Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках

Гальваномагнитными эффектами в полупроводниках называются такие явления, которые возникают при одновременном действии на полупроводник электрического и магнитного полей.

Все гальваномагнитные эффекты делятся на поперечные (действие электрического и магнитного полей обнаруживается на гранях полупро­водника, параллельных электричес­кому и магнитному полям) и продоль­ные (проявляются вдоль образца).

К поперечным относятся эффекты Холла и Эттинсгаузена, к параллель­ным—изменение сопротивления образ­ца в магнитном поле и эффект Нернста (продольная разность температур).

Рассмотрим только эффект Холла. Если полупроводник, вдоль которого течет электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное

направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое поле, перпендикулярное току и магнитному полю. Это явление получило название эффекта Холла, а возникающая по­перечная ЭДС — ЭДС Холла.

На рис. 8.8 изображена пластинка полупроводника n-типа. Электрическое поле Е направлено параллельно оси Z, а магнитное

поле Н — вдоль оси У. На движущийся в магнитном поле электрон действует сила Лоренца, которая отклоняет его в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. В результате электроны будут накапливаться у одного из торцов образца. На противоположной грани будет создаваться положительный нескомпенсированный заряд, обусловленный ионами донорной приме­си. Такое накопление зарядов будет происходить до тех пор, пока действие возникшего в результате такого процесса электрического поля не уравновесит действующую на электрон силу Лоренца. Ус­ловие равновесия действующей на электрон силы в скалярной фор­ме можно записать в виде

где Vn — средняя скорость направленного движения электрона;

В — магнитная индукция в образце; Ex — напряженность воз­никшего поперечного электрического поля.

Считая поперечное электрическое поле однородным, получим

(8.23)

где а — ширина пластинки; Ux — ЭДС Холла. Известно также, что j = сигма Е или

(8.24)

где j=I(ab) - плотность тока, протекающего в образце, под дей­ствием внешнего электрического поля Е.

Используя (8.24), из (8.22) получаем

(8.25)

Величина Rx называется коэффициентом Холла и определяется

как

(8.26)

ЭДС Холла в полупроводнике n-типа можно определить по формуле

Знак минус отражает тот факт, что носителями заряда в данном полупроводнике являются электроны. Для полупроводников р- типа получается аналогичное выражение, только лишь концентра­ция п будет заменена на р и направление поперечного электрическо­го поля будет противоположным, т. е. ЭДС Холла будет положи­тельная. Это обстоятельство используется для определения типа электропроводности полупроводников.

Если выразить ток в А, напряженность магнитного поля — в А/м, холловское напряжение — в В, толщину образца — в см, то коэффициент Холла равен (cm³ /k)

 

Таким образом, измерив разность потенциалов Холла Ux при из­вестном токе I, напряженности магнитного поля Н и толщине образ­ца b рассчитываем Rx. Далее, если известны коэффициент Холла Pх и электропроводность, легко вычислить концентрацию носителей заряда и величину подвижности.

Эффект Холла интересен не только как метод определения харак­теристик полупроводниковых материалов, но и как принцип дейст­вия целого ряда полупроводниковых приборов, нашедших техниче­ское применение.

6. Электронно-дырочный переход (р-п -переход)

Основным элементом структуры большинства типов полупровод­никовых приборов является электрический переход- переходный слои в полупроводниковом материале между двумя областями с раз­личными типами электропроводности или разными значениями

удельной электропроводности, причем одна из областей может быть металлом.

Электрический переход между двумя областями полупроводни­ка. одна из которых имеет электропроводность р-типа, а другая —

n-типа, называют электронно-дырочным переходом или р-п-переходом.

Сооздать р-n-переход механическим соединением двух полупро­водников с различным типом электропроводности невозможно электронно-дырочные переходы получают путем введения в полупроводник донорной и акцепторной примесей таким образом, чтобы одна часть полупроводника обладала электронной, а другая — ды­рочной электропроводностью.

Рассмотрим две отдельно взятые области электронного и ды­рочного полупроводников, показанные на рис. 8.9, а. Основные но­сители заряда в полупроводнике n-типа — электроны (на рис. 8.9,о обозначены знаком минус), а в полупроводнике р-типа—дырки (на рис. 8.9, а обозначены знаком плюс). Ионизированные атомы донорной и акцепторной примеси обозначены соответственно знака­ми плюс и минус в кружочках. Неосновные носители в электрон­ном и дырочном полупроводниках не обозначены, так как их кон­центрация очень мала в сравнении с концентрацией основных носи­телей.

Условно будем считать, что п- и р-полупроводники приведены в идеальное соприкосновение (рис. 8.9. б). Так как в n-полупроводнике много электронов, а в р- полупроводнике много дырок, между полупроводниками начнется интенсивный обмен носителями заря­да. За счет разности концентраций электроны из полупроводника n-типа диффундируют в полупроводник р-типа, оставляя в приконтактной области полупроводника n-типа нескомпенсированный по­ложительный заряд ионов донорной примеси. Дырки, в свою очередь,

 

 

диффундируют в полупроводник n-типа, в результате чего в приконтактном слое полупроводника р-типа возникнет отрицатель­ный заряд ионов акцепторной примеси. Таким образом, область раз­дела полупроводников п- и р-типа окажется обедненной свободными носителями заряда и, несмотря на малую ширину d = 10^-6 – 10^{-8 м. будет обладать большим сопротивлением, во много раз превышаю­щим сопротивление остальной части полупроводников. Наличие отрицательного и положительного объемного зарядов приводит к образованию электрического поля, которое препятствует дальней­шему диффузионному потоку носителей заряда. В равновесное состояние систе­ма приходит при условии равенства по­токов свободных носителей заряда, выз­ванных градиентом их концентраций и диэлектрическим полем объемного заря­да. Теперь рассмотрим, что произойдет, если к р-}n-переходу приложить внеш­нее напряжение. Пусть к р-области при­соединен положительный полюс пита­ния, а к n-области — отрицательный. Такое внешнее поле будет направлено навстречу электрическому полю, обус­ловленному объемными зарядами. При этом основные носители заряда в р- и n-полупроводниках, имеющие наиболь­шую энергию, получают возможность проникать через обедненный слой в области, где они оказываются неосновными носителями за­ряда и рекомбинируют. Такое направленное движение носителей заряда является электрическим током, и можно сказать, что элект­ронно-дырочный переход при такой полярности внешнего напря­жения будет «открыт» и через него потечет прямой ток.

При смене полярности внешнего напряжения электрическое по­ле объемных зарядов и внешнее поле будут совпадать по направле­нию. В результате действия суммарного электрического поля ос­новные носители будут двигаться от перехода и пересечь переход смогут только неосновные носители. Так как количество неоснов­ных носителей во много раз меньше основных, то и ток, ими обу­словленный, будет мал по сравнению с тем, который получится при прямом включении. При данном включении электронно-дыроч­ный переход «заперт» и через него может протекать только малый обратный ток неосновных носителей.

На рис. 8.10 показана зависимость между током, текущим через р-п-переход, и внешним напряжением, которая называется вольт-амперной характеристикой. Описывается вольт-амперная характе­ристика р-n-перехода следующим выражением:

I = Is (e^qU/(kT) –1) (8.29)

где Is — ток насыщения (при обратном включении р-п-перехода этот ток равен обратному току); U — приложенное напряжение;

q/(kT) = 40 В^-1 при комнатной температуре.

Простые полупроводники

a) Германий. Германий—один из наиболее тщательно изучен­ных полупроводников, и многие явления, характерные для полу­проводников, впервые экспериментально были обнаружены на этом материале.

Существование и основные свойства германия предсказал Д. И. Менделеев в 1870 г. назвав его экасилицием. В 1886 г. немец­кий химик К. Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который он назвал германием. Германий оказался эквива­лентен экасилицию. Содержание германия в земной коре невелико, но встречается он в естественных условиях во многих частях света. Выделяют германий из германийсодержащей руды чаще всего в ре­зультате химической переработки сырья с помощью концентриро­ванной НСL в виде тетрахлорида германия GeCL₄. Тетрахлорид гер­мания — летучая жидкость, которую подвергают глубокой очист­ке, используя методы экстракции и ректификации. После очистки GeCl₄ его гидролизуют водой, в результате чего получается диоксид германия GeO₂ — порошок белого цвета. После просушки GeO₂, восстанавливается в токе очищенного водорода при температуре 650 °С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. Восстановленный таким образом германий подвергается травлению в смеси кислот и его сплавляют в слитки. Слитки ис­пользуют в качестве исходного материала для получения особо чи­стого германия методом зонной плавки или же непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из расплава.

Сущность метода зонной плавки заключается в том. что узкая расплавленная зона перемещается вдоль горизонтально располо­женного образца, находящегося в графитовой или кварцевой ло­дочке. Примеси, имеющиеся в образце, оттесняются к концу слитка. Для высококачественной очистки весь процесс повторяют много раз или используют установки более совершенной конструкции, позволяющие создавать вдоль слитка одновременно четыре или пять расплавленных зон.

Для получения монокристалла по методу вытягивания из рас­плава тщательно очищенный от примесей германий расплавляют в установке, схема которой показана на рис. 8.11. Рабочим объемом служит герметическая водоохлаждаемая камера, внутри которой создается вакуум порядка 10^-4 Па, или защитная газовая среда (из водорода или аргона высокой чистоты). Материал (М) помещает­ся в тигель (А), насаженный на конец водоохлаждаемого штока (Б-1). Шток Б-1 при помощи электропривода приводится во враще­ние со строго постоянной скоростью. Кроме того, его можно опускать

 

 

или поднимать для подбора оптимального положения тигля с расплавом по отношению к нагревательному элементу В. В каче­стве нагревательного элемента используют обычно печь сопротивле­ния или источник индукционного высокочастотного нагрева. Через верхний фланец камеры соосно с нижним штоком Б-1 вводится верхний шток Б-2, на нижнем конце которого крепится монокри­сталлическая затравка кристаллизуемого материала. Затравка вво­дится в расплав и выдерживается в нем, пока не произойдет оплав-ление поверхности. Когда это про­изойдет, затравку, вращая, начи­нают медленно поднимать. За за­травкой тянется жидкий столбик расплава, удерживаемый поверх­ностным натяжением. Попадая в область низких температур над поверхностью тигля, расплав за­твердевает, образуя одно целое с затравкой. Этим способом в насто­ящее время получают монокри­сталлы германия диаметром до 100 мм, а иногда и более.

Чистый германий обладает ме­таллическим блеском, характери­зуется относительно высокой твер­достью и хрупкостью. Он крис­таллизуется в структуре алмаза, плавится при температуре 937° С, плотность при 25 °С равна 5,33 г/см³. В твердом состоянии герма­ний типичный ковалентный кри­сталл. Кристаллический германий

химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. Раз­мельченный в порошок германий при нагревании на воздухе до тем­пературы примерно 700 °С легко образует диоксид германия GеО₂. Герма­ний слабо растворим в воде и практически нерастворим в соляной и разбавленной серной кислоте. Активными растворителями гер­мания в нормальных условиях является смесь азотной и плавиковой кислот и раствор перекиси водорода. При нагревании германий ин­тенсивно взаимодействует с галогенами, серой и сернокислыми сое­динениями.

Основные физические свойства германия, кремния и селена при­ведены в табл. 8.1.

Температурные зависимости удельного сопротивления германия при различном содержании донорной примеси представлены на рис. 8.12. Германий, применяемый в полупроводниковых приборах, обладает удельным сопротивлением от миллионных долей Ом-м до значений, близких к удельному сопротивлению собственного германия

 

На электрические свойства германия оказывает сильное влия­ние термообработка. Так, если образец n-типа нагреть до температу­ры выше 550 °С, а затем резко охладить (закалить), то изменится тип электропроводности. Аналогичная термообработка германия р-типа приводит к снижению удельного сопротивления, без изме­нения типа электропроводности. Отжиг, закаленных образцов при температуре 500—550° С восстанавливает не только тип электро­проводности, но и первоначальное удельное сопротивление. Если германий расплавить, то его удельное сопротивление становится близким к удельному сопротивлению жидких металлов, например ртути (рж = 6,5 10^-7 Омм). Пример маркировки германия— ГДГ 075/05, где первая буква обозначает название материала (Г— германий), вторая — тип электропроводности (Э — электронный, Д—дырочный), третья—название легирующей примеси (в данном случае галлия). Числитель дроби указывает значение удельного сопротивления (0,75 Омсм), знаменатель—диффузионную дли­ну неосновных носителей заряда (0,5 мм).

Германий применяется для изготовления диодов различных ти­пов, транзисторов, датчиков ЭДС Холла, тензодатчиков. Оптические свойства германия позволяют его использовать для изготов­ления фотодиодов и фототранзисторов, модуляторов света, опти­ческих фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диа­пазон температур германиевых приборов от —60 до +70 °С.

Б) Кремний. В противоположность германию кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре; его со­держание в ней около 29 %. Однако в свободном состоянии в при­роде он не встречается, а имеется только в соединениях в виде окисла и в солях кремниевых кислот. Чистота природной окиси кремния в виде монокристаллов кварца иногда достигает 99,9 %; в ряде мес­торождений чистота песка достигает 99,8--99.9 %.

Технический кремний, получаемый восстановлением природного диоксида Si0₂ (кремнезем) в электрической дуге между графитовы­ми электродами, широко применяется в черной металлургии как ле­гирующий элемент (например, трансформаторная сталь) и как раскислитель при производстве стали. Технический кремний представ­ляет собой мелкокристаллический спек, содержащий около 1 % при­месей, и как полупроводник ис­пользован быть не может. Он яв­ляется исходным сырьем для про­изводства кремния полупроводни­ковой чистоты, содержание приме­сей в котором должно быть менее 10^-6 %.

Технология получения кремния полупроводниковой чистоты вклю­чает в себя следующие операции:

I) превращение технического крем­ния в легколетучее соединение, ко­торое после очистки может быть легко восстановлено; 2) очистка соединения физическими и хими­ческими методами; 3) восстановле­ние соединения с выделением чис­того кремния; 4) конечная очистка кремния методом бестигедьной зонной плавки; 5) выращивание монокристаллов.

В полупроводниковом произ­водстве наибольшее распростране­ние получил метод водородного восстановления трихлорсилана SiHCI₃. Его получают обработкой измельченного технического кремния сухим хлористым водородом при температуре 300 — 400 ⁰С:

Si-3HCI = SiHCI₃ + H₂;.

Трихлорсилан представляет собой жидкость с температурой ки­пения 32 ⁰С. Поэтому он легко очищается методами экстракции, адсорбции и ректификации.

В отличие от германия основная очистка кремния от примесей осуществляется химическими методами. Кристаллизационные методы имеют цель превратить полукристаллический кремний, по­лученный химическим путем, и монокристаллы с определенными электрофизическими свойствами. Объемные кристаллы кремния вы­ращивают методами выращивания из расплава и бестигельной вертикальной зонной плавки. Первый метод применяется, как пра­вило, для получения крупных монокристаллов с относительно не­большим удельным сопротивлением (< 2,5 Омм). Второй метод ис­пользуется для получения высокоомных монокристаллов кремния с малым содержанием остаточных примесей. Следует заметить, что в технологическом отношении кремний — более сложный матери­ал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавления 1412 °С и в расплавленном состоянии химически весьма активен (вступает в реакцию практически со всеми тигельными материала­ми).

Метод вытягивания из расплава был ранее описан. Существен­ным недостатком этого метода при использовании его для выращи­вания монокристаллов кремния является загрязнение кристаллов кислородом. Источником кислорода служит кварцевый тигель, ко­торый взаимодействует с расплавом в соответствии с реакцией

SiO_2(тв) + Si_(ж) - 2SiO.

Растворение кварца в кремний не только приводит к насыщению кислородом, но при этом вводятся и другие примеси, загрязняю­щие кремний.

Вертикальная бестигельная зонная плавка обеспечивает очист­ку кристаллов кремния от примесей и возможность выращивания монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода. В этом методе узкая расплавленная зона удерживается между твердыми частями слитка за счет сил поверхностного натяжения, Расплавление слитков осуществляется с помощью высокочастотного индук­тора (рис. 8.13), работающего на частоте 5 МГц. Высокочастотный нагрев позволяет проводить процесс бестигельной зонной плавки в вакууме и в атмосфере защитной среды.

Методом вертикальной бестигельной плавки в настоящее время получают кристаллы кремния диаметром до 100 мм. Кристаллы кремния п- и,0-типов получают путем введения при выращивании соответствующих примесей, среди которых наиболее часто исполь­зуются фосфор и бор. Такие кристаллы электронного и дырочного кремния маркируются соответственно КЭФ и КДБ.

Основные физические свойства кремния представлены в табл. 8.1. Проводимость кремния, как и германия, очень сильно изменяется от присутствия примесей. На рис. 8.14 приведены зависимости удельного сопротивления кремния и германия от концентрации примесей. Благодаря более широкой запрещенной зоне собствен­ное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка пре­восходит собственное сопротивление германия.

 

В) Карбид кремния. Он является единственным бинарным соедине­нием, образованным полупроводниковыми элементами IV группы таблицы Менделеева. Это полупроводниковый материал с большой шириной запрещенной зоны 2,8—3,1 эВ (в зависимости от модифи­каций). Карбид кремния применяют для изготовления полупровод­никовых приборов, работающих при высоких температурах вплоть до 700 °С.

Технический карбид кремния изготовляют в электрических пе­чах при восстановлении диоксида кремния (кварцевого песка) уг­леродом:

SiO₂ +3C - SiC+2CO.

В печи образуются сросшиеся пакеты кристаллов SiC, называемые друзами. Большинство кристаллов в друзах имеет незначительные размеры, однако встречаются кристаллы, имеющие площадь до 1,5—2 см². Из друз путем дробления получают порошок карбида кремния. Кристаллы карбида кремния полупроводниковой чисто­ты получают методом возгонки в печах с графитовыми нагревателя­ми и экранами. Процесс кристаллизации проводят в атмосфере ар­гона при температуре 2400—2600 °С. Получаемые кристаллы обыч­но имеют пластинчатую форму с размером в поперечнике порядка 1 см. Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив против окисления до температур свыше 1400° С. При комнатной' температуре карбид кремния не взаимодействует ни с какими кислотами. При нагревании он растворяется в расплавах щелочей, а также взаимодействует с ортофосфорной кислотой и смесью (HNO₃ + HF).

Электропроводность кристаллов SiC при нормальной темпера­туре примесная. Тип электропроводности и окраска кристаллов карбида кремния зависят от инородных примесей или определяются избытком атомов Si или С над стехиометрическим составом. Чистый карбид кремния стехиометрического состава бесцветен. Примеси элементов V группы (N, P, As, Sb, Bi) и железа в карбиде дают зе­леную окраску и электропроводность /г-типа, элементы II (Са, Mg) и III групп (В, Al, Ga, In) — голубую и фиолетовую окраску и электропроводность p-типа. Избыток Si приводит к электронной электропроводности SiC, а избыток С — к дырочной.

 

Г) Бинарные соединения. Среди бинарных соединений практиче­ское применение находят соединения А^III B^V, А^II B^VI, А^IV B^IV.

Полупроводниковые соединения А^III B^V, являются ближайши­ми аналогами кремния и германия. Они образуются в результате взаимодействия элементов III-6 подгруппы периодической таблицы (бора. алюминия, галлия, индия) с элементами V-6 подгруппы (азо­том, фосфором, мышьяком, сурьмой). Соединения А^III B^V, принято классифицировать по металлоидному элементу. Соответственно раз­личают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Получают эти соединения или из расплава, который содержит элементы в равных атомных концентрациях, или из раствора соединения, имеющего в избытке элементы III группы, а также из газовой фазы. Кристал­лы антимонидов, арсенидов галлия и индия обычно выращивают из расплава вытягиванием на затравку из-под инертного флюса. Слой жидкого прозрачного флюса, находящегося под давлением инертно­го газа, обеспечивает полную герметизацию тигля и подавляет ис­парение летучего компонента из расплава. Монокристаллы, полу­ченные из расплава, обладают недостаточно высокой химической чистотой. Для очистки используются те же методы, что и для очист­ки германия и кремния.

Некоторые параметры рассматриваемых соединений приведены в табл. 8.2.

Арсенид галлия среди соединений A^ПIB^V занимает особое поло­жение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ). высокая под­вижность электронов [0,85 м² /Вс)! позволяют создавать на его основе приборы, работающие при высоких температурах и высоких частотах. Первым полупроводником являлся GaAs, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер. Он используется для из­готовления светодиодов, туннельных диодов, диодов Гаипа, тран­зисторов, солнечных батарей и других приборов. Для изготовле­ния детекторов в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, термоэлектрических генераторов, тензометров применяется анти-монид индия, имеющий очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов — 7,7 м²/ (Вс). Широкое применение в серийной производстве светодиодов нашел фосфид галлия, имеющий большую ширину запрещенной, зоны (2,25 эВ). В отличие от других соединений группы A^IIIB^V чрезвы­чайно высокой чувствительностью к механическим напряжениям об­ладает антимонид галлия. Удельное сопротивление GaSb увеличи­вается в два раза при воздействии давления 4-10⁸ Па. При таком же давлении, приложенном к кристаллам GaAs и 1пР, их удельное со­противление меняется лишь на 3 %. Благодаря высокой чувстви­тельности к деформациям антимонид галлия используют при изго­товлении тензометров.

К полупроводниковым соединениям A^IIB^VI относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды.

Основные физические свойства данных соединений указаны в табл. 8.3.

Таблица 8.3

Технология выращивания монокристаллов соединений A^IIB^VI разработана гораздо менее полно, чем технология полупроводников типа A^IIIB^V.Широкозонные полупроводники A^IIB^VI представляют собой в технологическом отношении трудные объекты, так как обла­дают высокими температурами плавления и высокими давлениями диссоциации в точке плавления. Выращивание таких материалов в большинстве случаев осуществляется перекристаллизацией пред­варительно синтезированного соединения через паровую фазу в за­паянных кварцевых ампулах. Применяют соединения A^IIB^VI в большинстве случаев для создания промышленных люминофоров, фоторезисторов, высокочувствительных датчиков Холла и прием­ников далекого инфракрасного излучения.

Среди полупроводниковых соединений типа A^IVB^VI наиболее изученными являются халькогениды свинца: PbS. PbSe, РЬТе. Сульфид, селенид и теллурид свинца в естественном состоянии встре­чаются в виде минералов галенита, клаусталита и алтаита. Первый минерал является одной из самых распространенных руд свинца, два других в природе обнаруживаются довольно редко. Моно­кристаллы PbS, PbSe, РЬТе получают в основном путем осажде­ния из газовой фазы, методом выращивания из расплава или мето­дом медленного охлаждения расплава с использованием естествен­ного градиента температуры печи. Основные физические свойства халькогенидов свинца приведены в табл. 8.4.

Таблица 8.4

Из табл. 8.4 видно, что эти соединения являются узкозонными полупроводниками. Халькогениды свинца используют для изготов­ления фото рези сто ров в инфракрасной технике, инфракрасных лазе­ров, тензометров и термогенераторов, работающих в интервале тем­ператур от комнатной до 600 °С.