MATERIÁLY PRO POLOVODIČE

MATERIÁLY PRO POLOVODIČE

Z hlediska technických aplikacích můžeme polovodiče dělit:

elementární

binární sloučeniny A^IIB^IV

A^IIIB^V

Polovodiče

krystalické tuhé roztoky

sloučeninové organické ostatní A^IVB^VI

A^VB^VI

amorfní oxidické A^IVB^IV

A,B – jednotlivé prvky

Čísla – udávají sloupce v mendělejově tabulce prvků

Předpokladem pro vznik polovodičů je alespoň minimální obsah kovalentní vazby v jejich molekule.

Základem je chemická čistota – aby měl dostatečně velké zakázané pásmo.

Základním kritériem vlastností polovodičů je:

elektrický odpor, typ vodivosti, doba života nosičů nábojů.

Dalším požadavkem je monokrystalická struktura s nejmenším počtem poruch.

KŘEMÍK

Krystalizuje v diamantové krystalické mřížce.

Se vzrůstající teplotou se šířka zakázaného pásma nepatrně zmenšuje.

Je schopen pracovat až do 400K.

Má velmi dobré optické vlastnosti.

Výroba: křemičitý písek se spaluje pomocí koksu a vzniká ferosilicium. Ferosilicium se dále spaluje v chloru a produkt se musí čistit destilací a extrakcí. Tato sloučenina obsahuje vodík a chlór. V atmosféře vodíku se provádí ohřívání na 1000^°C a sloučenina se rozkládá na polykrystalický křemík. Dále se zpracovává fyzikálními metodami na monokrystalickou strukturu.

Použití: objemové monokrystaly, příprava PN přechodů, prvky na převod slunečního záření na elektrickou energii, výroba tenzometrů, vícepřechodových spínacích obvodů, tranzistorů, diod, integrovaných obvodů.

GERMÁNIUM

Krystalizuje v diamantové krystalické mřížce. Šířka zakázaného pásma se s teplotou zmenšuje.

Práh fotovodivosti je při 1,8μm (u křemíku okolo 1μm)

Příměsi III. skupiny – jako akceptory (In, B, Ga, Al)

V. skupiny – jako donory (P, As, Sb)

Koncentrace volných nosičů při pokojové teplotě je dán koncentrací příměsí.

Použití: výroba speciálních vf diod, tranzistorů, hallových detektorech, detektorech jad. záření.

SELEN

Krystalizuje v hexadecimální krystalické mřížce. Šířka zakázaného pásma je 1,8eV.

Vykazuje vodivost typu P. Přechod PN vytvoříme dotací kadmiem.

Použití: výroba selénových válců v xerografii (u laserových tiskáren)

POLOVODIČOVÉ SLOUČENINY

Typ A^IIIB^V

Vznikly z prvků 3. skupiny (B, Al, Ga, In) a prvky 5. skupiny (N, P, As, Sb).

Mezi atomy (různými) je kovalentní vazba a částečně iontová vazba.

Jako příměsi se používají prvky 2. nebo 4. skupiny

Pokud chceme vodivost P – použijeme prvky II. skupiny (Be, Mn, Zn) – akceptory

vodivost N – použijeme prvky VI. skupiny (S, Se, Te) – donory

GaAs – má velkou šířku zakázaného pásu

Pracují až do teploty 400^°C

Použití: optoelektronika (konverze optického záření na elektrickou energii a naopak, výroba

tranzistorů s vyšší pracovní frekvencí, magnetorezistory pro hallův jev.

InAs, InAt – součástky pro hallův jev (mají malou šířku zakázaného pásu, ale vysokou

pohyblivost nosičů).

Typ A^IIB^IV

Vznikly kombinací prvků II. skupiny (Zn, Cd, Hg) a VI. skupiny (S, Se, Te).

Mají přímou pásovou strukturu. Krystalizují ve sfaleritové a vurcitové krystalické mřížce.

Nelze vytvořit opačný typ vodivosti který je nutný k vytvoření PN přechodu, protože se v těchto sloučeninách vyskytují značné strukturní poruchy hlavně u prvků VI. skupiny.

CdTe, HgCdTe – využívají se pro konstrukci laserů a detekci záření.

TUHÉ ROZTOKY POLOVODIČŮ SLOUČENIN TYPU A^IIIB^V A A^IIB^IV

Ternární a kvarterní tuhé roztoky.

Typ A^IIIB^V – substituční roztoky tzn. že dochází k částečné záměně těchto dvou prvků.

ternární roztok – pokud dojde k záměně z jedné z podmřížek

A_xB_1-xC, AC_yD_1-y

kvarterní roztok – pokud dojde k záměně v obou podmřížkách

A_xB_1-xC_yD_1-y

Je možné nezávislé řízení dvou parametrů materiálu a této vlastnosti se využívá při výrobě

heteropřechodů.

U těchto prvků se mění fyzikální parametry spojitě (šířka zakázaného pásu,pohyblivost nosičů)

OSTATNÍ POLOVODIČOVÉ SLOUČENINY

Typ A^IVB^VI  (PbS, PbSe, PbTe)

Krystalizují v krychlové mřížce, vazby mezi atomy mají čistě iontový charakter.

Při vakancích na místě prvků VI. skupiny vzniká vodivost N.

Na místě IV. skupiny prvků vzniká vodivost P.

Šířka zakázaného pásu se s teplotou zvětšuje. Z těchto sloučenin se zhotovují tuhé roztoky které jsou vysoce fotovodivostní v infrazáření a vyrábí se znich zejména fotoodpory.

Typ A^IVB^IV (SiC)

Vyskytuje se ve dvou modifikacích.

Má velkou šířku zakázaného pásu (2,9eV). Je mimořádně teplotně odolný a k vlastní vodivosti dochází při 1400^°C.

Chceme-li - vodivost typu P použijeme prvky III. skupiny (In, B, Ga, Al) – akceptory

- vodivost typu N použijeme prvky V. skupiny (P, As, Sb, Bi) – donory

Použití: napěťově závislé prvky, diody (emitující)

Typ A^VB^VI  (BiTe, BiSe)

Malá šířka zakázaného pásu, vysoká konduktivita, mají vysoký termoelektrický odpor, malou tepelnou vodivost.

Použití: termoelektrické články.

OXIDICKÉ POLOVODIČE

Patří sem oxidy přechodových prvků (Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, a popř. Cu) Cu₂O, NiO, TiO₂

Vodivost se uskutečňuje přeskokovými mechanismy mezi ionty.

Cu₂O – má vysoký termoelektrický součinitel

Použití: usměrňovače

Žíháním oxidu ve vhodné atmosféře dosáhneme buď vodivosti typu P nebo N

Větší význam mají tuhé roztoky oxidu Fe₂O₃, TiO

Použití: syntronizované materiály, vyrábějí se z nich termistory se záporným teplotním součinitelem.

BaTiO – struktura a vlastnosti této keramiky se projevuje na jejich vlastnostech (permitivitě)

Při krizové teplotě (120^°C) přechází z feroelektrické do paraelektrické fáze.

Použití: výroba rezistorů, termistorů s pozitivním teplotním součinitelem, kondenzátorů.

AMORFNÍ POLOVODIČE

Jsou to materiály s nejvyšším stupněm neuspořádání částic v materiálu. Můžou však obsahovat mikro-pravidelné uspořádání na úrovni atomů a toto může vést k polovodivosti.

U tohoto materiálu nejsou přesné hranice valenčního a vodivostního pásu.

Výroba těchto materiálů je založena na velmi rychlém ochlazení elementárních polovodičů, tak aby byl omezen růst krystalů.

Mezi nejznámější patří:

As-Te-Si-Ge, As-Te-Ga-Ge, As-Te-Ge, As-Se-Te, As-Te-Ti.

Vyznačují se kovalentními vazbami, podíl iontové vazby je menší než 9%(minimální)

Používají se pro výrobu skelných vláken, výrobu laserů, v ultrazvukové technice, paměťové a spínací součástky (přechod z nevodivého do vodivého stavu na základě elektrického impulsu)

Tenké vrstvy křemíku dotované prvkem

Slouží jako výchozí materiál pro výrobu solárních článků.

Vyrábí se: termickým rozkladem silanu ve vodíkové atmosféře za dotace dalšími prvky (B).

ORGANICKÉ POLOVODIČE

Mají konjugované vazby –tzn. že v molekule se střídají jednoduché vazby se složitými

H H H

C C C C C

H H

Látky (hemoglobin, chlorofil) v lidském těle i v rostlinách vykazují polovodivé vlastnosti

Syntetické polovodivé materiály

1. Lineární polymery – lze u nich vysledovat že mají větší vodivost.

2. Polymery s vazbou kationtů kovů (Fe, Al, Ni) - Tyto kovy způsobují koordinační vazby a

tyto materiály mají vysokou rezistivitu 10^-1 – 10^-6 Ωm

3. Příčně vázané polymery – rezistivita 10^-4 - 10 Ωm. Tyto syntetické polymery by mohly být

ekvivalentem polovodičů z hlediska nákladů a výroby.

Použití: výroba fotorezistorů, termoelektrických článků, vodivých vrstev.

TECHNOLOGIE PŘÍPRAVY MONOKRYSTALŮ

Monokrystaly – objemové

- povlakové – z taveniny, z vodních roztóků

Metoda Czochralského

Je vhodná pro materiály které se dají tavit v kelímku z určitého materiálu.

Látka se zahřeje nad bod tání a za stálého otáčení se do této taveniny položí monokrystalický zárodek se kterým se otáčí a posouvá se do taveniny. Po vyrovnání teplot se začíná z kelímku táhnout vlastní monokrystal.

Použití: výroba monokrystalů s bodem tání od 30^°C (Ga) až do bodu tání kelímku.

Si má t_t = 1400^°C Ir dokonce 2300^°C

Může se touto metodou vyrobit i monokrystalický safír.

Lze připravit krystal až 150mm v průměru.

Metoda letmé zóny

Polykrystal materiálu se vloží do tzv. lodičky a tento materiál se průchodem tavící zónou vyčistí. Pokud je čistý tak se na začátek lodičky položí monokrystalický zárodek a průtahy se vytváří nový monokrystal.

Polykrystalická látka je ve formě tyče, která se vertikálně uchytí do dvou hřídelí které se otáčí a pomocí vysokofrekvenčního ohřevu se roztaví úzká část tyče a nataví se na ni zárodek. Celá zóna se pomalu posunuje a tím se převede celý polykrystal na monokrystal. Používá se pro materiály které by reagovali s kelímkem nebo lodičkou.

Bridgmanova metoda

Je specifická tím, že se monokrystal vytváří tak, že kelímek sjíždí z tavící zóny a monokrystal roste z hora.

Vernouilova metoda

Spočívá v tom, že kapičky materiálů roztavené plamenem ulpívají na základu a vznikají monokrystaly.

VÝROBA TENKÝCH MONOKRYSTALICKÝCH VRSTEV

Epitaxe – narůstá monokrystalická vrstva na podložce

1. Epitaxe z plynné fáze

Využívá se toho, že materiál se přenáší ve formě plynu. Materiál se odpaří a usazuje se na

monokrystalické podložce.

2. Epitaxe z kapalné fáze

Materiál se rozpustí v rozpouštědle a monokrystal vzniká z nasyceného roztoku

využití překlápěcího systému lodičky – kdy na jedné straně je umístěný monokrystal a na druhé straně roztok. Překlápěním vzniká monokrystal.

využití ponorného kelímku – ponoření do kapaliny

systém posuvné lodičky – kapalina je přesunuta do místa s podložkou.

3. Molekulární epitaxe

Dochází k růstu molekulárních svazků ve vakuu.

T₁ T₃

T₂ T₁ T₂