Полупроводниковые материалы — германий и кремний


СОДЕРЖАНИЕ:

ПРОСТЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Германий

В земной коре содержание германия невелико и составляет при­мерно 0,001%. Германий почти не имеет своих руд. Единственная руда германид содержит меди, железа и цинка гораздо больше, чем германия. В ничтожных количествах (0,01. 0,5%) германий содер­жится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Он рассеян в силикатах, сульфидных минералах, а также в минера­лах, представляющих собой сульфасоли. Большое количество германия (до 100 г/т) содержат бурые сорта угля.

Получают германий в результате сложного технологического процесса из продуктов сгорания бурого угля. Окончательным про­дуктом этого процесса является монокристаллический германий в виде слитков.

Кристаллический германий – твердый, хрупкий материал с характерным металлическим блеском. Кристаллизуется в виде кубической решетки типа алмаза. Ширина запретной зоны при комнатной температуре =0.75эВ, при температуре 300К =0.67эВ. Рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия не превышает 80°С. Концентрация собственных носителей заряда ni=2.5×10 19 м -3 . Собственное удельное электрическое сопротивление =0.68Ом×м. Электропроводимость германия зависит от температуры. При низких температурах (Т 11ГПа) германий переходит в сверхпроводящее состояние.

При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная с температуры 1100°С — падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5 — 6%.

Для производства полупроводниковых приборов используют германий электронного и дырочного типов с определенным удель­ным электрическим сопротивлением. Тип проводимости и удель­ное электрическое сопротивление германия определяется количе­ством введенных в исходный материал примесей. Монокристалли­ческий германий различных марок, легированный сурьмой, мышь­яком, галлием и золотом, обладает удельным электрическим сопро­тивлением от 0,0004 до 45 Ом×м. Легирующие примеси вводят в определенных количествах в рабочий объем расплавленного поли­кристаллического германия перед выращиванием монокристаллов.

Германий легируют нейтральными, донорными, акцепторными и создающими глубокие энергетические уровни примесями.

Нейтральные примеси не меняют тип электропроводности по­лупроводникового материала и количество носителей заряда в нем. К нейтральным примесям германия относят инертные газы, азот и аргон и элементы IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: кремний, свинец, олово.

Основными акцепторными примесями в германии являются эле­менты III группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: галлий, индий, алюминий.

Донорные уровни в германии создают элементы V группы Пе­риодической системы химических элементов Д.И.Менделеева: мы­шьяк, сурьма, висмут, фосфор, а также элемент I группы — литий.

Глубокие энергетические уровни в запретной зоне германия об­разуют многие элементы I, II, VI, VII и VIII групп Периодичес­кой системы химических элементов Д.И. Менделеева. Однако ра­створимость этих элементов, как правило, значительно меньше ра­створимости акцепторов и доноров.

Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности, умножения двух величин в приборах вычислительной техники и т.д. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров.

Рабочий диапазон температур германиевых приборов от -60 до +70 °С, при повышении температуры до верхнего предела прямой ток, например у диодов, увеличивается почти в два раза, а обратный — в три раза. При охлаждении до — (50 — 60)°С прямой ток падает на 70 — 75%. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Использование монокристаллических слитков германия в тех­нологии изготовления полупроводниковых приборов и интеграль­ных микросхем связано с большими потерями материала при меха­нической обработке (резке слитков на пластины, шлифовке и поли­ровке пластин). Поэтому широко применяют эпитаксиальные плен­ки германия, которые получают осаждением монокристалического германия в виде монокристаллических пленок на подложки из различных материалов (германий, кремний, кварц, сапфир).

Кремний

Кремний является элементом IV группы Периодической систе­мы химических элементов Д.И.Менделеева. После кислорода это самый распространенный элемент в земной коре. Он составляет при­мерно 1/4 массы земной коры. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается. Его соединениями являются такие рас­пространенные природные материалы, как кремнезем и силикаты. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также пред­ставляют собой соединения кремния.

Из соединении кремний получают несколькими способами. Чаще всего используют метод восстановления четыреххлористого крем­ния SiCl4 парами цинка или водорода.

В технологическом отношении кремний более сложный матери­ал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавле­ния 1414°С и в расплавленном состоянии химически активен (всту­пает в реакцию со всеми материалами, из которых изготавливают тигли).

Кристаллический кремний — темно-серое твердое и хрупкое ве­щество с металлическим блеском, химически довольно инертное.

Основной параметр полупроводниковых приборов — ширина запретной зоны при температуре 20°С W=1,12 эВ. Это позволяет создавать кремниевые полупроводниковые приборы с относитель­но высокой рабочей температурой (до 125°С). Верхний темпера­турный предел работы кремниевых приборов достигает 200 °С.

Концентрация собственных носителей зарядов при комнатной температуре ni= 3×10 16 м -3 . Удельное электрическое сопротивление кремния с собственной электропроводностью = 2,3×10 3 Ом-м, резко уменьшается при увеличении концентрации примесей. При низких температурах (Т 12 ГПа) кремний переходит в сверхпроводящее состояние, т.е. удельное элек­трическое сопротивление кремния уменьшается до нуля.

При использовании монокристаллического кремния в полупро­водниковом производстве имеют место большие потери этого ма­териала. Это связано с тем, что большинство полупроводниковых приборов основано на процессах, происходящих в очень узких гра­ничных или поверхностных слоях полупроводника. Остальной объем монокристалла является паразитной частью и чаще всего ухудшает параметры прибора. Большая часть материала теряется при механической обработке слитков (резке на пластины, шлифов­ке, полировке и т.д.).

С целью уменьшения этих потерь в полупроводниковом произ­водстве применяют кремний в виде монокристаллических тонких слоев, которые осаждают на объемные монокристаллы, которые на­зывают подложками.

Такие монокристаллические слои, сохраняющие кристаллогра­фическую ориентацию подложки, называют эпитаксиалъными. В ка­честве подложек используют монокристаллы кремния, сапфира, ко­рунд и др.

В зависимости от характера влияния на тип электропроводности примеси делят на нейтральные, донорные, акцепторные и создающие в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни.

К нейтральным примесям кремния относят водород, азот, инерт­ные газы, а также элементы IV группы Периодической системы хи­мических элементов Д.И.Менделеева (германий, олово, свинец).

Основными донорными примесями являются элементы V группы Периодической системы химических элементов Д.И.Мен­делеева (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут).

В качестве акцепторной примеси для кремния в основном используют элементы III группы Периодической системы химичес­ких элементов Д.И.Менделеева (бор, алюминий).

Элементы I,II,VI,VII гpyпп создают в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни и могут быть донорами и акцепторами. В качестве таких примесей чаще всего применяют золото и цинк. При легировании золотом в крем­нии образуются дополнительные центры рекомбинации носителей заряда, что уменьшает время жизни неравновесных носителей за­ряда.

Легирование кремния производят в процессе получения объем­ных монокристаллов и эпитаксиальных пленок.

Дата добавления: 2020-12-27 ; просмотров: 1349 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Зачем кремний в транзисторах предлагают заменить на германий?

Почти 70 лет назад два физика из Телефонной лаборатории Белла – Джон Бардин и Уолтер Брэттейн [John Bardeen and Walter Brattain] – впрессовали два тонких золотых контакта в пластину из германия, и сделали третий контакт снизу пластины. Ток, проходивший через эту конструкцию, можно было использовать для превращения слабого сигнала в сильный. В результате появился первый транзистор – усилитель и переключатель, который, возможно, стал величайшим изобретением 20-го века. Благодаря закону Мура, транзистор развил компьютеры далеко за пределы того, что казалось возможным в 1950-е.

Несмотря на звёздную роль германия в ранней истории транзисторов, его вскоре заменили кремнием. Но сейчас, что удивительно, этот материал готов вернуться. Лидеры в производстве чипов раздумывают над заменой компонентов в самом сердце транзистора – токопроводящем канале. Идея в том, чтобы заменить кремний материалом, способным лучше проводить ток. Создание транзисторов с такими каналами может помочь инженерам продолжать улучшать показатели контуров по скорости и энергоэффективности, что будет означать появление улучшенных компьютеров, смартфонов, и множества других гаджетов в последующие годы.

Долгое время интерес к альтернативным каналам вращался вокруг соединений A III B V , таких, как арсенид галлия, состоящих из атомов, находящихся слева и справа от кремния в таблице Менделеева. И я участвовал в том исследовании. Восемь лет назад я написал статью для этого журнала, обозначив прогресс, сделанный в построении транзисторов на таких соединениях.

Два транзистора в инвертере на основе FinFET содержат плавниковые каналы, выделяющиеся из плоскости подложки (вверху – розовые каналы, внизу – скошенный вид на ещё один набор). Расстояния между «плавниками» вверху – десятки нанометров.

Но в результате мы обнаружили, что у подхода с A III B V существуют фундаментальные физические ограничения. А также он, скорее всего, был бы слишком дорогим и сложным для интеграции с существующей кремниевой технологией. Так что несколько лет назад моя команда в Университете Пердью начала эксперименты с другим устройством: с транзистором, канал которого выполнен из германия. С тех пор мы продемонстрировали первые контуры КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) [CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor]. Примерно та же логика, что находится внутри современных компьютеров, только изготовленная из германия, выращенного на обычных кремниевых подложках. Мы также создали ряд различных транзисторных архитектур из этого материала. В них входят устройства из нанопроволоки, которые могут стать следующим шагом производства, когда сегодняшние лучшие транзисторы, FinFET, уже нельзя будет дальше уменьшать.

И что ещё интереснее, оказывается, что возвращать германий в работу не так сложно, как это кажется. Транзисторы, использующие комбинацию кремния и германия в канале, уже можно найти в новых чипах, и они впервые появились в 2015 году, в демонстрации будущих технологий изготовления чипов от IBM. Эти разработки могут стать первым шагом индустрии, стремящейся внедрять всё большие доли германия в каналы. Через несколько лет мы можем столкнуться с тем, что материал, подаривший нам транзисторы, помог перенести их в следующую эпоху выдающегося быстродействия.

Германий впервые изолировал и открыл немецкий химик Клеменс Уинклер в конце XIX века. Материал был назван в честь родины учёного, и всегда считался плохо проводящим ток. Это изменилось во время Второй Мировой войны, когда были открыты полупроводниковые свойства германия – то есть, возможность переключения между проведением и блокированием тока. В послевоенные годы быстро развивались полупроводниковые устройства на германии. В США производство, отвечая на запросы рынка, возросло от нескольких сотен фунтов в 1946 до 45 тонн к 1960-му году. Но кремний выиграл; он стал популярным материалом для микросхем логики и памяти.

И для доминирования кремния есть веские причины. Во-первых, его больше, и он дешевле. У кремния более широкая запрещённая зона, энергетический барьер, который нужно преодолеть для создания проводимости. Чем больше эта зона, тем сложнее току просочиться через устройство в ненужный момент и зря потратить энергию. В качестве бонуса у кремния и теплопроводность была лучше, что позволяло легче отводить тепло, чтобы контуры не перегревались.

Учитывая все преимущества, естественно заинтересоваться – зачем бы нам вообще раздумывать над возвращением германия в канал. Ответ – мобильность. Электроны в германии при комнатной температуре двигаются почти в три раза охотнее, чем в кремнии. А дырки – отсутствие электрона в материале, рассматриваемое, как положительный заряд – двигаются почти в четыре раза охотнее.

Девятиступенчатый кольцевой КМОП-осциллятор, представленный в 2015 году

То, что в германии электроны и дырки такие мобильные, делает его удобным кандидатом для КМОП-контуров. КМОП сочетает два разных типа транзисторов: p-канальные FET (pFET), канал которых содержит избыток свободных дырок, и n-канальные FET (nFET), у которых есть избыток электронов. Чем быстрее они двигаются, тем быстрее работают контуры. А уменьшение напряжения, требуемого для их передвижения, означает и уменьшение энергопотребления.

Конечно, германий – не единственный материал с такой мобильностью частиц. Упомянутые ранее составы A III B V , материалы, такие, как арсенид индия и арсенид галлия, также могут похвастаться высокой подвижностью электронов. Электроны в арсениде индия почти в 30 раз подвижнее, чем в кремнии. Но проблема в том, что это свойство не распространяется на дырки – они не сильно подвижнее тех, что есть в кремнии. И это ограничение приводит к невозможности создания высокоскоростных pFET, а отсутствие скоростных pFET сводит на нет получение быстрых КМОП-контуров, поскольку они не могут работать с очень большой разницей в скоростях работы nFETs и pFETs.

Один из вариантов решения – взять от каждого материала лучшее. Исследователи во многих лабораториях, например, Европейской организации по исследованию полупроводников Imec и Цюрихской лаборатории IBM, показали способы создания контуров, у которых каналы nFET сделаны из составов A III B V , а pFET – из германия. И хотя эта технология может позволить создавать очень быстрые контуры, она сильно усложняет производство.

Поэтому нам больше нравится простой подход с германием. Германиевые каналы должны увеличить быстродействие, а проблемы производства будут не такими серьёзными.

Как дела у германия

Свойство Кремний (Si) Германий (Ge) Арсенид галлия (GaAs) Арсенид индия (InAs) Единицы
Запрещённая зона 1.12 0.66 1.42 0.35 eV
Подвижность электронов при 300 К 1,350 3,900 8,500 40,000 cm 2 /(V·s)
Подвижность дырок при 300 K 450 1,900 400 500 cm 2 /(V·s)
Максимальная возможная скорость электронов 1 0.6 2 3.5 x10 7 cm/s
Критическое электрическое поле 0.25 0.1 0.004 0.002 x10 6 V/cm
Теплопроводность 1.5 0.58 0.5 0.27 W/(cm·K)

Чтобы германий – или любой альтернативный материал – попал в производство, необходимо найти способ добавления его на кремниевые подложки, используемые в настоящее время для изготовления чипов. К счастью, существует множество способов нанести на кремниевую подложку германиевый слой, из которого потом можно сделать каналы. Использование тонкого слоя устраняет две ключевые проблемы германия – высокая по сравнению с кремнием стоимость, и относительно плохая теплопроводность.

Но чтобы заменить кремний в транзисторе, недостаточно просто впихнуть тонкий и высококачественный слой из германия. Канал должен безупречно работать с другими компонентами транзистора.

В вездесущих современных КМОП-чипах используются транзисторы на основе МОП (металл-оксид-полупроводник – МОП-транзистор; metal-oxide-semiconductor field effect transistor — MOSFET). У него есть четыре базовых части. Исток и сток – исходная и конечная точка перемещения тока; канал, соединяющий их; затвор, служащий клапаном, контролирующим наличие тока в канале.

В реальности в качественном транзисторе присутствуют и другие ингредиенты. Один из самых важных – изолятор затвора, предотвращающий короткое замыкание затвора и канала. Атомы в полупроводниках, таких, как кремний, германий и составы A III B V , расположены в трёх измерениях. Идеально плоскую поверхность изготовить нельзя, поэтому у атомов, находящихся вверху канала, будет несколько выпирающих связей. Вам необходимо изолятор, связывающий как можно больше этих связей, и этот процесс называется пассивацией, или поверхностной протравкой. В случае некачественного изготовления можно получить канал с «электрическими выбоинами», полный таких мест, где переносчики заряда могут временно задерживаться, что понижает их подвижность и, в результате, скорость работы устройства.

Слева: nFET из составов A III B V , и pFET из германия, кусочки обеих материалов выращены на кремниевой подложке с изоляцией.
Справа: оба транзистора выполнены из германия, связанного с подложкой.

К счастью, природа снабдила кремний естественным изолятором, хорошо совпадающим с его кристаллической структурой: диоксидом кремния (SiO2). И хотя в современных транзисторах встречаются более экзотические изоляторы, в них всё равно есть тонкий слой этого оксида, служащий для пассивации кремниевого канала. Поскольку кремний и SiO2 близки по структуре, хорошо изготовленный слой SiO2связывает 99 999 из 100 000 свободных связей – а на квадратном сантиметре кремния их содержится примерно столько.

Арсенид галлия и другие составы A III B V не обладают естественным оксидами, а у германия он есть – поэтому, в теории, у него должен быть идеальный материал для пассивации канала. Проблема в том, что диоксид германия (GeO2) слабее, чем SiO2, и может поглощаться и растворяться водой, используемой для очистки подложек во время изготовления чипов. Что ещё хуже, процесс роста GeO2 сложно контролировать. Для идеального устройства требуется слой GeO2 в 1-2 нм толщиной, но в реальности сложнее сделать слой тоньше 20 нм.

Исследователи изучали разные альтернативы. Профессор из Стэнфорда, Кришна Сарасват [Krishna Saraswat], и его коллеги, подстегнувшие интерес к использованию германия в качестве альтернативного материала ещё в 2000-х, сначала изучали диоксид циркония, материал с высокой диэлектрической проницаемостью того типа, что используется сегодня в высокоскоростных транзисторах. На основе их работы группа из Imec в Бельгии изучили, что можно сделать со сверхтонким слоем кремния для улучшения интерфейса между германием и подобными материалами.

Но пассивация германия была серьёзно усовершенствована в 2011 году, когда команда профессора Шиничи Такаги [Shinichi Takagi] из Токийского университета продемонстрировала способ контроля роста германиевого изолятора. Сначала исследователи вырастили нанометровый слой ещё одного изолятора, оксида алюминия, на германиевом канале. После этого их разместили в кислородной камере. Часть кислорода прошла через слой оксида алюминия к находящемуся внизу германию, и смешалась с ним, сформировав тонкий слой оксида (соединение германия с кислородом, но технически не GeO2). Оксид алюминия не только помогает контролировать рост, но и служит защитным покрытием для менее стабильного слоя.

Несколько лет назад, вдохновившись этим открытием и учитывая сложности создания pFET с каналами из A III B V , моя группа в Пердью начала исследовать способы создания транзисторов на германиевых каналах. Мы начали с использования подложек с германием на изоляторе, разработанных французским производителем Soitec. Это стандартные кремниевые подложки с изолирующим слоем, находящимся под 100 нм слоем германия.

С этими подложками можно создавать транзисторы, у которых все стандартные части – исток, канал и сток – сделаны из германия. Производителю транзисторов не обязательно следовать такой конструкции, но нам так было проще изучать основные свойства германиевых устройств.

Одним из первых препятствий стала борьба с сопротивлением между истоком и стоком транзистора и металлическими электродами, соединяющими их с внешним миром. Сопротивление возникает из-за естественного электронного барьера Шоттки, появляющегося в месте контакта металла и полупроводника. Кремниевые транзисторы без устали оптимизировали для минимизации этого барьера, так, чтобы переносчикам заряда было легко его преодолевать. Но в германиевом устройстве требуются хитрые инженерные решения. Благодаря нюансам электронной структуры дырки легко перемещаются из металла в германий, а вот электроны – не очень. Это значит, что у nFET, полагающихся на передвижения электронов, будет очень большое сопротивление, потери тепла и тока.

Стандартный способ сделать барьер тоньше – добавить больше легирующей примеси к истоку и стоку. Физика процесса сложна, но представить её можно так: больше атомов примеси привносят больше свободных зарядов. При изобилии свободных переносчиков заряда электрическое взаимодействие между металлическими электродами и полупроводниковыми истоком и стоком усиливается. Это и помогает усиливать туннельный эффект.

К сожалению, с германием такая технология работает хуже, чем с кремнием. Материал не выдерживает больших концентраций легирующих примесей. Но мы можем использовать те места, где плотность примесей максимальна.

Для этого воспользуемся тем, что в современные полупроводники примеси добавляются сверхвысокими электрическими полями, заталкивающими ионы в материал. Некоторые из этих атомов сразу останавливаются, иные же проникают глубже. В результате вы получите нормальное распределение: концентрация атомов примесей на некоторой глубине будет максимальной, а затем при перемещении вглубь или в обратном направлении будет уменьшаться. Если мы заглубим электроды истока и стока в полупроводник, мы можем поместить их в места наивысшей концентрации атомов примеси. Это кардинально уменьшает проблему сопротивления контактов.

Контакты погружаются на глубину максимальной концентрации атомов примесей

Вне зависимости от того, будут ли производители чипов использовать такой подход для уменьшения барьера Шоттки в германии, это полезная демонстрация его возможностей. В начале нашего исследования лучшее, что показывали германиевые nFET, это токи в 100 мкА на каждый мкм ширины. В 2014 году на симпозиуме VLSI Technology and Circuits на Гавайях мы сообщили о германиевых nFET, способных пропускать уже в 10 раз больше тока, что примерно сравнимо с кремнием. Через шесть месяцев мы продемонстрировали первые контуры, содержащие германиевые nFET и pFET, необходимое предварительное условие для изготовления современных логических микросхем.

С тех пор мы использовали германий для постройки более продвинутых транзисторов, таких, как FinFET – современный уровень техники. Мы даже делали нанопроводные транзисторы на германии, которые в ближайшие годы могут заменить FinFET.

Эти разработки потребуются для того, чтобы германий стали использовать в массовом производстве, поскольку с их помощью можно лучше контролировать канал транзистора. Благодаря небольшой запрещённой зоне германия, такой транзистор требует всего четверти энергии, необходимой для переключения в проводящее состояние кремниевого транзистора. Это открывает возможности для низкоэнергетической работы, но это же делает более вероятной и утечку тока в то время, когда он этого делать не должен. Устройство с лучшим контролем над каналом позволит изготовителям использовать малую запрещённую зону без компромиссов с быстродействием.

Мы взяли хороший старт, но у нас ещё есть работа. Например, необходимы дополнительные эксперименты с подложками, которые должны показать транзисторы с высококачественными германиевыми каналами. Также необходимо внести улучшения в дизайн для ускорения.

Конечно, германий – не единственный вариант для транзисторов будущего. Исследователи продолжают изучать составы A III B V , которые можно использовать как вместе с германием, так и обособленно. Количество возможных улучшений транзисторов огромно. В этот список входят транзисторы на углеродных нанотрубках, вертикально ориентированные переключатели, трёхмерные контуры, каналы из смеси германия и олова, транзисторы, основанные на принципе квантового туннелирования.

В ближайшие годы, возможно, мы адаптируем какие-то из перечисленных технологий. Но добавление германия – даже в смеси с кремнием – это решение, которое позволит производителям продолжать улучшение транзисторов уже в ближайшем будущем. Германий, изначальный материал эры полупроводников, может стать панацеей её следующего десятилетия.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

«Электротехническое и конструкционное материаловедение» (стр. 4 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4

Воздействие света. Электропроводность полупроводника увеличивается под воздействием потока фотонов. Энергия фотона (в электрон-вольтах) равна

где λ – длина волны, мкм.

Поэтому существует граничная длина волны, для которой выполняется условие W Ф Δ W . Например, ширина запрещенной зоны германия

Δ W = 0,72 эВ, пороговая длина волны λ = 1,8 мкм, она лежит в инфракрасной области спектра.

Влияние сильных электрических полей. Электропроводность полупроводников зависит от напряжённости электрического поля. При низких значениях напряжённости (до Ек) соблюдается закон Ома и удельная проводимость не зависит от напряжённости поля, а при более высоких напряжённостях поля начинается рост удельной проводимости по экспоненциальному закону:

где γо – удельная проводимость полупроводника при Е W = mυ 2/2 > Δ W ).

Влияние механических усилий. Электропроводность полупроводников изменяется вследствие увеличения или уменьшения междуатомных расстояний. Ширина запрещенной зоны может как увеличиваться, так и уменьшаться при сближении атомов, и у разных полупроводников одна и та же деформация может вызывать как увеличение, так и уменьшение удельной проводимости. На данном принципе основаны тензодатчики, они фиксируют деформацию.

Из десяти элементов, обладающих свойствами полупроводников, наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Германий один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и многие явления, характерные для полупроводников, впервые экспериментально были обнаружены на этом материале.

Содержание Германия в земной коре невелико, около 7·10-4 %. Для полупроводников необходим тщательно очищенный германий. Один из способов очистки – метод зонной плавки. Германий применяется для изготовления выпрямителей, транзисторов, фоторезисторов, фототранзисторов и т. д. Рабочий диапазон температур германиевых приборов – от –60 до +70 оС. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Кремний, как и германий, относится к IV группе таблицы . Он является одним из самых распространенных элементов в земной коре, его содержание составляет примерно 29 %. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается.

Технический кремний (около одного процента примесей), получаемый восстановлением из диоксида ( SiO 2) в электрической дуге между графитовыми электродами, широко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, в электротехнической стали). Технический кремний как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10-6 %. Технология получения кремния полупроводниковой чистоты очень сложна, она включает несколько этапов. Конечная очистка кремния может выполняться методом зонной плавки, при этом возникает ряд трудностей, так как температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия.

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, стабилитронов, тиристоров и т. д. У кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материалов 120–200 оС, что значительно выше, чем для германия.

Полупроводниковые химические соединения (бинарные соединения)

Полупроводниковыми свойствами обладают не только простые полупроводники (германий, кремний), но и целый ряд химических соединений. Среди них наибольшее распространение получили двойные (бинарные) соединения А III В V , А II BVI , А IV BIV и др.

Соединения А III В V являются ближайшими аналогами кремния и германия. Они образуются в результате взаимодействия элементов III подгруппы таблицы Менделеева (бор, алюминий, галлий, индий) с элементами

V подгруппы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма), которые соответственно называются нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Среди соединений А III В V особое положение занимает арсенид галлия ( GaAs ). У него ширина запрещенной зоны превышает ширину запрещенной зоны Германия и кремния, но ещё не очень велика (1,43 эВ). Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по частотному пределу превосходят германиевые, а по максимальной рабочей температуре (до 450 оС) – кремниевые.

Соединения А II BVI образуются в результате взаимодействия элементов II подгруппы (цинк, кадмий, ртуть, медь, висмут) с элементами VI подгруппы (сера, селен, теллур, кислород), которые соответственно называются сульфиды, селениды, теллуриды, оксиды. Технология изготовления полупроводниковых соединений А II BVI разработана гораздо менее полно. Это связано с тем, что они обладают высокими температурами плавления. Обычно их выращивают в запаянных кварцевых ампулах.

К этой же группе относится оксид цинка ZnO , имеющий Δ W = 3,2 эВ, который широко используется в ограничителях перенапряжения. Но о нём подробнее будет рассказано в разделе «Керамические полупроводники».

Карбид кремния ( SiC ) является единственным бинарным соединением, образованным элементами IV подгруппы (А IV BIV ) и относящихся к полупроводникам. Этот полупроводниковый материал с большой шириной запрещённой зоны ( Δ W = 2,8–3,1 эВ) применяется для изготовления полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах (до 700 оС). Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив к окислению до температуры свыше 1 400 оС.

Полупроводниковые материалы сложного состава

Полупроводниковые комплексы находят применение для изготовления термоэлементов, термогенераторов, холодильных устройств и т. д. К таким материалам относятся, например, тройные сплавы: В i — Sb — Zn (висмут-сурьма-цинк), Bi — Te — Se (висмут-теллур-селен) и т. д.

К этой же группе относятся керамические полупроводники, которые нашли применение в качестве резисторов вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений. Вентильные разрядники [7] используются для защиты изоляции электрооборудования подстанций от волн, бегущих с линий. Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток и резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Основу нелинейного резистора вентильного разрядника составляет порошок из зёрен карборунда ( SiC ). В вентильных разрядниках нелинейные резисторы изготавливают из вилита и тервита.

Вольтамперная характеристика нелинейного резистора в логарифмических координатах хорошо аппроксимируется двумя отрезками прямых (рис.11). Для каждого отрезка действительна зависимость

lgU = lgA + α· lgI ,

где А – постоянная, α – коэффициент нелинейности (α = tgF ).

Чем меньше коэффициент α2, тем шире диапазон токов, для которых на вентильном разряднике напряжение безопасно для изоляции.

Рис. 11. Вольтамперная характеристика разрядника в логарифмических

Вилит получают из зёрен карборунда и эмульсии мела в жидком стекле путем обжига при температуре 380 оС. Коэффициенты нелинейности вилита α1 = 0,28–0,30 и α2 = 0,11–0,20.

Тервит получают из карборунда и эмульсии глинозёма в жидком стекле путём обжига при температуре 1 280–1 300 оС, при этом часть окиси кремния выгорает, что повышает пропускную способность по сравнению с вилитом (с 300 до 1 500 А), но уменьшается степень нелинейности (у тервита α1 = 0,35–0,38 и α2 = 0,15–0,25).

Разработанные в 70-е годы в СССР и за рубежом резисторы на основе окиси цинка ( ZnO ) обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Оксидно-цинковая керамика – это нелинейный материал, получаемый в результате высокотемпературного обжига (до 1 300 оС) смеси, состоящей из оксида цинка ( ZnO ) и некоторого количества оксида другого металла: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т. п. (масса самой весомой из добавок составляет менее 4 % массы оксида цинка). Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики составляет

α = 0,02–0,1 и зависит от сочетания добавок к оксиду цинка и от температуры обжига материала.

Такая высокая нелинейность обуславливает прохождение при рабочем напряжении через нелинейные резисторы тока порядка доли миллиампера, что позволило исключить искровой промежуток и подключить резистор ОПН непосредственно к сети.

Общие сведения о магнитных свойствах

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. По магнитным свойствам все материалы можно разделить на две группы: 1) слабомагнитные (μ ≈ 1); 2) сильномагнитные (μ >> 1). Слабомагнитные материалы в технике применяются редко, поэтому их рассматривать не будем. У сильно магнитных материалов μ >>1 и зависит от напряжённости внешнего поля. Эти материалы используются в энергетике в качестве магнитных материалов. К ним относятся железо, никель, кобальт, их сплавы, ферриты. Сильномагнитные материалы можно разделить на две подгруппы: а) ферромагнитные (железо, никель, кобальт и их сплавы);

Каждый электрик должен знать:  Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей

б) ферримагнитные (ферриты – магнитная керамика, окислы металлов).

Магнитные свойства материалов в основном определяются магнитными свойствами электронов: орбитальным вращением электронов в атомах и вращением электронов вокруг собственных осей (электронные спины).

В ферромагнитных материалах образуются самопроизвольно намагниченные области – домены, в которых магнитные моменты электронов направлены параллельно друг другу. Магнитные моменты отдельных доменов расположены неупорядоченно, вследствие чего суммарная намагниченность их равна нулю. Если приложить внешнее поле, то начинается рост доменов, намагниченность которых совпадает с направлением внешнего поля или близка к направлению внешнего поля, с одновременным сокращением числа доменов, намагниченность которых существенно не совпадает с направлением внешнего поля. В сильных полях завершается рост доменов и повороты их векторов намагниченности, вследствие чего дальнейший рост внутреннего магнитного поля прекращается, и наступает насыщение.

Рассмотрим зависимости В = f ( H ) и μ = f ( H ), характеризующие процесс намагничивания ферромагнетика, предварительно размагниченного (рис.12,а). В области очень слабых магнитных полей (участок 1) магнитная индукция растёт линейно с ростом напряжённости, магнитная проницаемость остаётся постоянной (μ н ≈ const ); это так называемая начальная относительная магнитная проницаемость. Эта область намагниченности используется в технике слабых токов (нелинейная зависимость между магнитной индукцией и напряжённостью поля приводит к искажению передаваемых сигналов).

В области слабых полей (участок 2) магнитная проницаемость резко возрастает и проходит через максимум. В первой части этого участка рост магнитной индукции происходит очень круто.

В области средних полей (участок 3) происходит лишь слабое увеличение магнитной индукции.

В области сильных полей (участок 4) рост магнитной индукции происходит очень замедленно (наступает насыщение).

Рис.12. Процесс намагничивания ферромагнетика:

а) первоначальный; б) петля гистерезиса

Если ферромагнетик включить под переменное напряжение, то кривая

В = f ( H ) примет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса (рис.12,б). По ширине петли гистерезиса все магнитные материалы можно разделить на две группы: а) магнитомягкие; б) магнитотвёрдые.

Магнитомягкие материалы имеют малое значение Н с (узкая петля), они легко перемагничиваются, и их используют в переменных полях для сердечников. Они имеют большое значение магнитной проницаемости μ в слабых и средних полях.

Магнитотвёрдые материалы имеют большое значение Н с , их не следует использовать в переменных полях, а нужно применять для постоянных магнитов.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагревании материала.

Можно выделить два вида потерь: а) потери на перемагничивание;

б) динамические (потери на вихревые токи).

Потери на перемагничивание пропорциональны площади петли ( S ) гистерезиса и частоте ( f ) P

f S . Динамические потери вызваны возникновением внутри магнитного материала вихревых токов, эти потери пропорциональны квадрату частоты и обратно пропорциональны удельному электрическому сопротивлению (ρ):

При высоких частотах в сердечниках приходится учитывать в первую очередь потери на вихревые токи. Уменьшить их можно путём увеличения удельного сопротивления ρ. Для этого сердечник делают из тонких листов ферромагнетика, разделённых лаком, тонкой бумагой и т. д. На высокой частоте целесообразнее использовать ферриты, у которых удельное сопротивление в раз больше железа.

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры. При увеличении температуры облегчается переориентация доменов по полю, и магнитная проницаемость растёт, но при температуре выше определённого значения, называемого точкой Кюри, происходит разрушение доменной структуры, и магнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства. Для чистого железа точка Кюри составляет 768 оС, для никеля 358 оС, для кобальта 1 131 оС.

Для характеристики изменения магнитной проницаемости с температурой пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости (К-1):

Магнитомягкие материалы, обладая высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, в электромагнитах, в измерительных приборах и везде, где необходимо при наименьших затратах достигнуть наибольшей индукции. В настоящее время выпускается много разновидностей магнитомягких материалов, мы рассмотрим электротехническую сталь и пермаллои.

Электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Если в железо добавить кремний, то изменяются следующие свойства:

а) увеличивается удельное сопротивление (следовательно, снижаются потери на вихревые токи). Удельное сопротивление при увеличении кремния до 5 % увеличивается от 0,1·10-6 до 0,6·10-6 ;

б) увеличиваются начальная магнитная проницаемость µн (при Н = 0) и максимальная магнитная проницаемость µ max ;

в) уменьшается коэрцитивная сила (следовательно, уменьшаются потери на гистерезис);

г) ухудшаются механические свойства, увеличивается хрупкость (при содержании кремния выше 5 % она становится непригодной для штамповки).

Ферромагнитные материалы характеризуются также магнитной анизотропией, выражающейся в различной легкости намагничивания вдоль различных осей. Анизотропия может усиливаться во время обработки стали.

Различают горячекатаную и холоднокатаную стали. При горячей прокатке происходит лишь слабая ориентация зёрен в направлении проката, сталь имеет незначительную анизотропию. При прокатке в холодном состоянии магнитные свойства в направлении проката улучшаются, но ухудшаются в поперечном направлении проката. Такую сталь нужно использовать так, чтобы магнитный поток проходил по направлению проката, так как сталь имеет резкую анизотропию.

Электротехническая сталь делится на марки: Э-1312, Э-2011 и т. д. Эти марки расшифровываются следующим образом:

– буква Э – электротехническая сталь;

– первая цифра: 1 – горячекатаная изотропная,

2 – холоднокатаная изотропная,

3 – холоднокатаная анизотропная;

– вторая цифра – примерное содержание кремния в процентах;

– третья и четвертая цифры – характеризует сталь по некоторым электрическим и магнитным свойствам (гарантируется значение в определенном диапазоне).

В настоящее время холоднокатаная сталь нашла более широкое применение, чем горячекатаная.

Пермаллои – это железоникелевые сплавы, обладающие большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей и узким гистерезисным циклом.

Пермаллои используются для изготовления сердечников дросселей, реле, измерительных трансформаторов и т. д. Различают высоконикелевые (72–80 % Ni ) и низконикелевые (40–50 % Ni ) пермаллои. В сплавы, кроме железа и никеля, также входят добавки молибдена, хрома, меди, марганца, кремния и т. д. Содержание никеля зависит от того, для каких целей будет использоваться пермаллой. Если сердечник предназначен для работы на высоких частотах, то предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои, так как у них удельное сопротивление почти в три раза больше, чем у высоконикелевых пермаллоев.

У высоконикелевых пермаллоев выше значения магнитной проницаемости: µн и µ max . Они применяются для сердечников малогабаритных трансформаторов и реле. Стоимость высоконикелевых пермаллоев больше чем низконикелевых, поскольку никель дорог.

Ферриты представляют собой системы из окислов железа и окислов двухвалентных и реже одновалентных металлов, соответствующие общей формуле , где Ме – символ двухвалентного металла (никель, цинк, марганец, кобальт, барий и т. д., иногда одновалентный литий). Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе.

Технология изготовления ферритов оказывает существенное влияние на свойства готовых изделий. В промышленности в основном используется метод смешивания оксидов металлов. Исходные оксиды взвешивают, тонко измельчают и тщательно перемешивают в шаровых или вибрационных мельницах. Затем осуществляют предварительный обжиг при температуре ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол. Для улучшения пластичности в порошок добавляют пластификаторы (поливиниловый спирт, парафин и др.). Из полученной массы прессуют под большим давлением изделия требуемой формы и обжигают при температуре 1 100–1 400 оС в окислительной среде (обычно в воздухе). При этом про-исходит спекание и образование твёрдых растворов ферритов. Усадка ферритов при обжиге может достигать 20 %. Ферритовые изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Их можно шлифовать и полировать, резать можно только инструментом из синтетических алмазов.

Магнитомягкие ферриты . В настоящее время основное применение нашли следующие группы смешанных ферритов:

Максимальная индукция феррита составляет 0,3 Тл, поэтому в сильных магнитных полях их применять нецелесообразно. Но у них большое магнитное сопротивление (в 106 – 1011 раз больше электротехнической стали), поэтому они нашли широкое применение при повышенных и высоких частотах. Они используются для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочастотных электродвигателей и т. д.

– первая цифра означает численное значение начальной магнитной проницаемости µн;

– первые буквы: Н – ферриты для низких частот (от 0,2 до 20 МГц),

ВЧ – ферриты для высоких частот (от 20 до 300 МГц);

– следующие буквы обозначают состав материала:

Н – никель-цинковые и т. д.

Примеры обозначения: 1 000 НН, 6 000 НМ, 150 ВЧ.

Ферриты, как и электротехническая сталь, имеют точку Кюри, при которой разрушается доменная структура. Точка Кюри для магнитомягких ферритов лежит в диапазоне 70 – 400 оС.

Магнитотвёрдые ферриты применяются для магнитов в электродинамических громкоговорителях, для микродвигателей, измерительных приборов. Известны кобальтовые и бариевые ферриты.

Кобальтовые ферриты применяются ограниченно из-за дефицитности и дороговизны кобальта, а также недостаточно высоких магнитных свойств по сравнению с более дешёвыми бариевыми ферритами.

Бариевые магниты дешевы, имеют большое удельное сопротивление, устойчивы к действию внешних размагничивающих полей. Но они отличаются большой хрупкостью и не способны к обычным видам механической обработки. Кроме того, они имеют необратимое изменение магнитных свойств после охлаждения их от комнатной до низких температур (-60 оС) и последующего нагревания до первоначальной температуры.

Магнитотвердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях выгоднее, чем электрические. Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на группы:

– легированные мартенситные стали;

– литые магнитотвердые сплавы;

– магниты из порошков.

Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат: коэрцитивная сила Нс; остаточная индукция В r ; максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство Wmax .

Величины коэрцитивной силы Н с с остаточной индукцией В r определяются на петле гистерезиса (рис.12,б). Поясним, что такое максимальная энергия Wmax . Если магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то магнитная энергия находится внутри его. Если убрать внешнее поле, то остаточная индукция в магните будет равна В r . Возьмём кольцевой сердечник, намагнитим его, после этого выпилим из него кусок длиной d . Такого вида сердечники используют в приборах и в реле.

В результате объём магнитного материала уменьшился, следовательно, уменьшится и магнитный поток. Индукция внутри магнита снизится до величины В d , которая меньше В r (индукция в магните и воздухе одинакова и составляет значение В d , но напряжённость магнитного поля (Н) в воздухе больше в 1/µ0 раз).

Удельная магнитная энергия (Дж/м3) поля, создаваемая в воздушном зазоре магнита, равна W d = , где Н d – напряжённость поля, соответствующая индукции В d ,А/м.

Зазор нужно взять оптимальным, чтобы энергия в воздушном зазоре была максимальной Wmax . Величина Wmax является важнейшей при оценке качества материала.

Легированные мартенситные стали . Эти стали являются наиболее простыми и доступными для изготовления постоянных магнитов. Мартенситные стали начали применять для производства постоянных магнитов раньше всех других материалов. Стали легируются следующими добавками: кобальта (до 15 %), хрома (до 3 %), вольфрама (до 8 %). У них низкое значение Wmax = (1–4) кДж/м3. В настоящее время они имеют ограниченное применение в виду их невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, так как они дёшевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках. Наличие добавок в стали можно определить по марке стали. Например, сталь ЕХ легирована хромом. Другие добавки обозначаются следующими буквами: вольфрам – В, молибден – М, кобальт – К. Цифры указывают процентное содержание элемента, например, ЕХ3 (3% хрома).

Литые магнитотвердые стали . В этой группе наибольшее распространение получили тройные сплавы: железо-никель-алюминий ( Fe — Ni — Al ). Они имеют большую магнитную энергию, чем мартенситные стали. Для улучшения магнитных свойств эти сплавы легируют: кобальтом (2–40 %), медью (2–8 %), титаном (0–9 %), ниобием, кремнием. Магнитная энергия лучших сплавов достигает Wmax = 40 кДж/м3.

Изделия из этих сплавов получают в основном методом литья, недостатками сплавов являются особая хрупкость и высокая твёрдость, поэтому обработка на металлорежущих станках затруднена. В основном их обрабатывают шлифовкой.

Магниты из порошков . Невозможность получить особенно мелкие изделия со строго выдержанными размерами из литых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. Среди них рассмотрим следующие виды магнитов:

а) металлокерамические магниты (получены из измельченных сплавов типа А l — Ni — Fe );

б) металлопластические магниты (получены из сплавов типа А l — Ni — Fe и связующего материала).

Металлокерамические магниты изготавливают из измельченных порошков сплавов Cu — Ni — Fe , Cu — Ni — Co , Fe — Co — Ni — Al путем прессования и дальнейшего спекания при высоких температурах. Такой способ выгодно применять для производства мелких магнитов и магнитов сложной конфигурации, так как при такой технологии получаются достаточно точные размеры, и дальнейшая обработка не требуется. Металлокерамические магниты обычно имеют пористость 3 – 5 %, а запасенная магнитная энергия и остаточная индукция у них на 10–20 % ниже, чем у литых магнитов из соответствующего сплава. Зато по механической прочности они превосходят литые магниты в 3 – 6 раз.

Металлопластические магниты , как и металлокерамические, получают из металлического порошка сплавов типа А l — Ni — Fe , смешанных с порошком диэлектрика (например, феноло-формальдегидной смолы). Процесс изготовления магнитов заключается в прессовании смеси под давлением

500 МПа, нагревании заготовок до температуры 120–180 оС для полимеризации диэлектрика. Магнитные свойства металлопластических магнитов довольно низкие. Коэрцитивная сила у них по сравнению в литыми магнита-

ми из соответствующего сплава ниже на 10–15 %, остаточная индукция – на

35–50 %, а запасенная магнитная энергия – на 40–60 %.

Понижение магнитных свойств объясняется большим содержанием (до 30%) немагнитного связующего вещества. Однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью. Благодаря высокому электрическому сопротивлению их можно применять в аппаратуре для переменного магнитного поля повышенной частоты.

1. , , Тареев материалы. Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.

2. Материаловедение и технология металлов / Под ред. . М.: Высш. школа, 2002. – 638 с.

3. Материаловедение и конструкционные материалы / Под ред. ., Минск. Высшая школа, 1989. – 461с .

4. , Сорокин электронной техники. СПб.: Из-во «Лань», 2003. – 368 c .

5. Электротехнические и конструкционные материалы / Под. ред. В. А. Фи — ликова. М.: Высш. школа, 2000. – 280 с.

6. Электротехнические материалы в 3-х томах, Т.1 / Под общ. ред. В. Г. Ге-расимова, и др. М.: Энергия, 1980. – 520с.

7. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов/ Под общ. ред. . М.: Энергоатомиздат, 1986. – 464 c .

8. Колесов и технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Высш. школа, 2004. – 519 с.

I . Основы строения и свойств материалов . 3

1.1. Классификация материалов. 3

1.2. Общие сведения о строении вещества. 4

Строение атома. 4

Химическая связь. 5

II . Электротехнические материалы . 6

Классификация электротехнических материалов. 6

2.1. Диэлектрики. 7

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость. 7

Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков 9

Электропроводность диэлектриков. 12

Диэлектрические потери. 15

Пробой диэлектриков. 19

Физико-химические и механические свойства диэлектриков. 22

2.2. Проводниковые материалы. 25

Классификация проводников. 25

Основные свойства проводниковых материалов. 25

Материалы высокой проводимости. 28

Сплавы высокого сопротивления. 28

Припои, контактные материалы и неметаллические проводники. 29

Сверхпроводники и криопроводники. 30

2.3. Полупроводниковые материалы . 31

Общие сведения о полупроводниках. 31

Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников. 32

Простые полупроводники. 34

Полупроводниковые химические соединения (бинарные соединения). 35

Полупроводниковые материалы сложного состава (полупроводниковые комплексы). 35

Физические свойства кремния и германия. Собственная и примесная проводимость элементарных полупроводников

Физические свойства кремния и германия. Собственная и примесная проводимость элементарных полупроводников. Способы получения и методы очистки полупроводниковых материалов.

28 14 Si имеет три стабильных изотопа и три радиоактивных. Существует в двух формах: аморфной (бурый порошок) и кристаллической (в виде кристаллов октаэдрической формы) – серый со стальным блеском. Обладает низкой электропроводностью. На внешнем энергетическом слое 2 s и 2р-электрона. В возбужденном состоянии s-электроны распариваются, и один электрон переходит в свободную р ячейку. становится 4 валентных электрона (SiО2). В этом сродство с углеродом. Известен гомологический ряд Sin Н 2n + 2 (как у предельных углеводородов, но их только 6).

По распространенности в природе занимает 2 место после кислорода. Минералы – кремнезем, кварц, горный хрусталь, силикаты –соли кремневой кислоты, тальк, полевой шпат, глины.

Проявляет сходство с бором. Он как и бор начинает серию неметаллов в IV периоде. Сходство по степени электропроводности. Кристаллический Si похож на аморфный. Но кристаллы кремния обладают еще и металлическим блеском. При обычных условиях взаимодействует только с F (фтор) Si + 2 F = Si F4. при повышении температурывзаимодействует со многими неметаллами. Si + 2Сl2 = SiСl4 ; Si + О2= SiО2;

Si + С = SiС (карборунд) изготавливают шлифовальные круги, точильные бруски. реагирует с металлами Мg, Сu, Fе с образованием силицидов. Мg 2Si . в воде нерастворим.а в водных растворах щелочей: Si + 2NаОН + Н2О = Nа2SiО3 +2Н2#

Кислоты не действуют на кремний за исключением НF (плавиковая)

Применяется кремний главным образом в металлургии и в полупроводниковой технике. В металлургии для удаления кислорода из расплавов металлов и служит составной частью сплавов (железа, меди, алюминия)

В полупроводниковой технике для изготовления фотоэлементов, усилителей, выпрямителей. Полупроводниковые элементы на основе кремния выдерживают нагрев до 250 о С.

Соединение кремния SiО2 – твердое вещество очень тугоплавкое, широко распространено, встречается в виде двух модификаций – кристаллического (кварц, песок) и аморфного. С водой не реагирует. Раствор Nа2SiО3 и К2SiО3 – называют жидким стеклом (изготавливают клей, водонепроницаемые ткани)силикаты входят в состав горных пород (асбест, полевой шпат). Силикаты, содержащие алюминий называют алюмосиликатами.

72 32Gе 1 s 2 2 s 2 2р 6 3 s 2 3d 10 3р 6 4 s 2 4р 2 на внешнем энергетическом уровне 4 s 2 4р 2 в нормальном состоянии имеет 2 спаренных s –элекрона и 2 неспаренных р электрона. В возбужденном состоянии s электроны распариваются и один занимает свободную р орбиталь. Получается 4 валентных электрона.

Германий был одним из 3 –х элементов, предсказанных еще Менделеевым. Это типичный рассеянный элемент и добывают его из отходов цветной металлургии и из пыли, осаждающейся в дымоходах газогенераторов. Он содержится в каменном угле. Это хрупкий металловидный неметалл, четырехвалентный почти во всех соединениях. При обычных условиях он устойчив. Образует очень непрочные газообразные соединения с водородом. GеnН2 n +2 , окисел GеО2, ангидрид слабой и неустойчивой кислоты.Н2GеО3, соли которой называются германатами. Основной потребитель монокристаллического германия – радиотехника. Германиевый диод размером с кукурузное зернышко представляет собой пластинку из германия, в которую упирается металлический усик. Он действует как выпрямитель, заменяющий вакуумную диодную лампу, превосходя ее надежностью работы, долговечностью и компактностью. Транзисторы из германия имеют те же самые преимущества перед ламповыми триодами. Здесь играют роль особые свойства полупроводников.

Как и кремний германий кристаллизуется подобно решетке алмаза. Каждый атом связан с 4 другими и связь осуществляется двумя электронами, по одному от каждого атома. Но в алмазе все валентные электроны закреплены прочно, а в кремнии и германии так слабо, что за счет энергии теплового движения отрываются от связываемых ими атомов и становятся свободными. Постоянное присутствие в кристаллах кремния и германия свободных электронов сообщает этим веществам электронную проводимость. При переходе каждого электрона из связанного в свободное состояние в ковалентной связи возникает пустое место ( или «дырка»). Такие «дырки» могут заполняться путем перемещения в них валентных электронов из ковалентных связей.

Если ввести элементV группы – сурьму, то ее атомы заменят часть атомов германия , то увеличится «дырочная» проводимость, увеличится значение электропроводности. Например кристалл с поверхностью всего в 100см 3 достаточен для выпрямления переменного тока для электровоза в 400 лошадиных сил. На том же свойстве основано использование полупроводников в радиотехнике.

При комнатной температуре германий устойчив к действию воздуха, кислорода, воды, соляной и разбавленной серной кислот азотная и концентрированная серная кислота окисляют его до диоксида GеО2, особенно при нагревании:

Германий взаимодействует со щелочами в присутствии водорода . при этом образуются соли германиевой кислоты – германаты.

Соединения германия (ll) малоустойчивы.

Для использования германия в производстве полупроводников его тщательно очищают. Для придания ему электрических свойств в него вводят очень небольшие количества прuмесей (элементы lll и V групп мышьяк, сурьма, алюминий, галлий.

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

23 мая 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).


Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Полупроводниковые свойства германия и кремния

Проводимость полупроводниковых материалов лежит между проводимостью изоляторов и проводников. Чистыми полупроводниковыми элементами являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si). Наиболее подходят для применения в электронике германий и кремний.

Германий – это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 году. Порошкообразную двуокись германия получают из золы некоторых сортов угля. Из этого порошка получают твердый чистый германий.

Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распространен в земной коре в виде белого или иногда бесцветного соединения – двуокиси кремния. Двуокисью кремния богат песок, кварц, агат и кремний. Из двуокиси кремния получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Атомная структура кремния и германия

Полупроводниковый материал после получения должен быть модифицирован, чтобы он приобрел качества, необходимые для полупроводниковых устройств. Внешняя или валентная орбита кремния содержит 4 электрона. Валентность – это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны, она определяет электрические и химические свойства атома.

Полупроводниковые материалы имеют наполовину заполненные валентные оболочки.

Материалы, которым необходимы электроны для заполнения их валентной оболочки, являются нестабильными и относятся к активным материалам. Для приобретения стабильности, активные материалы должны добавить электроны в свои валентные оболочки. Атомы кремния способны объединить свои электроны с другими атомами кремния с помощью процесса, который называется ковалентной связью. Ковалентная связь – это процесс совместного использования валентных электронов различными атомами, приводящий к образованию кристалла.

Каждый атом в такой кристаллической структуре имеет 4 своих собственных электрона и 4 совместно используемых электрона от 4-х других атомов, а всего – 8 валентных электронов. Ковалентная связь ввиду своей стабильности не может поддерживать электрическую активность.

При комнатной температуре кристаллы чистого кремния являются плохими проводниками. Они ведут себя как изоляторы. Однако если кристаллу сообщить тепловую энергию, то некоторые электроны получат эту энергию и переместятся на более высокую орбиту, нарушая ковалентную связь. Это позволяет кристаллу проводить ток.

Кремний, подобно другим полупроводникам, имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, потому что при повышении температуры его сопротивление уменьшается. Сопротивление кремния падает в 2 раза при каждом повышении температуры на 6 градусов Цельсия.

Как и кремний, германий имеет 4 валентных электрона и может образовывать кристаллическую структуру. Сопротивление германия падает в 2 раза при каждом повышении температуры на 10 градусов Цельсия. Т.о., германий является более стабильным по отношению к изменениям температуры, чем кремний. Однако германий требует меньше тепловой энергии для освобождения электронов, чем кремний. При комнатной температуре кремний имеет в 1000 раз больше сопротивление, чем германий.

Каждый электрик должен знать:  Печатные схемы

Тепло при работе с полупроводниками является потенциальным источником трудностей, который нелегко подается контролю.

Эпитаксия кремния, германия и сплавов кремния-германия

1. Выращивание и легирование многослойных структур типа Si:Er/Si и GexSi1‑x/Si методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория полупроводниковой СВЧ электроники

С середины 1990-х гг. за рубежом и в России активно ведутся исследования многослойных монокристаллических структур кремния, включающих слои легированные эрбием. Известно, что в таких структурах наблюдаются эффекты электро- и фотолюминесценции на длине волны 1,54 мкм, соответствующей минимуму поглощения в современных оптоволоконных линиях связи. Указанные эффекты обусловлены излучательными переходами электронов в 4f- оболочке иона эрбия (Er 3+ ). В связи с этим линия излучения является достаточно узкой по частоте, а частота излучения, в свою очередь, практически независимой от температуры окружающей среды. Такие свойства структур кремния легированных эрбием делают их весьма перспективными для создания на их основе по кремниевой технологии (что очень важно!) активных элементов оптоэлетроники (светодиодов, оптических усилителей и лазеров) с указанной ранее длиной волны.

Известно, что при легировании слоев кремния эрбием в них возникают электрически и оптически активные центры эрбия, интенсивность излучения которых определяется наличием в них кроме эрбия других примесей, например, кислорода, углерода, азота и т.д. То есть излучательные свойства структур могут сильно изменяться в зависимости от технологии их получения.

Наиболее заметные успехи в области повышения интенсивности излучения в настоящее время достигнуты с применением технологии сублимацонной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ). Заметим, что технология СМЛЭ кремния была впервые предложена в 60 годах 20 века сотрудниками отдела физики полупроводников ГИФТИ В.В.Постниковым и В.А.Толомасовым. Такая технология позволяет производить в широких пределах легирование слоев кремния в процессе их выращивания. Источниками кремния и легирующих примесей являются бруски кремния, содержащие соответствующие примеси, и разогретые до температуры испарения кремния (близкой к температуре плавления). Концентрация примесей в растущем слое определяется (в основном) температурой подложки и плотностью потока примесей из источника. В настоящее время эта методика достаточно хорошо проработана и позволяет выращивать слои кремния различного типа проводимости с толщинами от едениц монослоев до десяти и более микрометров с уровнем легирования от 10 13 до 10 20 см -3 .

Основная задача для структур кремния со слоями, легированными эрбием, заключалась в определении параметров структур и условий их реализации, обеспечивающих максимальную интенсивность электролюминесценции на длине волны 1,54 мкм. Сложность этой задачи заключается, в первую очередь, в отсутствии достаточно проработанной теории электролюминесценции для данного объекта, что требует большого объема экспериментальных исследований.

За последние годы в НИФТИ ННГУ были выполнены исследования зависимости интенсивности электролюминесценции от концентрации эрбия, мелких донорных и акцепторных примесей, профиля легирования активного слоя и его толщины для диодных структур p + /n-Si:Er/n + -типа. Определены условия и сформулированы рекомендации по достижению интенсивности электролюминесценции заметно превышающей уровень зарубежных достижений. Сформулирована новая феноменологическая модель процессов электролюминесценции в легированных эрбием диодных структурах при пробое обратно смещенного p-n-перехода. Предложен новый метод определения энергетического спектра глубоких примесных состояний, образуемых центрами эрбия в запрещенной зоне кремния.

2. Физические и технологические основы создания СВЧ-, КВЧ- и оптоэлектронных полупроводниковых элементов и устройств на основе многослойных субмикронных Si- структур

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория полупроводниковой СВЧ электроники

Диодные и транзисторные структуры на базе кремния являются основой большинства полупроводниковых приборов современной электроники. С момента создания лаборатория полупроводниковой электроники СВЧ НИФТИ ННГУ активно занимается разработкой и поиском условий расширения функциональных возможностей активных элементов сверхвысоких частот (СВЧ) на базе многослойных структур кремния, выращенных методом сублимационной молекулярно – лучевой эпитаксии (СМЛЭ). Результатом этих исследований явилось создание в 80-х годах 20 века лавинно-пролетных диодов (ЛПД) мм- и субмм – диапазона с параметрами, близкими к уровню мировых достижений того времени. Позже были разработаны диоды с накоплением заряда (ДНЗ), позволяющие формировать перепады напряжений с уникально коротким (до сегодняшнего дня) фронтом (менее 20 пс при амплитуде до 10 В).

В 90-е годы прошлого века нами была обнаружена генерация обратносмещенными диодами щумового электромагнитного излучения с рекордно высокой спектральной плотностью мощности шума (СПМШ) в сверхширокой полосе частот. Практическим результатом исследований этого эффекта явились разработки оригинальных шумовых диодов и параметрического ряда источников (генераторов) электромагнитного излучения со спектром типа «белый шум» в диапазоне частот 26-230 ГГц с уникально высокой СПМШ в 100-1000 раз превышающей лучшие мировые достижения в этой области.

Были построены феноменологические и численные модели процессов генерации в ЛПД в субмм диапазоне, процессов переключения в ДНЗ с ультракоротким фронтом, а также процессов генерации стохастических колебаний шумовыми диодами.

Научные результаты применяются в НИОКР, выполняемых лабораторией в области электроники СВЧ, а также в работах по биомедицинской тематике, выполняемых в кооперации с ведущими исследовательскими центами России и за рубежом.

3. Взаимодействие низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ-диапазона с биологическими средами, а также с организмами человека и животных.

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория полупроводниковой СВЧ электроники

Изучение вопросов изменений в живых организмах под воздействием электричества было начато практически одновременно с открытием электричества. Эти исследования продолжались и развивались по мере расширения электрического инструментария. Примерно с середины 20 века стали активно развиваться исследования в области влияния электромагнитных волн СВЧ диапазона. В результате чего были разработаны новые методы лечения онкологических заболеваний – методы сверхвысокочастотной (СВЧ) – гипертермии (или, как называют ее за рубежом, диатермии). Они были основаны на разрушении опухолей под воздействием высокоинтенсивного электромагнитного излучения (ЭМИ).

В середине 80-х годов прошлого века группой ученых НИИ «Исток» (Россия) под общим руководством академика Н.Д.Девяткова были начаты работы по изучению влияния низкоинтенсивного ЭМИ крайневысоких частот (КВЧ) на биологические объекты. Понятие низкой интенсивности предполагает здесь слабость разогрева облучаемых объектов. Практическим результатом этих исследований явилось формирование новых методов лечения – методов так называемой КВЧ-терапии. Методы основывались на воздействии на организм моногармоническим ЭМИ с заданной длиной волны в КВЧ — диапазоне. При этом, эффективность лечения значительно изменялась в зависимости от длины волны ЭМИ.

В 90-е годы 20 века в НИФТИ ННГУ были созданы оригинальные диоды, обеспечивающие генерацию ЭМИ со спектром типа «белый шум» в КВЧ диапазоне, отличающиеся от аналогов на порядки более высокой спектральной плотностью мощности шума (СПМШ). Практически одновременно с созданием указанных шумовых диодов были разработаны генераторы такого излучения и начаты исследования его влияния на организм человека и животных и на различные биологические среды. Практическим результатом таких исследований явилось создание аппарата КВЧ — терапии низкоинтенсивным ЭМИ АМФИТ-0,2/10-01, выпускаемого в настоящее время малыми партиями ООО «ФизТех». Аппарат показал высокую эффективность при лечении широкого спектра заболеваний, в том числе, социально значимых типа ОРВИ, грипп, атипичная пневмония, а также особо тяжелых, например, СПИД, онкологические заболевания.

4. Разработка методов молекулярно-пучковой эпитаксии для выращивания многослойных полупроводниковых структур на основе кремния, германия и твердого раствора кремний-германий

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория электроники твердого тела

В лаборатории «Электроника твердого тела» для выращивания многослойных полупроводниковых структур используется метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), в котором поток атомов кремния и легирующей примеси формируется при испарении через сублимацию прямоугольных брусков кремния, вырезанных из слитков монокристаллического кремния, легированных заданной примесью, а поток атомов германия формируется при разложении газа германа (GeH4), напускаемого в камеру роста, на сублимационном кремниевом источнике (при осаждении слоев твердого раствора кремний-германий) или на «горячей проволоке», изготовленной из тантала (при осаждении слоев чистого германия). Данный метод выращивания эпитаксиальных слоев осуществляется на подложках, как в форме прямоугольных пластин, нагреваемых пропусканием электрического тока, так и в виде дисков диаметром до 100 мм, нагреваемых радиационно.

Данный метод характеризуется следующими основными преимуществами:

— поток атомов кремния и легирующих примесей из сублимирующего источника ближе к моноатомному, чем при испарении с использованием электронной пушки или эффузионной ячейки, что снижает плотность дефектов в слоях и оказывает положительное влияние на весь процесс эпитаксиального роста. За счет этого минимальная температура роста автоэпитаксиальных слоев Si ниже при испарении из сублимационного источника, чем при электронно-лучевом испарении кремния.

— формирование потока атомов кремния с достаточно высокой интенсивностью, обеспечивающей скорость роста до

5 мкм/час и в то же время низкое фоновое легирование растущего слоя (≤ 2∙10 13 см ‑3 ) обеспечивается за счет минимального разогрева крепящих держателей источника кремния;

— легирование слоев Si и SiGe широким спектром примесей (B, Al, Ga, Sb, As, P) в широких пределах (от 2∙10 13 до 1∙10 20 см ‑3 ) путем испарения примеси из сублимирующего источника. Такой вид легирования не требует использования специальных источников, отдельных от источника потока кремния. Причем поток легирующей примеси из сублимирующего источника формируется с высокой стационарностью, что очень важно для воспроизводимого легирования на протяжении длительного процесса выращивания структур;

— процесс формирования потока атомов германия значительно проще по сравнению с испарением германия с помощью электронно-лучевой пушки и не создает капель в потоке и позволяет выращивать слои в локальных областях подложки.

5. Разработка методов эпитаксиального выращивания гетероструктур со слоями германия на Si(100); слоями твердого раствора кремний-германий, как на кремниевой так и на диэлектрической (сапфир) подложках для микро- и оптоэлектроники

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория электроники твердого тела

Данное направление лаборатории тесно связано с развитием кремниевой оптоэлектроники, с возможностью интеграции оптоэлектронных и электронных приборов. Для этого необходимы эффективные источники и приемники излучения, совместимые с кремниевой технологией. В качестве светоизлучающих приборов на длине волны λ = 1,54 мкм большие перспективы связывают с кремниевыми эпитаксиальными нано-, гетероструктурами (ГС) Si / Si 1- X GeX , легированными примесью эрбия. С другой стороны, важным является создание фотодетекторов на основе слоев германия, выращенных на Si (100). Такие фотодетекторы могут детектировать оптические сигналы на длинах волн 1,3-1,55 мкм. Еще одним перспективным практическим применением слоя Ge на кремниевой подложке является его использование в качестве буферного слоя для выращивания GaAs на Si -подложке, т.е. эпитаксиальный слой Ge на Si можно рассматривать как виртуальную дешевую подложку для изготовления оптических приборов на базе GaAs .

а) приборные структуры на основе слоев Ge на Si (100)

Для создания гетероструктур такого типа разработан низкотемпературный ( TS = 300 – 380 º C ) метод осаждения из моногермана ( GeH 4 ) с разложением его в камере высоковакуумной установки на горячей проволоке. Без использования дополнительных толстых буферных слоев (с градиентным распределением содержания Ge или низкотемпературных буферных слоев) возможно выращивание слоев с предельно гладкой морфологией ( RMS

0,6 нм на скане 10×10 мкм при толщине слоя Ge 0,3 мкм), низкой плотностью прорастающих дислокаций ( 6 см -2 ) и резкой границей раздела слоя с подложкой. Такие структуры планируется использовать в приборных приложениях (например, фотодетекторах на λ = 1,3 — 1,55 мкм).

б) светоизлучающие структуры на основе слоев SiGe на Si (100)

350 º C ) роста гетероструктур Si / Si 1- X GeX 🙁 Er )/ Si (100) с высоким содержанием Ge (вплоть до x = 0,35) позволяют формировать достаточно совершенные релаксированные слои SiGe толщиной несколько микрометров. Такие гетероструктуры проявляют интенсивную фотолюминесценцию на λ = 1,54 мкм. Впервые в этих структурах при высоких уровнях оптического возбуждения наблюдалась инверсная населенность энергетических уровней примеси эрбия.

в) структуры кремния-на-сапфире (КНС)

Разработан низкотемпературный метод роста субмикронных слов Si на сапфире для использования в микроэлектронике. Разработанный высокотемпературный предэпитаксиальный отжиг сапфира R -среза и последующий рост слоя кремния при низких температурах (500 – 600 º C ) позволяют значительно снизить плотность микродвойников в КНС-структурах, формировать гладкую морфологию поверхности слоя.

Кроме того, разработан метод выращивания слоев твердого раствора SiGe на КНС-структурах в одном технологическом цикле (при минимальной толщине слоя Si равной 0,1 мкм), что открывает широкие возможности для изготовления на них приборов, работающих в СВЧ-диапазоне.

Гетероструктуры с легированными атомами эрбия слоями твердого раствора Si 1‑ X GeX , выращенными на тонком (

0,1 мкм) подслое кремния на сапфире в одном технологическом цикле, демонстрируют высокую интенсивность фотолюминесценции с наличием тонкой структуры ее спектра на λ = 1,54 мкм, сравнимую с фотолюминесценцией таких же слоев, выращенных на подложках Si (001).

Полупроводники

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников.

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .

Рис. 1. Зависимость для полупроводника

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2 ).

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.

Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки — Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).

Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем — к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла — они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.

Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) — точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок

Дырки не остаются на месте — они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка — начальное положение дырки.

Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки — в направлении вектора .

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см . Концентрация же атомов кремния — порядка см . Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7. Полупроводник n-типа

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.

Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки. Почему? Причина та же — связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк — донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными — дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см .

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см . Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью — ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см . Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь — например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .

Рис. 8. Полупроводник p-типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

И дырка эта не простая, а особенная — с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико — больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка — но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными.

Трёхвалентный индий — пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки — основные носители заряда. Свободные электроны — неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

p–n-переход

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p–n-переходом. В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление — односторонняя проводимость.

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки — это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.

Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.

Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» — на p-полупроводник (рис. 10 ).

Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.

Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»—на n-полупроводник (рис. 11 ). Эта схема называется включением в прямом направлении.

Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт

В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.

Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.

В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).

Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах. Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .

В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку — диод закрыт.

Звоните нам: 8 (800) 775-06-82 (бесплатный звонок по России) +7 (495) 984-09-27 (бесплатный звонок по Москве)

Или нажмите на кнопку «Узнать больше», чтобы заполнить контактную форму. Мы обязательно Вам перезвоним.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ, электронные компоненты, изготовленные в основном из полупроводниковых материалов (см. ниже). К числу таких компонентов относятся транзисторы, интегральные схемы, оптоэлектронные приборы, сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы и выпрямители.

Полупроводниковые материалы.

Полупроводник – это материал, который проводит электричество лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры возрастает. К наилучшим полупроводниковым материалам относятся кремний (Si) и германий (Ge); в числе других можно назвать соединения галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (P) и индия (In). Кремний находит широкое применение в транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах. Арсенид галлия (GaAs) обычно используют в СВЧ и оптоэлектронных приборах, а также в интегральных схемах. См. также ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ; ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ТРАНЗИСТОР.

Каждый электрик должен знать:  Путевые и конечные выключатели

Полупроводник представляет собой, по существу, диэлектрик, пока в него не введено малое и тщательно дозированное количество некоторого подходящего материала. Например, такой материал, как фосфор, делает кремний проводящим, добавляя в него избыточные электроны (т.е. действуя как «донор»). Кремний, легированный подобным образом, становится кремнием n-типа. Легирование таким материалом, как бор, превращает кремний в материал p-типа: бор (акцептор) отбирает у кремния часть электронов, создавая в нем «дырки», которые могут заполняться электронами расположенных поблизости атомов и повышать тем самым проводимость легируемого материала. (Потоки электронов в одном направлении и дырок в противоположном образуют ток.) Электроны и дырки, обеспечивающие таким образом проводимость, называются носителями заряда.

p-n-Переходы.

Твердотельные электронные приборы представляют собой, как правило, многослойную структуру (сэндвич), одна часть которой выполнена из полупроводника p-типа, а другая – из полупроводника n-типа. Пограничная область между материалами p-типа и n-типа называется p-n-переходом. Переход образуется положительно заряженными атомами донорной примеси с n-стороны и отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси с p-стороны. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, предотвращает диффузию электронов в p-область и дырок в n-область (рис. 1).

Если p-область p-n-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а n-область – с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут диффундировать через переход. В результате из p-области в направлении n-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, когда описанные выше подсоединения имеют противоположную полярность, от области n-типа к области p-типа потечет лишь предельно малый обратный ток.

Диоды с p-n-переходом.

Диоды – это устройства, которые проводят электрический ток только в одном направлении. Следовательно, p-n-переходы идеально подходят для их использования в диодных выпрямителях, преобразующих переменный ток в постоянный.

Когда напряжение обратного смещения на диоде с p-n-переходом увеличивается до критического значения, называемого напряжением пробоя, электрическое поле в области перехода создает электроны и дырки в результате соударений носителей заряда, обладающих высокой энергией, с атомами полупроводников. В ходе этого процесса, называемого ионизацией, образуется «лавина» новых носителей, вследствие чего обратный ток при напряжении пробоя существенно возрастает.

Диодные выпрямители обычно работают при обратных напряжениях ниже напряжения пробоя. Однако резкое и значительное нарастание обратного тока, происходящее при достижении напряжения пробоя, можно использовать для стабилизации напряжения или для фиксации опорного уровня напряжения. Диоды, предназначенные для таких применений, называются полупроводниковыми стабилитронами. См. также ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ.

Емкость, зависящая от приложенного напряжения, соответствует обратно смещенному p-n-переходу. Такую управляемую напряжением емкость можно применять, например, в настраиваемых контурах. Диоды, в которых используются такие переходы, называют варикапами.

Резкие p-n-переходы, имеющие очень малую толщину и сильно легированные с обеих сторон, находят применение в туннельных диодах, т.е. диодах, в которых электроны могут «туннелировать» сквозь переход. Туннелирование – это квантовомеханический процесс, позволяющий некоторым электронам проходить сквозь потенциальный барьер. Как при обратном, так и при прямом смещении туннельный диод пропускает ток при очень низком напряжении. Но при некотором критическом значении напряжения прямого смещения эффект туннелирования уменьшается, и, в конечном счете, преобладающим становится прямой ток от p-области к n-области. Ток, обусловленный туннелированием, продолжает уменьшаться, пока напряжение повышается от критического уровня до некоторого более высокого значения. В этом диапазоне напряжений, где происходит уменьшение туннелирования, возникает отрицательное сопротивление, которое можно использовать в различных типах переключателей, автогенераторов, усилителей и других электронных устройств.

p-n-Переход может также находить применение в качестве фотодиода или солнечного элемента (фотоэлектрического перехода). Когда свет, который состоит из фотонов, освещает p-n-переход, атомы полупроводника поглощают фотоны, в результате чего образуются дополнительные пары электронов и дырок. Поскольку эти дополнительные носители собираются в области перехода, от n-области в p-область течет избыточный ток. Величина этого обратного тока пропорциональна скорости, с которой генерируются дополнительные носители, а эта скорость, в свою очередь, зависит от интенсивности падающего света.

В фотодиодах этот обратный ток при фиксированном напряжении обратного смещения зависит от интенсивности освещения. Поэтому фотодиоды часто используют в фотометрах и системах распознавания символов.

Полученную от p-n-перехода энергию солнечные элементы передают в подключенную к ним внешнюю нагрузку. Солнечные элементы, преобразующие солнечный свет в электричество, находят широкое применение в качестве источников электропитания для искусственных спутников Земли и в некоторых применениях на Земле. См. также БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.

Во многих полупроводниковых материалах, таких, как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и фосфид индия (InP), электроны и дырки рекомбинируют друг с другом в области p-n-перехода, смещенного в прямом направлении, излучая свет. Длина волны излучения зависит от используемого материала; обычно спектр излучения находится в пределах от инфракрасного (как в случае GaAs) до зеленого (как для GaP) участков. При надлежащем выборе материалов можно изготовить такие светоизлучающие диоды (СИД), которые будут давать излучение практически любого цвета (длины волны). Такие светодиоды применяют в цифровых наручных часах и в индикаторах электронных калькуляторов. Инфракрасные светодиоды могут использоваться в оптических системах связи, в которых световые сигналы, посылаемые по волоконно-оптическим кабелям, детектируются фотодиодами. Оптоэлектронные системы такого рода могут быть весьма эффективными, если используются светодиоды лазерного типа, а фотоприемники работают в лавинном режиме с обратным смещением. См. также ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА; ЛАЗЕР.

Транзисторы.

p-n-Переходы используются также в транзисторах и более сложных транзисторных структурах – интегральных схемах.

В биполярном транзисторе носителями заряда служат как электроны, так и дырки. В нем имеются два близко расположенных и включенных навстречу друг другу перехода, которые образуют тем самым три отдельных слоя p-n-p— либо n-p-n-структуры. В p-n-p-транзисторе p-область, служащая слоем ввода, называется эмиттером; центральная n-область является базой; p-область, служащая выводом, называется коллектором. В n-p-n-транзисторе p— и n-области меняются местами. В p-n-p-транзисторе дырки инжектируются через эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, и собираются на коллекторном переходе, смещенном в обратном направлении; в n-p-n-приборе то же самое происходит с электронами. Количество инжектируемых и собираемых носителей заряда можно менять путем изменения малого тока, подаваемого в область базы.

Полевой транзистор представляет собой униполярный прибор; это означает, что только основной тип носителей заряда – либо электроны в областях с проводимостью n-типа, либо дырки в областях с проводимостью p-типа – проходят через проводящий канал прибора. Ток в канале изменяется посредством электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к переходу (с обратным смещением) или к изолирующему слою на поверхности прибора.

Биполярный транзистор – это, по существу, прибор, управляемый током, а полевой транзистор – прибор, управляемый напряжением. Оба типа транзисторов широко применяются в схемах микроэлектроники. См. также ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ТРАНЗИСТОР.

p-n-p-n-Приборы.

На рис. 2 представлена четырехслойная структура, называемая триодным тиристором (SCR). Это наиболее важный тип приборов со структурой p-n-p-n. Другие приборы с этой структурой – двухвыводной и двусторонний диоды.

Тиристор представляет собой эффективный переключатель, позволяющий работать со значительными уровнями мощностей. При прямом напряжении на тиристоре переход B имеет смещение в обратном направлении, так что тока через него практически нет. Но когда напряжение смещения в прямом направлении увеличивается до некоторого критического уровня, на переходе B развивается лавинный процесс. Носители заряда инжектируются затем в средние области N и P, вызывая диффузию дырок на переходе A p-n-p-структуры и диффузию электронов на переходе C n-p-n-структуры. В результате ток увеличивается, и падение напряжения на приборе становится малым. Этот процесс можно инициировать при меньшем прямом смещении, инжектируя небольшой ток в одну из точек слоя p управляющего электрода. Отсюда следует, что SCR может служить почти идеальным переключателем, в котором практически не протекает ток в закрытом состоянии, но в открытом состоянии течет значительный ток при низком напряжении. Приборы SCR широко используются в схемах управления электродвигателями и печами, в регуляторах освещения и других применениях.

Сверхвысокочастотные приборы.

Транзисторы находят широкое применение в СВЧ-технике. К тому же сверхвысокие частоты можно генерировать с помощью полупроводниковых компонентов, имеющих всего два вывода, но обладающих отрицательным сопротивлением, подобно туннельным диодам. К наиболее распространенным СВЧ-приборам такого типа относятся лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.

В лавинно-пролетном диоде при лавинном пробое в обратносмещенном p-n-переходе возникают избыточные носители в области дрейфа, т.е. в области, где носители заряда движутся под влиянием приложенного напряжения. Если размер области дрейфа выбран правильно, то избыточные носители проходят ее на протяжении отрицательного полупериода напряжения переменного тока. Далее ток увеличивается при уменьшении напряжения. При этом существует своего рода отрицательная проводимость, которую можно использовать в объемном резонаторе для генерации СВЧ-колебаний.

Принцип действия диода Ганна основан на свойстве таких полупроводников, как GaAs и InP, вызывать замедление электронов в материале при некоторой критической напряженности электрического поля. В соответствии с законом Ома ток при слабых полях пропорционален напряженности поля. Однако при очень сильных полях (с напряженностью порядка нескольких тысяч вольт на сантиметр) энергии электронов в GaAs или InP возрастают до величин, при которых свобода движения электронов в полупроводниковом кристалле ограничивается. Вследствие их пониженной подвижности при превышении напряженностью электрического поля некоторого критического уровня электроны еще более замедляются. Как и в лавинно-пролетном диоде, здесь возникает некоторая разновидность отрицательной проводимости, которую можно использовать для генерации СВЧ-колебаний. См. также СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН.

Другие приборы.

Полупроводники находят применение во многих других электронных приборах; постоянно разрабатываются все новые и новые приборы и устройства. В качестве примера можно привести диод Шоттки, диод со сплавным переходом, полевой транзистор с p-n-переходом и прибор с зарядовой связью (ПЗС).

Кацман Ю.А. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. М., 1973
Рагозин Ю.Д. и др. Основы применения электронных приборов. М., 1975
Денискин Ю.Д. и др. Электронные приборы. М., 1980
Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Минск, 1987

Пост-кремний. Часть 2. Технологии, которые придут на смену CMOS: альтернативные материалы

В первой части «Пост-кремния» мы поговорили о самой перспективной технологии, способной заменить CMOS, — наноэлектромеханических переключателях. Теперь давайте познакомимся более подробно с альтернативными материалами, на основе которых могут быть созданы инновационные интегральные решения будущего.

Кремний настолько давно применяется в производстве полупроводниковой продукции, что многие даже не предполагают, что вместо него можно использовать какие-либо другие материалы. А ведь это проще, чем создавать принципиально новую архитектуру чипов! В последние годы активно ведутся исследования иных материалов, способных впоследствии прийти на смену кремнию. Основными из них являются графен, германий и молибденит. О них и пойдет речь далее.

Графен

С течением времени список материалов, способных заменить кремний, расширяется. Но как бы то ни было, самым перспективным из них является графен. Интересно, что графен считается достаточно «молодым» материалом: способ его получения был открыт не так давно — всего 9 лет назад. За открытием стояли британские ученые российского происхождения: Андрей Гейм и Константин Новосёлов. К слову, за свое достижение Гейм и Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию, а королева Великобритании присвоила им рыцарские звания.

Андрей Гейм и Константин Новосёлов

Что это за материал? Он состоит из одного слоя атомов углерода и может быть получен из графита — точно такого же графита, который используется в простых карандашах. Его основными преимуществами считаются такие характеристики, как прочность, теплопроводность и гибкость. Графен более прочный материал, нежели алмаз. К тому же он имеет лучшую теплопроводность, чем медь. По этому параметру его также сравнивают с кремнием, однако в отличие от четырнадцатого элемента периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева электропроводность графена намного более эффективная. Вдобавок ко всему, он более гибкий, нежели кремний, и даже более гибкий, чем резина. Благодаря своей однослойной структуре его можно легко растягивать и изгибать. К его преимуществам стоит отнести и то, что материал хорошо противостоит различного рода разрушениям под воздействием внешних процессов.

Так выглядит структура графена

Такие выдающиеся характеристики и обусловили то, что графен имеет огромный потенциал в использовании в различных устройствах. Он электрически совместим со многими другими материалами, в том числе и с кремнием. Это делает возможным его использование в гибридных устройствах.

Пока что одним из недостатков графена является его стоимость. Некоторые американские компании продают его по цене 60 долларов за квадратный дюйм. По мнению разработчиков, для налаживания массового производства стоимость графена для транзисторов не должна превышать отметки 1 доллар за квадратный дюйм, а для тачскрин-дисплеев — и вовсе 10 центов.

Потенциальная область применения графена огромна. Материал можно применять в производстве аккумуляторов, дисплеев, батарей, наушников и других устройств. Интересно, что сфера применения графена отнюдь не ограничивается электроникой. С его помощью можно будет получить новые, более прочные и легкие материалы для техники (например, автомобилей и самолетов). Также его будут использовать в биомедицине. Однако в свете нашего материала самым важным является то, что графеновые транзисторы могут стать заменой кремниевым.

Почему же именно «могут»? Дело в том, что благодаря химической структуре графена, электроны «пробегают» по его атомной решетке быстро и почти без какого-либо сопротивления. Теоретически это обеспечит стабильную работу транзисторов на очень высоких частотах и быстрый обмен данными между чипами. Однако в то же время это является ахиллесовой пятой графена. Из-за своих свойств материал в его изначальном состоянии возможно использовать исключительно в качестве проводника и изолятора, но для возможности применения графена в транзисторах и электронике в целом необходимо его функционирование как полупроводника. К настоящему времени проблема полупроводниковых свойств графена решена лишь частично.

Производство графена

С 2004 года было освоено несколько методов производства графена, однако основными из них считаются следующие три:

  • Механическая эксфолиация (Mechanical Exfoliation);
  • Эпитаксиальный рост в вакууме (Vacuum Epitaxial Growth);
  • CVD-процесс (Chemical Vapor Deposition, или химическое парофазное осаждение).

Механическая эксфолиация — это самый простой метод получения графенового слоя. Он предусматривает использование специального высокоориентированного пиролитического графита (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite), который располагается на клейкой поверхности изоляционной ленты. Затем ленту начинают сгибать и разгибать, как лист бумаги. Тем самым графен «отпечатывается» на противоположной стороне листа, то есть получается все больше и больше тонких слоев материала. Процесс продолжается до тех пор, пока не остается один или несколько слоев графена.

Схема механической эксфолиации

Схема механической эксфолиации: слои графена (Graphene Flakes), сгибание (Folding Process) и разгибание (Unfolding Process) изоляционной ленты

Интересно, что по своему качеству полученный графен является лучшим в сравнении с другими методами. Тем не менее, несмотря на свою простоту, в результате механической эксфолиации получается малое количество материала, что делает процесс непригодным для массового производства.

В методе эпитаксиального роста используется тонкая кремниевая пластина, на которой размещается карбид кремния. С применением высоких температур вплоть до 1000 К атомы кремния и углерода отделяются друг от друга. Затем под воздействием тепла атомы кремния испаряются, и на подложке остаются лишь атомы углерода, которые образуют графен.

Недостатком эпитаксиального роста является то, что во время процесса, как правило, из-за высокой температуры некоторое количество углерода просто сгорает. Из-за этого данный метод считается не очень надежным.

Эпитаксиальный рост графена на рутении

О CVD-процессе мы уже упоминали в первой части нашего материала, когда шла речь о производстве наноэлектромеханических переключателей. Прежде всего, стоит отметить, что из всех вышеперечисленных методов CVD-процесс является наиболее приспособленным для массового производства благодаря своей простоте и невысокой стоимости. При этом он позволяет производить монослойный графен больших размеров. В CVD-процессе протекают химические реакции между углеводородными газами (например, H2 и CH4) и металлическим покрытием-катализатором под воздействием высоких температур.

Металлы способствуют разрушению химических связей в углероде и упорядочивают его атомы в гексагональную решетку. Таким образом получается графен. Заметим, что чем больше по площади металлическое покрытие, тем больше будет получено графена. Интересно, что с этого покрытия легко переносить графен на другие подложки.

Единственным, но существенным недостатком CVD-процесса является пониженная эффективность графена в сравнении с графеном, произведенным с помощью эпитаксиального роста.

Как сделать графен полупроводником

Перед тем как использовать графеновые транзисторы в процессорах и микросхемах в качестве замены кремниевым, необходимо «научить» графен работать как полупроводник. В этом направлении сейчас ведутся основные разработки. О самых интересных из них и пойдет речь.

Прежде всего, разберемся, благодаря чему материалы могут вести себя как полупроводники. Любой полупроводник характеризуется своим ключевым свойством, которое называется шириной запрещенной зоны (bandgap). Ширина запрещенной зоны измеряется в электронвольтах и представляет собой количество энергии, при достижении которого материал начинает вести себя как проводник. До этой отметки материал выступает в роли изолятора.

Проблема графена заключается в том, что ширина запрещенной зоны у него вовсе отсутствует, и он всегда ведет себя как идеальный проводник. Поэтому в своем изначальном состоянии графен не приспособлен к использованию в транзисторах, где необходимы его полупроводниковые свойства.

В 2011 году компания IBM уже демонстрировала в работе опытный образец самого быстрого графенового транзистора, функционирующего на частоте 155 ГГц. Транзистор был разработан совместно с оборонным агентством DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), которое очень заинтересовалось исследованиями в этой области.

Структура графенового транзистора IBM

Решение IBM было изготовлено на улучшенной подложке с применением алмазоподобного углерода. Интересно, что транзистор продемонстрировал стабильную работу при экстремально низкой температуре -268 градусов Цельсия. Исследователи назвали ее «температурой гелия». Примечательно и то, что размер транзистора составлял всего 40 нм! По словам представителей IBM, их решение было изготовлено с помощью стандартных производственных технологий.

В том же 2011 году ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке также сумели наделить графен полупроводниковыми свойствами. В ходе получения графена посредством CVD-процесса в смесь метана и водорода был добавлен аммиак. Образованный графен имел в своей кристаллической решетке инородные атомы азота. Их электроны образовали три электронных облака с тремя соседними атомами углерода.

Изображение атома азота в структуре графена

При наблюдении под туннельным микроскопом было обнаружено, что атомы азота действительно вытеснили из решетки некоторые атомы углерода и встали на их место. В сравнении с атомом углерода, атом азота имеет еще один валентный электрон, что позволило графену стать полупроводником.

Текущий 2013 год оказался богат на успешные исследования в области полупроводниковых свойств графена. В мае группа физиков из Массачусетского технологического университета провела эксперимент, в ходе которого расположили графен на нитриде бора.

Структура графена на нитриде бора

В результате ученые получили гибридный материал с достаточной шириной запрещенной зоны для использования в транзисторах. Этого удалось достичь, совместив лучшие свойства обоих материалов: электропроводность графена и изоляционные качества нитрида бора. Для идеальной работы гибридного материала ученым пришлось выравнивать кристаллические решетки как графена, так и нитрида бора, которые представляют собой ряд связанных шестиугольников.

В процессе соединения этих веществ могут возникать определенные трудности. Связаны они с загрязнением получаемого материала, которое сводило на нет все его преимущества. Решением проблемы стало подсоединение нитрида бора к графену не сверху, а сбоку.

Удивительнее всего то, что свойствами результирующего гибридного материала можно управлять, изменяя углы пересечения кристаллических решеток нитрида бора и графена. Это позволит создавать материалы с различными электрическими характеристиками. Тем не менее, на данном этапе ширина запрещенной зоны недостаточна для использования вещества в массовом производстве электроники, за исключением оптоэлектронной сферы (например, таких приборов, как фотодетекторы).

Несколькими месяцами позднее ученые из университета Калифорнии представили дизайн полностью графенового электронного чипа. Его отличительная особенность заключается в том, что все его составляющие, в том числе и транзисторы, «бесшовно» расположены на графене. Другими словами, чип был как будто «выточен» из графена.

Схема производства графенового чипа

Исследователи заметили, что управлять шириной запрещенной зоны можно с помощью увеличения и уменьшения ширины графеновых полос: узкие полосы работают как полупроводники, а более широкие — как проводники. К сожалению, архитектура графенового процессора так и осталась на бумаге: до создания опытного образца дело пока что не дошло.

Еще одним примером обретения графеном полупроводниковых свойств является так называемый «волнистый» графен. Идея такого решения принадлежит ученым из Корнеллского университета. В своих экспериментах они использовали не традиционный монослойный графен, а два слоя вещества.

Так выглядит волнистый графен

Уже долгое время высказывались предположения о том, что двухслойный графен может иметь полупроводниковые свойства. В данном случае один из слоев вещества был плоским, а другой имел волнистую форму. Результат эксперимента, по сути, подтвердил выдвинутые ранее предположения о двухслойном графене. Волнистый слой выступил в роли проводника, а плоский — в роли полупроводника.

Перспективы графена

И несколько слов о перспективах графена: как практических, так и финансовых. Помимо традиционных полевых транзисторов, этот материал может использоваться в большом количестве иных электронных устройств.

Микросхемы памяти. В 2008 году был представлен экспериментальный образец запоминающего устройства, состоящий всего лишь из 10 атомов графена. Графеновая память чрезвычайно экономична: для кодирования 1 бита информации ей требуется примерно в миллион раз меньше энергии, чем современным кремниевым чипам. Ячейки памяти также имеют меньшие размеры. В теории это позволит создавать намного более емкие чипы памяти. Еще одной отличительной особенностью графеновой памяти является ее устойчивость к радиационному излучению и ее работа в диапазоне температур от -75 до 200 градусов Цельсия. Благодаря использованию графена также были созданы гибкие прозрачные модули памяти. В основе архитектуры прозрачной памяти лежит использование графена и оксида кремния.

Прозрачное запоминающее устройство

Сам модуль памяти представляет собой лист пластика, на который нанесены полоски диоксида кремния. На них сверху и снизу наносятся слои графена, которые считывают и записывают информацию. При подаче напряжения на один из электродов на место диэлектрика (диоксида кремния) становится проводник в виде кремния. А при подаче напряжения на другой электрод проходит обратная операция. При этом коэффициент прозрачности памяти составляет около 90%. Интересно, что ранее прозрачная память не хранила информацию при отключении от источника питания: в данном случае ячейки теряли электрический заряд при взаимодействии с фотонами видимого света, однако проблема была решена путем адаптации к устройству технологии резистивной оперативной памяти.

Аккумуляторы. Необходимость в более емких, быстрозаряжающихся и при этом сохраняющих малые размеры аккумуляторов велика как никогда ранее. Компания Vorbeck Materials недавно заявила о производстве литиевых батарей с применением графеновой технологии Vor-X. Ее применение позволит сократить время зарядки телефонных батарей до нескольких минут!

Графеновые батареи смогут быть гибкими. Все та же компания Vorbeck планирует вшивать гибкие батареи в лямки рюкзака, чтобы подключать к ним мобильные устройства прямо в пути.

Так будет выглядеть вшитая в лямку рюкзака батарея Vorbeck

Не стоит забывать, что емкие аккумуляторы будут крайне полезны и в других сферах — например, в автомобилестроении, где в последние годы активно развивается рынок гибридных машин.

Тачскрины и дисплеи. В скором времени графен может сменить оксид индия-олова — прозрачный проводник, который используется в производстве тачскринов и дисплеев. В сравнении с оксидом индия-олова графен обладает намного меньшим сопротивлением, а также большей прозрачностью. Так, степень его прозрачности достигает 98%, тогда как оксид индия-олова пропускает до 85% света. Стоимость графенового дисплея также будет ниже, чем решения с использованием стандартных материалов.

Графеновые тачскрины также могут быть гибкими

Графен считается основой такой инновационной разработки, как туннельные транзисторы (TFETS). Принцип работы такого транзистора в корне отличается от традиционного полевого MOSFET. Функционирование TFETS-транзисторов основано на эффекте туннелирования. По-научному, он представляет собой возможность преодоления электроном потенциального барьера в случае, когда энергия электрона ниже «высоты» этого барьера. Так, при эффекте туннелирования для приведения электрона в движения требуется гораздо меньше энергии, чем в случае классических полевых транзисторов, то есть для переключения состояний транзистора необходимо меньшее напряжение. Это значит, что энергопотребление туннельных транзисторов значительно меньше энергопотребления MOSFET-решений.

Архитектурной особенностью TFETS является то, что для производства их немногочисленных лабораторных образцов пригоден только графен. Более того, этот материал для туннельных транзисторов специально выращивался послойно с применением других веществ, таких как дисульфид молибдена и нитрид бора.

В целом о перспективах TFETS-транзисторов говорить пока что очень рано. Подавляющее их большинство работает исключительно при очень низких температурах. Поэтому исследователям предстоит проделать огромный объем работ для того, чтобы наладить массовое производство туннельных транзисторов.

Что касается экономических перспектив графена, то сегодня в мире идет настоящая конкуренция в сфере исследования этого материала. Несмотря на то, что британские ученые стоят за открытием методов производства этого материала, сама Великобритания находится отнюдь не на первых позициях в сфере развития графена. Например, у одной компании Samsung «графеновых» патентов больше, чем у всех британских ученых вместе взятых. При этом больше всего таких патентов зарегистрировано в Китае.

В этом плане Европа значительно отстает как от Китая и Южной Кореи, так и от США. Поэтому в начале 2013 года Евросоюз выделил около 2 миллиардов евро на научные исследования, в том числе и «графеновые». Участвовать в разработке будут такие крупные компании, как Nokia, BAE Systems, Qinetiq и многие другие.

Что касается финансовой стороны рынка графена, то, по данным различных агентств, к 2020 году он вырастет до 195 миллионов долларов, а в 2023 году приблизится к отметке в 1,3 миллиарда долларов.

Германий

Многие об этом не знают, но в первых транзисторах, появившихся более 65 лет тому назад, использовался далеко не кремний, но германий. По ряду причин от использования этого материала было решено отказаться, однако исследования германия в последние годы возобновились. Так, обнаружили, что слой германия одноатомной толщины обладает в 10 раз лучшей электропроводностью, чем кремний, и в 5 раз лучшей, чем обычный германий.

«Большинство людей считают графен материалом будущего, — говорит профессор Джошуа Голбергер, под чьим началом и проходят исследования германия. — Однако именно кремний и германий — материалы настоящего. На протяжении более чем 60 лет развивались и совершенствовались технологии производства чипов из этих материалов. Поэтому мы находились в поисках форм кремния и германия с эффективными свойствами, чтобы извлечь пользу из нового материала с малыми затратами и с использованием существующих технологий».

Новой форме германия было дано название германан. Попытки создания этого материала предпринимались и ранее. Однако лишь ученым из университета Огайо удалось получить вещество в количестве, достаточном для исследования его свойств.

По своей природе германий имеет многослойную атомную структуру, где все слои соединены между собой. Сложность же получения германана заключается в том, что такой материал крайне нестабилен. Поэтому для его получения ученые использовали специальную технологию. При выращивании германия между его слоями помещались слои атомов кальция. Затем они вымывались водой, что привело к появлению свободных химических связей атомов германия. Эти свободные связи заполнялись атомами водорода, делая каждый слой германия намного прочнее. После этого ученые смогли легко отсоединить слои друг от друга, получив стабильные слои германия одноатомной толщины.

Кстати, в плане стабильности германан является даже более предпочтительным материалом, нежели кремний. Причина этого кроется в том, что германан менее подвержен процессу окисления как в воздухе, так и в воде. Следовательно, в процессе производства с ним проще работать.

По результатам тестирования материала, производительность германана также выше, чем у кремния. Если говорить в цифрах, то по германану электроны движутся в 10 раз быстрее, чем по кремнию, и примерно в 5 раз быстрее, чем по традиционному германию. «Этот показатель является очень важным, — объясняет Джошуа Голбергер. — Чем быстрее движутся электроны по материалу, тем более мощные чипы мы сможем создавать из него. Это особенно актуально в свете дальнейшего уменьшения размеров транзисторов. Нам нужны быстрые материалы, иначе малые транзисторы попросту не будут работать».

Как и в случае с графеном, неизвестно, когда германан будет использоваться в серийном производстве и будет ли вообще. Однако дальнейшие его исследования продолжаются.

Молибденит

Еще одним материалом, который является потенциальной заменой кремнию, является молибденит. Молибденит — краткое название вещества дисульфида молибдена (MoS2). На данный момент он широко используется при производстве металлических сплавов и смазочных материалов, однако он также обладает важными полупроводниковыми свойствами.

У кремния-полупроводника есть один недостаток: его невозможно использовать при толщине слоя вещества менее 2 нм. Технически нанесение более тонких слов возможно, однако в этом случае кремний сильно подвержен окислению, что в итоге превращает его в оксид с химической формулой SiO2 — в обычное стекло. Учеными уже получен молибденит толщиной всего 0,65 нм, при этом производительность материала была сопоставима со слоем кремния толщиной 2 нм. Миниатюрные размеры молибденита поспособствуют созданию более компактных устройств.

Использование молибденита (MoS2) в транзисторе

Использование молибденита (MoS2) в транзисторе: затвор (top gate), исток (source), сток (drain), кремний (Silicon), оксид кремния (SiO2), оксид гафния (HfO2).

Интересной особенностью молибденита является то, что материал очень гибок и при этом сохраняет всю свою функциональность. По словам исследователей, молибденит можно скрутить в трубочку, но он не утратит своих свойств. Поэтому молибденит в какой-то мере способен дать новый стимул к развитию встроенных устройств.

Очень важно, что молибденит «работает» не только на бумаге: исследователи из швейцарского политехнического университета Лозанны уже создали первый рабочий чип на основе этого материала. Они же представили миру образец светочувствительного датчика, поверхность которого содержит слой молибденита. В сравнении с кремниевыми фотодиодами, которые традиционно используются в такого рода устройствах, молибденитовому датчику для электрического импульса достаточно в 5 раз меньше света. Попросту говоря, камеры с изготовленными с применением молибдена датчиками смогут делать намного более качественные снимки в условиях плохого освещения. Например, они позволят отчетливо фотографировать звездное небо. Кажется, сервис Instagram ожидает новый тренд!

Заключение

Альтернативные кремнию материалы являются очень интересным решением. Их потенциал может на определенное — вполне возможно, что и длительное, — время отсрочить появление принципиально новых архитектурных решений для транзисторов. Тем не менее, перед внедрением новых материалов инженерам предстоит пройти большой путь. Ни у графена, ни у молибденита, ни у германия нет необходимой стабильности в работе для применения их в массовом производстве. При этом не стоит забывать, что использование отличных от кремния материалов несомненно повлечет за собой изменения в производственном процессе. Поэтому, скорее всего, потребуется обновление производственных мощностей. Как бы то ни было, главное, что новые материалы открывают новые перспективы для дальнейшего развития полупроводниковой продукции.

Добавить комментарий