Сумський державний університет
ЕлИТ факультет
Кафедра прикладної фізики
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни
„ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ”
Тема роботи: Загальна характеристика напівпровідникових матеріалів
Виконала: ст. гр. ЕП-81
Копил А.М.
Перевірив: Опанасюк Н.М.
Суми – 2010
ЗМІСТ
Вступ
1. Класифікація напівпровідникових матеріалів
1.1 Германій
1.2 Кремній
1.3 Селен
1.4 Карбід кремнію
1.5 Окисні напівпровідники
1.6 Склоподібні напівпровідники
1.7 Органічні напівпровідники
2. Застосування напівпровідникових матеріалів та вимоги до них
3. Електрофізичні властивості
3.1 Зонна структура напівпровідникових сплавів
3.2 Методи виробництва кремній – германієвих сплавів
3.3 Дислокації в місцях концентраційних флуктуацій
Висновки
Література
ВСТУП
Кількість типів напівпровідникових приладів дуже великий і кожний прилад залежно від принципу дії й необхідних електричних параметрів має потребу в напівпровідниковому матеріалі з певними властивостями.
Швидке зростання виробництва й підвищення надійності виробів електронної техніки залежать не тільки від методів їхнього виготовлення й культури, але й у значній мірі від електрофізичних й інших властивостей застосовуваних матеріалів, які в багатьох випадках визначає параметри напівпровідникових приладів й інтегральних мікросхем і впливають на стабільність їхньої роботи в електричних і теплових режимах, а також при тривалому зберіганні.
Технологія промислового виробництва напівпровідникових приладів й інтегральних мікросхем - складний багатоступінчастий процес, що вимагає застосування на кожному етапі великої кількості специфічних матеріалів з певними властивостями. Так, основою для створення цілого ряду виробів електронної техніки став клас матеріалів - напівпровідники, які мають властивості, необхідні для одержання приладів з високими електричними характеристиками.
Напівпровідникові матеріали, які застосовують для виготовлення різних класів приладів і інтегральних схем, повинні відповідати ряду вимог.
При розгортанні виробництва нових електронних приладів на напівпровідниковій основі віддача від інвестицій носить кумулятивний характер: на кожному етапі впровадження нових технологій неможливе без виробничої бази, створеної раніше. Тому має сенс максимально використовувати наявне устаткування, удосконалюючи його під постійно змінні вимоги ринку. Такий підхід дозволяє без величезних разових вкладень працювати на сучасному рівні, його використовують більшість сучасних фірм, таких як Intel, Sony, Toshiba, IBM. Одна із сторін методу – використання матеріалів з новими властивостями, що дозволяють використовувати для своєї обробки широко поширені, налагоджені і такі, що окупили себе технології.
1. КЛАСИФІКАЦІЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
Напівпровідникові матеріали по хімічному складі можна розділити на прості й складні. Простими напівпровідниковими матеріалами є хімічні елементи: бор В, вуглець СО2, германій Ge, кремній Si, селенів So, сірка S, сурма Sb, телур Ті й йод J. Найбільш широке застосування як самостійні напівпровідникові матеріали знайшли тільки три з них: германій, кремній і селенів. Інші використаються як легуючі добавки до германія й кремнію або компонентів складних напівпровідникових матеріалів.
У групу складних напівпровідникових матеріалів входять хімічні сполуки, що володіють напівпровідниковими властивостями й включають у себе два, три або більше елементи, наприклад арсенід галію GaAs, телурид вісмуту Bi2Te3, силіцид цинку й фосфору ZnSi2 і ін. Напівпровідникові матеріали цієї групи, що складаються із двох елементів, називаються бінарними сполуками й так само, як це прийнято в неорганічній хімії, мають найменування того компонента, у якого металеві властивості виражені слабкіше. Так, бінарні сполуки, що містять миш'як, називають арсенідами, сірку - сульфідами, телур-телуридами, вуглець - карбідами.
Тверді розчини напівпровідникових матеріалів позначають символами вхідних у них елементів з індексами, які визначають атомну частку цих елементів у розчині [1].
До складних напівпровідникових матеріалів відносять також тирит, сіліт, ферит, аморфні стекла й ін.
По ступені досконалості решітки всі кристали можна розділити на ідеальні й реальні, а по сполуці — на стехіометричні й нестехіометричні.
Ідеальні — це кристали, кожний атом яких перебуває у положенні, які характеризують мінімумом потенційної енергії, тобто упорядковано розташований як стосовно своїх найближчих сусідніх атомів, так і до атомів усього об'єму кристала. Стехіометричністю прийнято називати пропорційність масової сполуки вхідних елементів атомним масам у хімічній формулі речовини, що утворить даний, кристал. Якщо масова сполука кристалічної речовини пропорційна його хімічній формулі, кристал має стехіометрична сполука. Таким чином, ідеальні кристали по сполуці є стехіометричні.
Більшість напівпровідникових матеріалів являє собою кристалічні тверді речовини з упорядкованою періодичною структурою. При описі різних структур користуються наступними термінами:
- елементарний осередок, що представляє собою найменший об'єм кристалічної речовини у вигляді паралелепіпеда, переміщаючи який уздовж трьох незалежних напрямків, можна одержати кристал;
- постійна решітки, обумовлена як довжина елементарного осередку уздовж однієї з осей;
- кристалографічні осі, що показують напрямки кристала й визначають ребра елементарного осередку.
Розглянемо основні типи кристалічних решіток.
Рисунок 1 - Розташування атомів у простій кубічній решітці [1]
Проста кубічна решітка (рис. 1) складається з атомів, що лежать у вершинах куба. Типовим матеріалом з такою структурою є хлористий цезій, у решітці якого послідовно чергуються позитивні іони цезію й негативні іони хлору.
Гранецентрована кубічна решітка (рис. 2, а) більш складніша, чим проста кубічна, тому що в ній атоми розміщені не тільки у вершинах куба, але й у середині кожної грані. Типовими матеріалами з такою структурою є хлористий натрій (рис. 2, б) і алюміній.
Рисунок 2 - Розташування атомів у гранецентрованій кубічній решітці[1]: а) Загальний вид: 1-хлор; 2-натрій; б) Решітка іонного кристала хлористого натрію
Об’ємноцентрована кубічна решітка складається з атомів, розташованих у кутах і в центрі куба (але не на його гранях). Типовим матеріалом з такою структурою є залізо при нормальній температурі.
Рисунок 3 - Решітка типу алмаза [1]
Крім цих порівняно простих, структур існують більше складні, але також з кубічним елементарним осередком. Найбільш важливої з них є решітка типу алмаза (рис. 3).
Більшість напівпровідникових матеріалів після кристалізації мають решітку типу алмаза. Основну роль у цій решітці грає наявність тетраедричних зв'язків; кожний атом з'єднаний із чотирма найближчими атомами валентними зв'язками. Решітка типу алмаза являє собою модифікацію гранецентрованої кубічної решітки й складається із двох гранецентрованих решіток, зрушених відносно один одного на l/4 діагоналі осередку. У решітці цього типу ребра елементарного осередку не збігаються з напрямками валентних зв'язків[1] .
Германій Ge ставиться до IV групи періодичної системи елементів. Атомна маса 72,59. Температура плавлення 937° С. Зміст германія в земній корі невелике й становить близько 0,001%. У незначних кількостях германій утримується в цинкових рудах, вугільного пилу, золі, сажі й морській воді. Германій майже не має своїх руд. Єдина руда германія – германіт – містить набагато більше міді, заліза й цинку, чим германія. Видобуток германія – складний технологічний процес.
В твердому стані германій — типовий ковалентний кристалічний матеріал, що володіє характерним блиском. Механічна обробка германія утруднена, а на звичайних токарських, свердлильних і фрезерних верстатах взагалі неможлива, тому що це дуже твердий тендітний матеріал.
Кристалічний германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі; при температурі вище 600° С окисляється до двоокису германія Ge02. Вода на германій не діє, у соляній НС1, азотній HN03 кислотах германій не розчиняється. Активно розчиняють германій при кімнатній температурі царська горілка (суміш соляної й азотної кислот), розчин перекису водню, різні травники (суміші кислот). У розчинах киплячих лугів КІН і NaOH германій добре розчиняється, а в холодні мало розчинний. Додавання в розчини лугів перекису водню підвищує розчинність германія. У розплавлених лугах германій швидко розчиняється з утворенням розчинних у воді германітов. Розплавлені вуглекислий і азотнокислий натрій також швидко розчиняють германій з виділенням відповідного газу.
В напівпровідниковій технології широко використають кварцові й графітові тиглі, касети, контейнери й інші вироби.
Основними сполуками германія є двоокис, моноокис і тетрахлорид германія.
Двоокис германія Ge02 — аморфна або кристалічна речовина. Аморфну (склоподібна) модифікацію одержують швидким охолодженням розплавленого двоокису германія. У присутності каталізаторів склоподібна модифікація переходить у кристалічну тетрагональну, котра потім перетворюється в гексагональну. У більшості випадків двоокис, що утвориться в багатьох процесах, германія являє собою суміш аморфної й гексагональної модифікацій [1].
Двоокис германія розчиняється в соляний і сарною кислотах, а також у лузі.
Двоокис германія — порошок білих кольорів, використовуваний для виробництва напівпровідникового полікристалічного й монокристалічного германія, випускають трьох груп: ГД1, ГД2 і ГДЗ, які відрізняються друг від друга змістом основної речовини й домішок.
Моноокис германія Ge утворюються в результаті диспропорційності або в процесі відновлення двоокису германія. У деяких випадках вона утвориться в розчинах. Моноокис германія має аморфну структуру. У воді моноокис германія практично не розчиняється, а в сарною й соляний кислотах розчиняється повільно.
Тетрахлорид германія GeCl4 утвориться в результаті хлорування й солянокислої обробки германієвих продуктів. Твердий тетрахлорид германія існує у двох модифікаціях.
Виготовлення чистого монокристалічного германія складається з наступних основних процесів: одержання тетрахлориду германія і його очищення, гідролізу тетрахлориду германія й одержання з нього двоокису германія, відновлення двоокису германія воднем і одержання полікристалічного злитка, очищення полікристалічного злитка від домішок зонною плавкою, вирощування з розплавленого полікристалічного германія злитка монокристала германія.
Вирощують монокристалічні злитки по методу Чохральского, для чого германій завантажують у графітовий тигель і нагрівають у вакуумі до температури, при якій він переходить у розплав. Потім у тигель до зіткнення з поверхнею розплаву опускають запал (стрижень) з монокристалічного германія й після невеликої витримки в розплаві починають її повільно піднімати з розплаву, одночасно обертаючи.
У міру підйому на торцевій поверхні запалу кристалізується шар розплаву, на якому у свою чергу кристалізується новий шар розплаву. У такий спосіб створюється злиток германія з монокристалічною структурою. Кристалічна структура вирощеного злитка повторює структуру запалу.
Для виробництва різноманітних напівпровідникових приладів необхідний германій електронного й діркового типів провідності, що володіє певним питомим опором. Тип провідності й питомий опір германія визначаються кількістю уведених у вихідний матеріал акцепторних і донорних домішок (рис. 4).
Рисунок 4 - Залежність питомого опору германія від концентрації акцепторних і донорних домішок [2]
Процес введення домішок називають легуванням. Легуючі домішки звичайно вводять у певних кількостях у робочий об’єм розплавленого полікристалічного германія перед вирощуванням монокристалів.
Використання монокристалічних злитків у технології виготовлення напівпровідникових приладів і інтегральних схем сполучено з більшими втратами германія при механічній обробці (різання, шліфування, полірування). Тому в цей час широке застосування знаходять напівпровідникові монокристалічні плівки германія. Види тонких шарів на підкладки з різних матеріалів (кварцу, сапфіра, германія, кремнію), що одержали назву епітаксій них [2].
Кремній Si – елемент IV групи Періодичної системи елементів; після кисню – найпоширеніший елемент у природі: він становить приблизно 1\4 маси земної кори. Численні сполуки кремнію входять до більшості гірських порід і мінералів. Пісок і глина, що утворять мінеральну частину ґрунту, також являють собою сполуки кремнію. Найпоширенішою сполукою цього елемента є двоокис кремнію SiО2. Вільний двоокис кремнію зустрічається – головним чином у вигляді мінералу кварцу. Кремній у вільному стані в природі не зустрічається.
Кремній, як і германій, кристалізується в складній кубічній просторовій решітці типу алмаза. Кристалічний кремній – темно-сіра тверда й тендітна речовина з металевим блиском, хімічно досить інертне.
Кремній добре розчинний у багатьох розплавлених металах. При кімнатній температурі він хімічно стійкий. У воді не розчинний. Не реагує з багатьма кислотами в будь-якій концентрації. Однак добре розчиняється в суміші плавикової й азотної кислот. Менш інтенсивно кремній розчиняється в азотній кислоті з невеликими добавками брому або перекису водню. Кремній добре розчиняється в киплячих лугах; невеликі добавки перекису водню до киплячого водяного розчину лугу прискорюють його розчинення. Ще більш інтенсивно кремній розчиняється в розплавлених лугах.
Основними сполуками, які використаються в напівпровідниковому виробництві для одержання полікристалічного й монокристалічного кремнію, є двоокис кремнію, моноокис кремнію, тетрахлорид кремнію, полікристалічний, монокристалічний і т.д [2].
Двоокис кремнію Si2 – кварцове скло, по зовнішньому вигляді мало відрізняється від звичайного скла й має високу хімічну стійкість до багатьом кислотам, за винятком плавикової, котра, взаємодіючи із кварцом, утворить кремнієву кислоту.
Двоокис кремнію реагує з розплавленими металами: літієм, натрієм, калієм, кальцієм, стронцієм, барієм, магнієм, алюмінієм, лантаном, церієм, кремнієм і марганцем. При високих температурах двоокис кремнію взаємодіє із твердими елементами: залізом, титаном, танталом, вольфрамом і бором, а також з газоподібним фтором.
При сплавці двоокису кремнію одержують кварцове скло, що широко застосовують при виробництві напівпровідникових матеріалів для виготовлення робочих камер, ампул і касет.
Моноокис кремнію Si у природі не зустрічається й може бути отримана відновленням двоокису при 13,50°С кремнієм або при 1500°С вуглецем. Моноокис кремнію при кімнатній температурі являє собою аморфна речовина у вигляді порошку, гранул або спечених шматочків від бежевого до чорного квітів. Навіть при високих температурах моноокис кремнію не проводить електричний струм, тому неї використають в інтегральній мікроплівковій технології для виготовлення ізоляційних покриттів, діелектричних і плівок, що просвітлюють. Моноокис кремнію знаходить застосування також світлотехнічний і оптичної промисловості.
Випускається моноокис кремнію двох категорій. Моно окис першої категорії використають для напилювання діелектричних плечей нок і шарів плівкових конденсаторів, а також для одержання ізоляційних покриттів інтегральних схем, а другої категорії – для утворення захисних шарів на напівпровідникових кристалах.
Тетрахлорид кремнію SiCl4 одержують хлоруванням при 250—600° С технічного кремнію або одного з його сплавів – феросіліція, що містить 60—90% кремнію. При кімнатній температурі тетрахлорид кремнію являє собою прозору безбарвну рідину. Тетрахлорид кремнію добре змішується з органічними речовинами: ефіром, хлороформом, бензолом і бензином. При взаємодії з водою й у вологому повітрі він розкладається на хлористий водень і силікагель.
Полікристалічний кремній одержують двома основними способами: водневим відновленням з галоїдних сполук (хлорсиланів) і термічним розкладанням гідридів (моносилана) і випускають у вигляді стрижнів, діаметр яких залежить від подальшого застосування. Стрижні великого діаметра (до 100 мм) використають для мірних завантажень у тиглі установок при вирощуванні монокристалічного кремнію по методу Чохральского, а малого (до 40 мм) – як заготівлі для бестигельної зонної плавки.
Монокристалічний кремній одержують із полікристалічного вирощуванням з розплаву по методу Чохральского або бестигельною зонною плавкою. Перший метод застосовують, як правило, для одержання низькоомних злитків з питомим опором, що не перевищує 250 Ом-см. Отримані цим методом злитки мають великий діаметр (до 60-80 мм). Другий метод використають для одержання високоомних монокристалічних злитків з питомим опором до 2000 Ом-см. Діаметр цих злитків звичайно менше (до 30 мм).
Рисунок 5 - Залежність питомого опору кремнію від концентрації акцепторних і донорних домішок [2]
Промисловість випускає різні марки монокристалічного кремнію, тому що в цей час він, володіючи рядом спеціальних властивостей, займає провідне місце серед інших матеріалів, застосовуваних для виготовлення напівпровідникових приладів. Кремнієві прилади мають малі зворотні струми, працюють при підвищених температурах, допускають високі питомі навантаження. Питомий опір кремнію, як і германія, залежить від концентрації акцепторних і донорних домішок (рис. 5).
Селен Se – елемент VI групи Періодичної системи елементів Д. И. Менделєєва широко розповсюджений у земній корі, але в малих концентраціях. Зміст його не перевищує 6• 10-5% ,(по масі) і приблизно дорівнює змісту в земній корі сурми, кадмію, срібла. Однак власних руд промислового типу мінерали селен не утворять, тому його відносять до числа рідких неуважних елементів. Селен – супутник сульфідних руд важких кольорових металів. Основними джерелами його одержання служать анодні шлаки мідних і, нікелевих електролітних виробництв.
Атомна маса 78,96. Існує кілька різновидів селен різних кольорів аморфного й кристалічного (рис. 6) будови.
Рисунок 6 - Структура селена [1]
По хімічних властивостях селен близький до сірки, але менш активний. При кімнатній температурі він не взаємодіє з киснем повітря, а при нагріванні на повітрі згоряє з утворенням двоокису селен.. Соляна й розведена сірчана кислоти на селен не діють. Азотна кислота окисляє його до двоокису селен, а лугу розчиняють із утворенням солей.
Селен при температурі 200° С реагує з воднем з утворенням селенистого водню, з киснем утворить ряд сполук (Se, Se02, Se03), а з галогенами — кілька сполук типу SeCl4. Селен утворює сполуки із сіркою, азотом, фосфором і багатьма металами.
Залежно від способу одержання, а також режиму проведення процесу (температури, тиску, швидкості охолодження розплаву) селен може існувати в чотирьох алотропічних формах: склоподібний, аморфної, моноклінної й гексагональної [4].
Склоподібний селен одержують швидким охолодженням розплаву від температури вище крапки плавлення. Селен такої модифікації утвориться при виливанні розплаву на охолоджувану водою металеву пластину або в холодну воду. У цьому випадку одержують селен у вигляді пластинок або дрібних дробинок. Тонкі плівки склоподібного селену одержують конденсацією його пар у вакуумі.
Страницы: 1, 2
