В даний час відомо 104 хімічних елементи, з них 79 металів і 25 неметалів Серед останніх 13 елементів проявляють напівпровідникові, а інші 12 – діелектричні властивості (див табл 11)

Але крім елементарних напівпровідників налічуються сотні і навіть тисячі зєднань, твердих розчинів, що мають напівпровідниковими властивостями Тому було б доцільно класифікувати напівпровідникові матеріали

Всі напівпровідники можуть бути розділені на кристалічні і

некристалічні

У цьому курсі не розглядатимуться особливості матеріалознавства і технології некристалічних напівпровідників, які зазвичай виділяються в особливий розділ фізики напівпровідників і про які можна прочитати в спеціальній літературі [7, 8] Однак для повноти класифікації дамо про них самі загальні відомості

До числа некристалічних напівпровідників відносяться: аморфні напівпровідники (a-Si, a-Ge, Se, Sb, Te) рідкі напівпровідники (розплавлений Se, Te, розплави оксидів, сульфідів, селенидов і теллурідов деяких металів) стеклообразниє полупроводнікі2 Найбільшого поширення серед склоподібних напівпровідників отримали халькогенідні (сплави P, As, Sb, Bi з S, Se, Te, наприклад, As2Se3, As2S3, As2Te3) і оксидні (V2O5 – P2O5 – MeOx)3

Спільною рисою некристалічних напівпровідників є відсутність далекого порядку в розташуванні атомів, результатом якого виявляються суттєві зміни в енергетичному спектрі і низька рухливість носіїв заряду

Дослідження дифракції рентгенівських променів, електронів і дослідження далекої тонкої структури рентгенівських спектрів поглинання (EXAFS-спектроскопія) показують, що найближче оточення і міжатомні відстані в некристалічних напівпровідниках практично не відрізняються від їх кристалічних аналогів Таким чином, можна зробити висновок, що напівпровідникові властивості матеріалів обумовлені ближнім порядком (Типом звязку), а не далеким порядком (кристалічною структурою матеріалів)

Серед кристалічних напівпровідників часто виділяють групи з подібними тими чи іншими властивостями Так за кількістю входять до складу речовини компонент можна виділити:

1) елементарні (гомеополярной) напівпровідники: C, Si, Ge, α-Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, I, B Найважливішими представниками цієї групи є Ge і Si – основні матеріали напівпровідникової електроніки Германій і кремній мають кубічну структуру типу алмаза, де кожен атом оточений 4 найближчими сусідами (див гл 2)

2) іонні напівпровідники (бінарні, трикомпонентні і так далі)

У цьому курсі розглядатимуться в основному тільки елементарні і бінарні напівпровідники, що дозволить на простих прикладах виявити загальні закономірності, характерні для напівпровідників, і більш детально розібратися у фізико-хімічних проблемах, які виникають при отриманні цих матеріалів Крім того, слід зазначити, що в електронній промисловості через складнощі отримання чистих багатокомпонентних матеріалів, як правило, застосовуються елементарні і бінарні напівпровідники

Серед бінарних напівпровідників виділимо найбільш вивчені і широко використовувані групи напівпровідникових сполук В одну групу зазвичай включають зєднання з однаковою стехиометрической формулою, то є утворені з елементів, розташованих в одних і тих же групах періодичної системи елементів Д І Менделєєва

а) Алмазоподібні напівпровідники

3Me – метали I-VI груп

Таблиця 11 Фрагмент таблиці періодичної системи Д І Менделєєва Для кожного елемента в нижньому рядку зазначені його атомний радіус (в A ˚) (ліворуч) і величина електронегативності за Полінгом (праворуч) [20]

Стехіометрична формула цих напівпровідників – ANB8-N, де A і B – компоненти зєднання, N – Номер групи компонента A в періодичній таблиці Менделєєва Компоненти цих сполук розташовані симетрично відносно IV групи в таблиці Менделєєва

Сполуки мають гранецентрированную кубічні грати і кристалізуються в структурах типу алмазу або сфалерита (цинкової обманки), або гексагональну решітку і кристалізуються в структурі типу вюртцита

Фізичні властивості сполук елементів VI групи значною мірою визначаються концентрацією власних точкових дефектів структури (див гл 3), що виявляють електричну активність (центри розсіювання і рекомбінації)

Напівпровідники ANB8-N знаходять широке застосування в багатьох областях техніки і, перш за все, в оптоелектронних приладах

До них відносяться:

AIIIBV – GaAs, InSb, InP, GaSb, GaP, AlSb (структура сфалериту) AIIBVI – CdSe, CdTe, HgTe, ZnS, ZnSe (структура сфалериту) CdS,

CdSe, ZnS, ZnSe (структура вюртцита) 4

AIBVII (кристалізуються в кубічної структурі типу сфалериту) – CuBr, AgI

AIVBIV – β-SiC (структура сфалериту)

б) халькогеніди елементів четвертої групи

Стехіометрична формула цих напівпровідників – AIVBVI Типові представники – PbS, PbTe, SnTe

Ці матеріали мають гранецентрированную кубічну грати типу NaCl або слабо спотворені структури на її основі Вони мають вузьку заборонену зону і використовуються як джерела і приймачі ІЧ-випромінювання Власні точкові дефекти структури в AIVBVI мають низьку енергію іонізації і проявляють електричну активність

в) халькогеніди елементів пятої групи

Стехіометрична формула цих матеріалів – AVBVI До цієї груп2 3

пе відносяться халькогеніди мишяку (As2S3, As2Se3, As2Te3), що кристалізуються в структури з моноклінної гратами халькогеніди сурми (Sb2Se3, Sb2S3) – зєднання з ромбічної гратами халькогеніди вісмуту (Bi2Te3, Bi2Se3) – зєднання з ромбоедричної гратами

Халькогеніди сурми і вісмуту використовуються для створення напівпровідникових термоелектричних генераторів

4 Зверніть увагу на те, що деякі з наведених напівпровідників існують у двох кристалічних модифікаціях

Серед іонних напівпровідників прийнято також виділяють наступні групи напівпровідників:

а) Магнітні напівпровідники [9, 10]

У всіх цих матеріалах присутні атоми з частково заповненими dі f-Оболонками (атоми перехідних металів і рідкоземельних елементів) Відмінною рисою багатьох з них є виникнення магнітного впорядкування при низьких температурах

Ця група включає такі сполуки як, наприклад, EuS, EuSe, MnTe, прості (NiO, CoO, FeO, ZnO, EuO, Cu2O) і складні окисли

перехідних металів, наприклад, ферити типу MeO · Fe2O3 або MeFe2O4

(ZnFe2O4, MnFe2O4), що кристалізуються в структурі шпінелі

Ці матеріали знаходять застосування в радіотехнічних приладах,

оптичних пристроях, керованих магнітним полем, і в хвилеводних пристроях НВЧ Оксидні напівпровідники (NiO, ZnO, EuO, Cu2O) використовуються як різноманітні датчики – температури, хімічного складу газу

б) Напівпровідники-сегнетоелектріки [11, 12]

Відмінними рисами цієї групи кристалів є наявність електричних моментів у кристалі і виникнення спонтанної поляризації при зниженні температури

Типовим прикладом цих матеріалів є напівпровідники зі структурою перовскіту і стехиометрической формулою ABO3 Їх прикладом можуть служити BaTiO3 і PbTiO3 До цієї ж групи напівпровідників-сегнетоелектриків відносяться і деякі сполуки AIVBVI – GeTe і SnTe

Використовуються ці матеріали при створенні запамятовуючих і нелінійно-оптичних пристроїв, в якості пєзодатчиків

в) Органічні напівпровідники: антрацен, нафталін, фталоцианинов, полівінілкарбазол [13, 14]

В останні роки намітився істотний прогрес у використанні

цих матеріалів у різних областях техніки, наприклад, для створення транзисторів і оптоелектронних приладів

Такий поділ напівпровідників можна було б продовжити і далі, однак зупинимося на наведених найбільш часто виділяються групах

Вивчення курсу основи матеріалознавства і технології напівпровідників почнемо з обговорення природи хімічних звязків і аналізу особливостей хімічного звязку в напівпровідниках

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002