Напівпровідникові з’єднання типу A4B6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ І СПОРТУ України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Кафедра конструювання ЕОА

РЕФЕРАТ

по курсу «Матеріалознавство радіоелектронних апаратів»

на тему «Напівпровідникові з`єднання типу A4B6»

Виконав:

Зилевіч М.О.

Перевірив:

Лисенко О.І.

Київ - 2015

Зміст

Вступ

1. Будова, структура, склад напівпровідників типу A4B6

2. Технологія виготовлення

3. Властивості напівпровідників типу A4 B6

4. Основні напрямки застосування

Висновки

Література

Вступ

Напівпровідник-речовина основною властивістю якої є суттєва залежність його електропровідності від дії зовнішніх факторів (температура,освітленість і т.п.).[1]

Такий тип напівпровідників (A4B6) відноситься до групи складних напівпровідників. Складаються з двох хімічних елементів і називаються бінарними (А-перший елемент В-другий елемент періодичної таблиці Менделєєва).

Завдяки своїм нелінійним фізичним властивостям речовини класу A4B6 є перспективними матеріалами в різних сферах електроніки: детектори і джерела інфрачервоного випромінювання, термоелектричні елементи, сонячні батареї, елементи пам`яті .

Даний тип напівпровідників є базою для створення інфрачервоних напівпровідникових лазерів, які використовуються при температурах близьких до кімнатної (20-25 градусів Цельсія), високоефективних термоелектричних перетворювачів, а також для високочутливих приймачів інфрачервоного діапазону. [2]

1. Будова, структура, склад напівпровідників типу A4B6

Напівпровідники типу A4B6 є шаруватою (рос. слоистой) твердою речовиною (кристалом) у якому атоми в середині кожного шару з`єднані дуже міцно, а зв`язок між шарами слабкий. Прикладами таких з`єднань є: SnS,

SnSe, GeS, GeSe, GaS, GaSe, GaTe, InSe, Sb2Te3, Bi2Se3, Bi2Te3.

Для шаруватих з`єднань такого типу характерна гексагональна структура шарів. Шар має умовну структуру B-A-A-B. Кристалічна структура такого типу зображена на правому рисунку( SnSe - класичний представник групи A4B6). На лівому рисунку зображено (геометричну структуру GaTe (гексагональна структура))[3]

Рис 1. (Зправа -кристалічна структура SnSe, зліва-геометрична структура GaTe).

Також для них характерний змішаний тип хімічного з`вязку з варіюючими в широких межах іонними і ковалентними з`вязками, але в цілому більш іонним з`єднанням. Шари з`вязані Ван-дер-Вальсовим з`вязком (найслабшим), чим власне і зумовлений слабкий зв`язок між шарами.[3]

Такий тип речовин знаходить між молекулярними і нанорозмірними структурами. Структура поверхні шару є моноклинною сингонією,атоми міцно зв`язані,речовина є кристалічною (твердий розчин). Концентрація дефектів в таких речовинах зазвичай дуже мала. Електропровідність регулюеться власними дефектами, які виникають при відхиленні складу кристалу від схемо центричного (дефіцит атому А або B).[4]

2. Технологія виготовлення

1) Метод Чохральського

Близько 75% всього виробництва монокристалів ведеться за методом Чохральського, який забезпечує найвищу однорідність і структурну досконалість монокристалів. Метод Чохральського - заснований на вільної спрямованої кристалізації на приманку з великого обсягу розплаву, необхідного для вирощування всього злитка.

Послідовність операцій при вирощуванні монокристалів:

1. Підготовка вихідних матеріалів - компоновка. Сировиною для плавки є не тільки полікристалічний кремній, а й легуюча домішка, а також залишки кремнію від попередньої операції і відходи монокристалів, що не потрапили в готову продукцію. Компонування включає операції з очищення сировини, дозуванні легуючих домішок, необхідні розрахунки.

2. Завантаження матеріалів у тигель, вакумування робочої камери і плавлення. Після цього потужність нагрівача зменшується так, щоб температура розплаву залишалася постійною і близької до температури плавлення, причому забезпечується теплова рівновага, і кількість тепла, що підводиться нагрівачами, точно відповідає його втрат відкритою поверхнею.

3. Затравлення - зіткнення монокристалічної затравки з розплавом - зміцнює теплові умови в системі. З'являється додатковий тепловідвід через затравку, а це створює можливість кристалізації при постійній температурі розплаву, так як додаткове тепло (прихована теплота кристалізації) може бути тепер відведено.

4. Вирощування шийки. Затравлення супроводжується різким підвищенням температури кристала - затравки, оскільки на стадії плавлення вона перебувала в зоні низької температури. При «тепловому ударі» в ній виникають напруги і відбувається утворення дефектів. Ці дефекти неминуче передалися б вирощуємо кристалу, і щоб позбавитися від них, спочатку піднімають приманку з високою швидкістю і «тягнуть» з розплаву кристал малого діаметра - шийку.

5. Зростання і «вихід на діаметр» - збільшення діаметра до заданого номіналу - здійснюється за рахунок зниження швидкості підйому затравки. Необхідний діаметр встановлюється оператором, який спостерігає за процесом через вікно в корпусі установки. Точність керування діаметром злитка зазвичай невисока, тому дається допуск на 3 ... 5 мм в більшу сторону.

6. Вирощування циліндричної частини ведеться в автоматичному режимі зі швидкістю 1,5 ... 3 мм / хв. Оскільки рівень розплаву в тиглі при цьому безперервно знижується, змінюються теплові умови в зоні росту. Цей принциповий недолік важко усувається в методі Чохральського, і забезпечення необхідної однорідності - по довжині злитка - проблема, багато в чому визначальні є техніко-економічні показники. Для цього використовуються всі можливі апаратурні засоби: регулювання температури, швидкості витягування, підйом і опускання нагрівача і тигля.

7. Відтягнення на конус і відрив кристала від залишків розплаву завершують процес вирощування.

Недоліки методу Чохральського полягають у наступному:

1. Розчинення в кремнії матеріалу кварцового тигля відбувається з помітною швидкістю.

2. Внаслідок непрямого і непостійного по довжині злитка фронту кристалізації та зміни гідродинамічних умов спостерігається складна неоднорідність у розподілі домішки і питомого опору по площі кристала.

3. Нерівномірний розподіл дефектів, а також домішок по довжині злитка.[5]

Рис.2.Установка для вирощування по методу Чохральського.

2) Метод бестигельно-зонної плавки

Метод заснований на плавленні невеликої зони полікремнієвої циліндричної заготовки, що знаходиться у вертикальному стані. Необхідна вузька зона розплаву створюється за допомогою високочастотного індуктора (стандартна частота генератора 5,28 МГц). Тепло за рахунок вихрових струмів в самому кремнії, і при достатній потужності виділяється безпосередньо ВЧ-генератора, це призводить до швидкого розплавлення кінця заготовки і утворення краплі. Завдяки невеликій щільності кремнію та високому поверхневому натягу крапля здатна утримуватися на злитку. До неї знизу підводиться запал і далі, як і в методі Чохральського, витягується шия, а потім і циліндрична частина. Вміст домішок в кремнії в результаті бестигельно-зонного плавлення зменшується за рахунок перегріву розплаву і часткового випаровування. Застосування бестигельно-зонного плавлення найбільш доцільно для моносиланового кремнію (чистого), вільного від кисню і вуглецю. В результаті можуть бути отримані монокристали з гранично високим, близьким до власного питомим опором, за рахунок бестигильно-зонної очисткм.[6]

Напівпровідники групи A4B6 є матеріалами, особливими за своїми фізичними властивостями, за різновидами спостережуваних в них ефектів і за можливостями практичного використання. Висока чутливість властивостей напівпровідників до зовнішніх полів і спотворення решітки, висока рухливість носіїв заряду в напівпровідниках A4B6 (до 107 см2 / В-с при 4 К) і можливість зміни концентрації вільних - все це відкриває нові можливості для вивчення явищ (в тому числі сегнетоелектричних) в цих кристалах із залученням широкого арсеналу методів дослідження, розроблених для напівпровідників. напівпровідник монокристал плавка перетворювач

Рис. 3. Етапи процесу вирощування кристала бестигельно-зонною плавкою, коли діаметр індуктора менше діаметра стрижня,

(V1 і V2 - швидкості руху стрижня і затравки відповідно): а) - створення краплі розплаву; б) - змочування затравки; в) - вихід на діаметр; г) - вирощування кристала постійного діаметра.

3. Властивості напівпровідників типу A4 B6

Даний матеріал володіє наступними властивостями:

- пряма заборонена зона(ширина 0,4 при 300К-0,2 при 0К), величина якої може плавно змінюватись при створені твердих розчинів;

- висока ефективність випромінюваної рекомбінації (зникнення вільних носіїв заряду в результаті зіткнення протилежно заряджених часток);

- велике значення діелектричної проникності (до 104), це обумовлено близькістю решітки до фазового переходу;

- малі ефективні маси носіїв заряду (приблизно 10-2 m0);

- кулонівський потенціал заряджених домішок майже повністю екранується і не впливає на рухливість носіїв заряду.[3]

Одним з важливих недоліків даних напівпровідників є висока дефективність їх структури. При стандартних методах синтезу концентрація вакансій і міжвузлових атомів досягає 1018-1019 см-3. Усі дефекти росту є електроактивними, що не дозволяє досягнути низької концентрації носіїв заряду, необхідної для використання у нелегованих сполуках.

Легування є одним з основних методів управління концентрацією вільних носіїв заряду в напівпровідниках. Використання цього методу призводить до появи нових властивостей, не характерних для вихідного матеріалу. Напириклад стабілізування рівня Фермі, коли його положення визначається лише складом сплаву і не залежить від концентрації легуючих домішок і дефектів решітки. Ще одним важливим ефектом легування є затримка фотопровідності. Так, температурні залежності опору в темноті і при інфрачервоному підсвічуванні відчутно відрізняються (6-8 порядків величини в залежності від складу сплаву.

Таке явище пояснюється тим, що час життя вільних носіїв заряду при низьких температурах різко зростає до величини 104. Таким чином фотозбудливість носіїв заряду накопичується в дозволеній зоні практично без рекомбінації, що і призводить до затримки фотопровідності.[7]

4. Основні напрямки застосування

Завдяки своїм фізичним властивостям напівпровідники типу А4B6 використовуються у багатьох напрямках елелектроніки. Даний тип напівпровідників є базою для створення інфрачервоних напівпровідникових лазерів, високоефективних термоелектричних перетворювачів, а також для високочутливих приймачів інфрачервоного діапазону.

Також використовується в таких сферах електроніки: детектори і джерела інфрачервоного випромінювання, термоелектричні елементи, сонячні батареї, елементи пам`яті. Активно використовується при створені напівпровідникових лазерів і світлодіодів, а також фоточутливих приймачів. В свою чергу ці компоненти є складовими для створення оптоволоконних ліній зв`язку. В глобальному масштабі сенсори на основі даного типу напівпровідників використовуються у фотоапаратурі (пристрої нічного зору, пристрої спостереження, сенсори руху і т.п.), пристроях передачі даних(ІЧ-порти, які на сьогоднішній день майже не використовуються в повсякденні). Розробка сонячних батарей з використання даного типу напівпровідників може значно зменшити собівартість виробництва.[2]

Висновки

Враховуючи усе вищесказане логічно стверджувати, що даний тип напівпровідників, завдяки своїм фізичним властивостям і не надто трудомісткому процесі виготовлення є перспективним для подальшого його дослідження та виявлення нових сфер застосування. Пристрої розроблені на основі цих напівпровідників чудово демонструють усі переваги та можливості отриманих за рахунок своїх фізико-хімічних валстивостей. Пристрої на основі цих напівпровідників чудово зарекомендували себе у сфері детекторів і приймачів ІЧ випромінювання, елементів пам`яті та сонячних батареях, а також у лазерних та оптоволоконних технологіях. тож подальше фінансування глибшого дослідження цього типу напівпровідників є доцільним і досить перспективним.

Література

1. Справочник по электротехническим матеріалам. Т.3; Энергоатомиздат; 1988

2. Мильвидский М. Г., Полупроводниковые материалы в современной электронике, М., Изд-во. Наука, 1986

3. Строение и свойства полупроводниковых соединений A4B6, A3B6, A25B6.Волыхов А.А.;Москва-2011, Российская академия наук.(материалы диссертации)

4. Кашкаров.П.К. Дефекты в полупроводниковых кристаллах:,(статья) Изд-во. Соросовский образовательный журнал,1999.

5. Березин А.С., Молчалкина О.Р.: Технология и конструирование интегральных микросхем Москва, Изд-во. Радио и связь1983

6. Нашельский А. Я., Технология полупроводниковых материалов, М., Изд-во - Металлургия, 1987

7. Мейлихов Е. 3., Лазарев С. Д., Электрофизические свойства полупроводников. (Справочник физических величин), М., Изд-во -ЦНИИатоминформ, 1987

Размещено на Allbest.ru