Практическая работа №4. Введение в химию и технологию

Полупроводниковые вещества
1) В группу элементарных полупроводников входят 12 химических элементов, которые образуют компактную группу, расположенную в середине таблицы Д.И. Менделеева: В, С, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I.
2) Вторая группа полупроводниковых веществ очень обширна и включает как неорганические, так и органические соединения. Среди них прежде всего следует отметить двойные соединения элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов таких, как, например GaAs, InAs, GaP, GaSb, InSb, AlSb и др. Эти соединения, которые часто обозначают символом АIIIВV

Основные свойства полупроводников
Рис. 1. Схематическое изображение кристаллической решетки кремния (Si). Черточки, связывающие друг с другом атомы Si, изображают электронные связи

Основные свойства полупроводников
Рис. 2. Схематическое изображение кристаллической решетки меди. Правильная решетка ионов меди погружена в «газ» из свободных электронов, не связанных жесткими связями с отдельными ионами

Основные свойства полупроводников
Величина Еg является одной из самых основных характеристик полупроводника.
Таблица 3.1
Рис. 3. Схематическое изображение кристаллической решетки из которой выбит электрон. Фотон выбил электрон с траектории, связывавшей атомы 19 и 20. Возникла пустая связь, дырка, и свободный электрон (он находится между атомами 1, 2, 6 и 7). В электрическом поле Е электрон движется направо, а дырка – налево.

Собственная и примесная проводимость в полупроводниках
Свободные носители (электроны и дырки) электрического заряда, которые образуются при процессах регенерации (освещения или нагрева) чистого полупроводника, называются собственными носителями, а проводимость, обусловленная ими, - собственной проводимостью.
Примесь, атомы которой легко отдают электроны, называют донорной. Полупроводник, в который введена донорная примесь, называют электронным или полупроводником п-типа.
Акцепторная примесь создает в кристалле полупроводника свободные носители тока — дырки. Полупроводник, в который введена акцепторная примесь, называют дырочным или полупроводником р-типа.

Примесная проводимость в полупроводниках
Рис. 4. Атом акцептора (бор) в решетке кремния

Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочный переход, или как его называют р – n-переход образуется на границе между полупроводниками с дырочной (р-типа) и электронной (n -типа) проводимостью. Он является основным элементом во многих полупроводниковых приборах, и поэтому прежде, чем рассматривать принцип действия этих приборов, рассмотрим свойства самого р – n–перехода.
Поток основных носителей заряда через р - n -переход представляет собой диффузионный ток.
Поток неосновных носителей через р – n-переход создает дрейфовый ток.
Зависимость тока через р – n -переход от приложенного к нему напряжения называется его вольтамперной характеристикой.
Вольтамперная характеристика р – n -перехода нелинейна, следовательно, он обладает свойством односторонней проводимости

Полупроводниковые диоды
и транзисторы
3
2
1
Рис. 5. Схема полупроводникового диода на основе оксида меди (I).
Комбинация двух близко расположенных друг к другу р – п- переходов в одном кристалле полупроводника представляет собой плоскостной полупроводниковый триод (английское название транзистор). Полупроводниковый триод может осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов и выполняет ряд других функций. Различают два типа плоскостных полупроводниковых триодов р – n – p – типа и п – р – п-типа, которые различаются последовательностью чередования в монокристалле полупроводников областей с различным типом проводимости.

Этапы развития современных технологий полупроводников
Метровые технологии
Миллиметровые технологии (вакуумная лампа, транзисторы и др.)
Твердотельные микротехнологии (кристаллы кремния явились основой интегральных микросхем, методом фотолитографии научились размещать миллион твердотельных транзисторов в интегральной схеме площадью 1 см кв.
Электронная литографии
Нанотехнологии - начало практической нанотехнологии было ознаменовано изобретением в 1982 г. сканирующего туннельного микроскопа.

Нанолитография
Рис. 6. Схематическое изображение этапов процесса литографической нанопечати: а) – трафарет из твердого материала, изготовленный методом электронно-лучевой литографии, вдавливается в более мягкий резист для получения отпечатка; б) – после этого трафарет убирается; в) – оставшийся на дне канавок сильно деформированный мягкий материал удаляется химическим травлением.