит ослабление ионной составляющей связи, то подвижность носителей заряда резко возрастает. Среди всех полупроводников антимонид индия обладает рекордно высокой подвижностью электронов. Абсолютное значение подвижности электронов для большинства соединений существенно превышает подвижность дырок. Исключение составляет только антимонид алюминия, у которого подвижность дырок почти в три раза превышает подвижность электронов.