Разделы

Авто
Бизнес
Болезни
Дом
Защита
Здоровье
Интернет
Компьютеры
Медицина
Науки
Обучение
Общество
Питание
Политика
Производство
Промышленность
Спорт
Техника
Экономика

Физико-химические и электрические свойства германия

Германий

 

Один из первых полупроводниковых материалов, атомный номер 32.

Применение:

- выпрямительные плоскостные диоды от 0.3 до 1000 А.

- транзисторы как мощные, так и маломощные.

- туннельные и СВЧ - диоды.

- варикапы (полупроводниковый диод с регулируемой емкостью).

- датчики Холла и другие магниточувствительные приборы.

Недостаток – рабочая температура не больше 60-700С. Из-за этого вытесняется Si и GаAs.

Получение. Ge – рассеянный элемент, не имеет своих месторождений. Основные источники Ge – побочные продукты цинкового производства, коксования углей, концентраты из Cu-Pb-Zn-руд. Сырье хлорируют. Получают GeCl4 (жидкость с tкип=830С), ее очищают экстракцией, ректификацией. Далее путем гидролиза переводят в GeO2:

GeCl4 + 2H2O = GeO2 + 4HCl

Далее восстанавливают H2 в электрических печах при 650-7000С в графитовых тиглях: GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O

Восстановление совмещают с плавлением и кристаллизацией.

Поликристаллические слитки подвергают зонной плавке для получения Ge особой чистоты, либо выращивают легированные монокристаллы методом вытягивания из расплава.

 

Имеет металлический блеск, характеризуется твердостью и хрупкостью. Тпл = 9360С, d = 5.3 г/см3. Структура алмаза с периодом 5.66 , ширина запрещенной зоны при 300 К 0.665 эВ.

При комнатной температуре химически стоек. При температуре больше 6500С окисляется до GeO2. GeO2 заметно растворяется в воде, из-за чего не может служить защитой поверхности Ge (в отличии от SiO2). Кристаллический Ge при комнатной температуре не растворим в воде, соляной кислоте, разбавленной серной кислоте. Растворяется в смеси HNO3+HF, смеси H2O2 и окислителей. При нагревании взаимодействует с галогенами и серой. До температуры плавления не взаимодействует с графитом и кварцем, поглощает H2 до .

Для температуры больше 200 К Прозрачен для излучения с > 1.8мкм.

В качестве доноров и акцепторов при легировании используют элементы V и III групп: As, Sb, Bi; Al, Ga, In. ионизации примесей 0.01 эВ. Элементы I,II,VI,VII,VIII групп создают более глубокие уровни в запрещенной зоне. В нормальных условиях концентрация носителей заряда в Ge определяется концентрацией примесей (уже для температуры больше 90 К).

Собственная электропроводность появляется при 500С при концентрации примеси равной 8*1019 м-3 и для 2000С при содержании 7*1021 м-3. Удельное сопротивление при 200С – 0.47 Ом*м, а в расплаве 6.5*10-7 Ом*м (близкое к жидким металлам).

 

Карбид кремния (SiC)

В природе встречаются очень редко. Следствием сильных ковалентных связей отличается высокой температурной и химической стойкостью и твердостью.

Получают в электрических печах по реакции восстановления кварцевого песка углеродом:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

До 20000С имеет кубическую - модификацию с а=4.359 .

При температуре больше 2600-2700 возгоняется. При получении образует друзы кристаллов, которые дробят до порошка и для получения полупроводниковой чистоты возгоняют в атмосфере аргона при Т = 2400-26000С. Образует до 100 политипов (различающихся наложением атомных слоев). В зависимости от политипа имеет ширину запрещенной зоны от 2.39 до 3.33 эВ. Фактически это группа полупроводниковых соединений одного химического состава. Управление политипизмом сложный процесс. Наиболее легко воспроизводится политип 6H (). В то же время химические механические свойства SiC слабо зависят политипа. Твердость – 9.5. Не окисляется до Т=14000С. При комнатной температуре не взаимодействует с кислотами. При нагревании взаимодействует с расплавами щелочей, H3PO4, HNO3+HF. Электропроводность примесная. От ее вида зависит окраска. Примеси P, As, Sb, Bi, Fe дают зеленую окраску, N, B-желтую и “n” –тип.Ca, Mg, B, Al, Ge, In - голубую и фиолетовую, и “p”- тип. Избыток Si дает “n”, избыток углерода -“p” тип. Собственная электропроводность при Т>14000С.

Замечательная особенность SiC – способность к люминесценции в видимой области. Изменяя политип и примеси можно получать излучение от красного до фиолетового. Это используется для создания светодиодов на принципе инжекционной электролюминесценции. Основой светодиодов является “р-n“ переход, формирующийся за счет диффузии примесей при 1800-20000С. Наиболее распространены желтые светодиоды (примеси В и N). Несмотря на невысокую эффективность преобразования энергии – не деградируют, очень стабильны (световые эталоны). Применяют также для изготовления мощных выпрямителей, тензорезисторов, полевых транзисторов, варисторов. Высокую твердость используют при получении образивных материалов.

 

Полупроводниковые соединения АIII ВV

 

Полупроводниковые соединения АIII ВV - ближайшие электронные аналоги Si и Ge образуются в результате взаимодействия элементов III большой подгруппы Периодической системы (B, Al, Ga, In) с элементами V большой подгруппы (N, P, As, Sb). Bi и Tl не образуют подобных соединений.

Классифицируют по металлоиду: нитриды, фосфиды, арсениды, антимониды.

Кристаллизуются (кроме нитридов) в решетке кубического типа сфалерита. Для нитридов – гексагональная решетка вюрцита. Каждый атом окружен четырьмя другими. Грани сложенные из разноименных атомов [111] имеют отличающееся поведение при выращивании, травлении, окислении. Преобладает донорно – акцепторный тип связи.

Соединения АIII ВV образуют гомологические ряды, в которых закономерно изменяются свойства.

Tпл. ∆Е Tпл. ∆Е

AlP 2000 2,45 AlSb 1060 1,58

GaP 1467 2,26 GaSb 710 0,72

InP 1070 1,35 InSb 525 0,18

 

Разлагаются (кроме антимонидов) при нагревании на АIIIж + 1/2 ВV2газ.

Характеризуются незначительным отклонением от стехиометрии. Просты по механизму легирования, формируя “p-n” переходы. Примеси II группы (Be, Mg, Zn, Cd) образуют твердые растворы замещения (ТРЗ), являясь акцепторами. Примеси VI группы (S, Se,Te) располагаются в узлах ВV , являясь донорами.

Примеси IV группы могут быть и теми и другими, исходя из места, которое они занимают.

Для InSb, InAs, GaAs энергия ионизации доноров ≈ 0,002 – 0,005эВ.

Ценным свойством многих полупроводников АIIIВV является высокая эффективность излучательной рекомендации неравновесных носителей заряда. GaP – излучает в видимой области от 0,4 до 0,6 мкм (в зависимости от концентрации Zn). GaAs(Si) – в инфракрасной области. Наиболее важна инжекционная электролюминесценция.

Получение: при получении неразлагающихся соединений (антимониды) сплавляют исходные компоненты, далее очистка и выращивание МК как в технологии Ge. Для разлагающихся соединений: арсениды, фосфиды; используется двух температурный метод. В закрытом объеме кварцевая ампула располагается в нагревательном блоке с градиентом температуры.

В первой зоне пары As растворяются в расплаве металла, затем раствор кристаллизуется.

Второй метод – вытягивание на затравку из – под прозрачного инертного флюса (В2О3). Толщина флюса примерно 1см. МК после вытягивания не имеют достаточной чистоты.

Поэтому большинство полупроводниковых приборов изготовляют на основе эпитаксиальных слоев АIIIВV, осажденных из «жидкой» или «газовой» фазы.

Подложки – пластины вырезанные из МК. Наиболее распространен метод многокамерной лодочки.

Подложка перемещается и из каждой камеры осаждается слой вещества. Охлаждение ячеек производят в определенном температурном интервале.

Применение соединений АIII ВV имеет тенденцию к расширению:

1. GaAs – первый материал из которого был создан в 1962 инжекционный лазер (генерация когерентного излучения с помощью p-n перехода).

2. Светодиоды, отличающиеся высокой эффективностью, малыми размерами, совместимостью с элементами ИС.

3. Люминофоры для широкого спектрального диапазона.

4. В оптоэлектронике GaAs используют как излучатель в инфракрасной области.

5. Фотодиоды и фотоэлементы в широком диапазоне длин волн ∆.

6. GaAs - один из лучших материалов солнечных батарей.

7. InSb – лучший фотоприемник для ИК- излучения в диапазоне 3-7 мкм в охлаждаемом варианте.

8. GaAs – материал фотокатодов с большим выходом.

9. InP, InAs и ТРЗ, а также GaAs – генераторы Ганна (109 – 1010Гц).

10. GaAs, InSb – материалы для туннельных диодов (Траб выше, чем у германия).

11. Материалы для магниторезисторов, преобразователей Холла.

12. Материалы для полевых транзисторов.

13. Перспективны для создания БИС.

 

Твердые растворы на основе АIII ВV

Твердый раствор позволяет существенно расширить по сравнению с элементарными полупроводниками набор электрофизических параметров, определяющих возможности применение материалов. Среди соединений АIII ВV распространены ТРЗ. Состав таких ТРЗ: АхВ1-хС (А, В – металлы III группы); АСуД1-У (С, Д – металлоиды V группы); х, у – мольная доля (может изменяться от 0 до 1, в зависимости от степени замещения).

С изменением «х», как правило, наблюдается линейное изменение периода решетки. Эта закономерность известна как правило Вегарда. Она позволяет рентгеновским методом определить состав ТРЗ.

ТРЗ на основе АIII ВV легко легируются. Особый интерес к ТРЗ в связи с возможностью плавного изменения ∆Е. Так для ТРЗ GaxI1-xAs и InPyAs1-y ∆E практически линейно изменяется от 0,37 до 1,4 эВ.

 

Изменение ∆Е у ТРЗ сопровождается соответственно смещением спектров фоточувствительности, люминесценции, поглощения.

ТРЗ GaAs1-yPy, AlxGa1-xAs (x, y = 0,3 - 0,4) – эффективны как источники красного излучения (светодиоды, лазеры).

ТРЗ GaxIn1-xP (х = 0,5 - 0,7) эффективно люминесцируют в желто-зеленой области.

Монокристаллический слой ТРЗ получают эпитаксией из газовой фазы (GaAs1-yPy), или из жидкой фазы (AlxGa1-xAs, AlxGa1-xSb, GaxI1-xAs, GaxIn1-xP).

Подложки: GaAs, GaP, GaSb. Растворитель:In или Ga в жидком состоянии.

ТРЗ открывают возможности создания гетеропереходов (ГП). Под гетеропереходом понимают контакт двух проводников с различной ∆Е. Решающий критерий выбора материалов гетероперехода – соответствие периодов решеток и температурных коэффициентов линейного расширения. Наилучшие пары для гетеропереходов - GaAs – AlxGa1-xAs и GaSb – AlxGa1-xSb.

Гетеропереходы позволяют плавно изменять свойства материалов на границе контакта. Это материалы для инжекционных лазеров. Гетероструктура может быть двойной:

Такая структура обеспечивает непрерывную генерацию когерентного излучения при комнатной температуре, при высоком квантовом выходе и низком пороговом токе.

Дополнительные степени свободы для изменения параметров полупроводниковых материалов при создании идеальных ГП дают четырехкомпонентные ТРЗ АхВ1-хСуВ1-у. Наиболее изучен GaxIn1-xAs1-yPy(исходные компоненты GaP, InP, GaAs, InAs). ∆Е изменяется от 0,75 до 1,35 эВ.

Инжекционные лазеры на основе InP – GaxIn1-xAs1-yPy перспективны для волоконно – оптических линий связи, так как спектральный диапазон излучения соответствует минимальным оптическим потерям в кварцевом волокне.

 

Дата публикации:2014-01-23

Просмотров:765

Вернуться в оглавление:

Комментария пока нет...


Имя* (по-русски):
Почта* (e-mail):Не публикуется
Ответить (до 1000 символов):







 

2012-2018 lekcion.ru. За поставленную ссылку спасибо.