29770

Полупроводниковые соединения типа

Контрольная

Химия и фармакология

Лазеры на основе соединений типа используются в телекоммуникационных устройствах волоконнооптических линий связи принтерах устройствах записи и считывания CD и DVD дисках. Свойства соединений типа Соединения типа образуются в результате взаимодействия элементов 3ей А подгруппы периодической системы с элементами 5ой В подгруппы за исключением висмута и таллия. Соединения типа классифицируются по элементу пятой группы т.

Русский

2013-08-21

29.44 KB

15 чел.

Полупроводниковые соединения типа

Применение соединений типа

Соединения типа широко используются в электронной технике, например арсенид галлия занимает второе место после кремния по своему значению в современной электронной технике, однако арсенид галлиевая технология гораздо сложнее и примерно в пятеро дороже кремния, что ограничивает применение этого материала.

В 80-90 годы XX века до 90% всего производства арсенида галлия  расходовалось на военные цели. В настоящее время наоборот 90-95% всего рынка арсенида галлия потребляется мирными отраслями. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия могут работать при повышенных температурах и имеют более высокую радиационную стойкость. Это и является причиной его использования для изготовления приборов и интегральных схем специального назначения, способных работать в условиях радиации, детекторов ядерного излучения, солнечных батарей с высоким КПД, способных длительное время работать в условиях космосе. Арсенид галлия обладает значительно более высокой подвижностью электронов, чем кремний, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц.

Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия на одной и той же частоте имеют лучшие шумовые характеристики, чем кремниевые приборы. Благодаря более высокой напряжённости электрического поля пробоя в арсениде галлия по сравнению с кремнием приборы из арсенид галлия могут работать при большей мощности. Он используется в микроэлектронике для создания СВЧ интегральных схем, дискретных приборов, таких как СВЧ диоды и транзисторов. Арсенид галлия является прекрасным материалом для генераторов СВЧ колебаний, так называемых диодов Ганна, туннельных диодов, способных работать при более высоких температурах, чем кремниевые, и на более высоких частотах, чем германиевые. В оптоэлектронике арсенид галлия используется для изготовления светодиодов, лазеров, оптических фильтров, модуляторов лазерного излучения, ИК-излучателей, фотодиодов, фотокатодов, фотоприёмников. Можно также отметить такие применения как интегральная схема для систем обработки передачи данных по волоконно-оптическим линиям связи, система глобального позиционирования, появление и распространение мобильной телефонии, где используются интегральные схемы на арсениде галлия. Сектор мобильных телефонов занимает до трети всех приборов на основе арсенида галлия. Из областей применения, появившихся в последнее время можно также отметить быстро растущий рынок радаров для автомобилей (круиз-контроль, парктроник). Изготавливаются светодиоды различного применения, например, для подсветки экранов мобильных телефонов, иллюминации и различных сигнальных  устройств.

Светодиоды на основе антимонида галлия и его твёрдых растворов , а также  представляют собой источники излучения в спектральной области 1,6-2 микрона, в которой имеются линии поглощения паров воды, , азот содержащих молекул, молекул углеводородов, в частности метана . Такие источники излучения необходимы для спектральных исследований, в частности для контроля окружающей среды. Он может применяться в медицине, например для определения содержания уровня сахара в крови. Лазеры на основе соединений типа  используются в телекоммуникационных устройствах, волоконно-оптических линий связи, принтерах, устройствах записи и считывания CD и DVD дисках. Для генерации излучения в видимых областях спектра ширина запрещённой зоны полупроводника должна превышать 1,7 эВ. Светоизлучающие диоды красной области спектра изготавливают на основе твёрдого раствора . В оранжевой и жёлтой областях спектра на основе легированного азотом фосфида галлия . Эффективные светоизлучающие диоды синей и сине-зелёной областях спектра, а также синие лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре изготавливают на основе нитрида галлия  и твёрдых растворов .

В настоящее время для оптической записи и хранения информации наиболее широко используются лазеры на основе  и ? Работающие на длинах волн 780-900 нм для CD и CD-RW и 650 нм для DVD. Поскольку плотность информации, хранящейся в оптической среде, изменяется обратно пропорционально квадрату длины волны считывающего и записывающего лазеров, то переход от использования красных и инфракрасных лазеров до лазеров на основе  с длиной волны излучения 380-450 нм позволяет значительно увеличить плотность оптически хранящейся информации Blue-Ray.

Изготовление светоизлучающих приборов на основе соединений , работающих в голубой и зелёной областях спектра позволило полностью перекрыть весь видимый спектральный диапазон излучения. Это даёт возможность создавать источники белого света за счёт комбинации красных, зелёных и голубых светодиодов. Такие источники света являются чрезвычайно эффективной альтернативой лампам накаливания и люминесцентным лампам и которые должны в будущем обеспечить значительную экономию электроэнергии. В США, Европе и Японии существуют специальные программы по разработке таких источников света. Другим важным применением нитридов третьей группы в оптоэлектронике являются фотодетекторы. Фотодетекторы на основе твёрдых растворов , различного состава могут перекрыть очень широкий спектральный диапазон от 650 до 200 нм. Ультрафиолетовые детекторы с областью чувствительностью менее 400 нм (слепые детекторы) необходимы для химического анализа при контроле окружающей среды, в промышленности, в шахтах для контроля содержания уровня метана, в оборонной промышленности для обнаружения запуска ракет. Важнейшей областью применения нитрида третьей группы и прежде всего нитрида галлия  является высоковольтная и высокотемпературная электроника. В этой области нитрид галлия может составить конкуренцию карбиду кремния .

Свойства соединений типа

Соединения типа образуются в результате взаимодействия элементов 3-ей А подгруппы периодической системы с элементами 5-ой В подгруппы за исключением висмута и таллия. Соединения типа  классифицируются по элементу пятой группы, т.е. нитриды, фосфиды, арсениды, антимониды.

Для соединений типа  характерен ковалентный тип химической связи. Из четырёх ковалентных связей, с помощью которых каждый атом встраивается в решётку. Три образованы по обычному механизму образования ковалентной связи с обобществлением валентных электронов атомов , а четвёртая связь осуществляется за счёт неподелённой пары валентных электронов атома  и свободных орбиталей атома . Такая связь называется донорно-акцепторной ковалентной и отличается от обычной ковалентной только происхождением общей электронной пары. В каждой ковалентной связи максимум электронной плотности смещён в сторону атома с большей электроотрицательностью, т.е. атома . В результате атомы  приобретают некоторый эффективный положительный заряд, а  отрицательный. Соединения типа  за исключением нитридов имеют кристаллическую решётку сфалерита кубического типа. ( – жёлтый, -красный).

В решётке типа сфалерита каждый атом элемента третьей группы находится в тетраэдрическом окружении четырёх атомов элементов 5-ой группы и наоборот. Такая кристаллическая решётка не имеет центра симметрии. Это приводит к различию свойств плоскостей  и , поскольку они образованы разноимёнными атомами. Это различие проявляется при выращивании, травлении и окислении кристаллов. Нитриды третьей группы кристаллизуются в структуру типа вюрцит ( – красный,  – жёлтый).

Полупроводниковые соединения типа образуют так называемые гомологические ряды, в которых наблюдаются закономерные изменения многих свойств с изменением атомных номеров компонентов.

Внутри гомологических рядов наблюдается уменьшение ширины запрещённой зоны с ростом атомных масс, входящих в соединения. Это объясняется более сильтным размытием элкетронных облаков ковалентных связей по мере движения вниз по периодической системе, что в свою очередь приводит к усилению металлического характера связи. В результате ширина запрещённой зоны уменьшается для нитридов от 6,2 до 1,95 эВ, для фосфидов от 2,45 до 1,35 эВ, для арсенидов от 2,16 до 0,36 эВ и для антимонидов от 1,57 до 0,18 эВ. Одновременно с ослаблением ковалентных химических связей снижается температура плавления и твёрдость материалов. С увеличением атомной массы компонентов в гомологическом ряду увеличивается подвижность носителей, это связано с тем, что с увеличением массы компонентов уменьшается дипольный момент в связи, что приводит к уменьшению рассеивания носителей на нём. Кроме того в этом же направлении уменьшается амплитуда тепловых колебаний атомов, что приводит к уменьшению рассеивания носителей на этих колебаниях. Как следствие подвижность носителей заряда резко возрастает по мере движения вниз по гомологическому ряду, по этой причине соединение антимонид индия  обладает наибольшей подвижностью электронов из всех соединений типа .

Абсолютное значение подвижности электронов для большинства соединений типа  существенно превышает подвижность дырок. Поэтому собственное удельное сопротивление соединений типа  практически полностью определяется движением электронов и по этой причине на основе этих полупроводников не реализуются биполярные устройства, в роботе которых должны принимать участия оба типа носителей.

Все соединения типа , кроме антимонидов, разлаются при нагреве с интенсивным испарением легко летучего компонента . Существенной особенностью процесса диффузии при легировании соединений типа  является зависимость процесса от давления паров легко летучего компонента , что определяет концентрацию дефектов в кристаллической решётке. Для получения воспроизводимых результатов диффузию проводят в запаянных кварцевых ампулах. Доноры в соединениях типа  характеризуются крайне низким коэффициентом диффузии, кроме того диффузия доноров осложняется образованием на поверхности полупроводника слоя сложного фазового состава. В результате на практике наиболее часто для создания p-n переходов используют следующие легирующие примеси,: цинк в качестве акцептора, который обладает  высокой растворимостью в полупроводниках , и теллур в качестве донора.

Особенности технологии арсенид галлия

является наиболее широко используемым полупроводниковым соединением типа . Ширина его запрещённой зоны равна 1,43 эВ. Подвижность электронов в  более чем в 6 раз выше, чем в кремнии. Это более хрупкий и менее теплопроводящий материал, чем кремний. Большая чем у кремния ширина запрещённой зоны обеспечивает возможность создания приборов, работающих при повышенных температурах. В сочетании малого времени жизни неосновных носителей и большей чем у кремния ширины запрещённой зоны позволяет создавать приборы и интегральные схемы с повышенной радиационной стойкостью. Существуют три метода промышленного производства монокристалла : метод Чохральского, метод горизонтальной направленной кристаллизации Бриджмэна и метод вертикальной направленной кристаллизации. Методы горизонтальной и вертикальной направленной кристаллизации применяют для получения монокристаллов  с низкой плотностью дислокаций. 90% производимого для оптоэлектроники  выращивают методом вертикальной направленной кристаллизацией. Всё же основным методом получения монокристаллов  является метод Чохральского. С помощью этого метода получают монокристаллы с типичным диаметром слитков 100-150 мм. Максимальный диаметр промышленно выпускаемых слитков 200 мм. Синтез и выращивание  осуществляют под защитным слоем, который предотвращает интенсивное испарение мышьяка. В качестве такого защитного слоя используют оксид бора . Для уменьшения потерь в камере создаются повышенное давление инертного газа аргона, тигли изготавливают из пиролитического нитрида бора. Более 95% рынка монокристаллов  составляют два типа материала, приблизительно одинаковых по объёму производства. Это так называемый полуизолирующий или полудиэлектрический , с удельный электрическим сопротивление более , который используется при производстве высокочастотных интегральных схем и дискретных приборов. И сильно легированное кремнием до   с низкой плотностью дислокаций, который применяется при изготовлении светодиодов и лазеров. Пригодными для производства светодиодов считаются монокристаллы с плотностью дислокаций не более  . Для производства лазеров менее  . Однако получение малодислокационных и бездислокационных кристаллов  является очень сложной технологической задаче к настоящему времени практически нерешённой. Исключения составляют сильнолегированные кристаллы, в частности кремнием. Поскольку введение легирующих примесей при достижении определённого уровня легирования сопровождается эффектом упрочнения, что способствует снижению плотности дислокации кристаллов. Для получения полуизолюрующего  его легируют хромом в процессе роста кристалла до уровня . При этом в запрещённой зоне  формируется глубокие энергетические уровни, которые являются эффективными ловушками для электронов, сокращают концентрацию электронов зоне проводимости , а значит приводят к увеличению удельного сопротивления материала. Пластины из такого  могут обладать очень высоким значением удельного сопротивления до . При использовании в качестве подложки такого полудиэлектрика из  отпадает необходимость во всех операциях по развязке элементов с помощью обратно смещённого з-т перехода, которая с неизбежностью используется в кремниевых интегральных схемах, и которая вызывает существенную потерю мощности и возникновение паразитных связей. Из-за сильного различия подвижностей электронов и дырок на основе  реализуются не биполярные, а полевые транзисторы, причем из-за отсутствия собственных стабильных оксидов соединения  и высокой плотности состояний  порядка Полевые транзисторы реализуются не виде структур металл оксид полупроводник, а как структура металл полупроводник с диодом Шоттки.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17416. Нейронні мережі на основі радіальних базисних функцій 113.5 KB
  Лабораторна робота № 3 Нейронні мережі на основі радіальних базисних функцій Мета: отримати навички розвязання практичних задач за допомогою мереж на основі радіальних базисних функцій. 2.1. Теоретичні відомості Основні відомості Мережа на основі радіальних ба
17417. Мережі Кохонена 416.5 KB
  Лабораторна робота № 4 Мережі Кохонена Мета: отримати навички розвязання практичних задач за допомогою мереж Кохонена. 3.1. Теоретичні відомості Карти Кохонена що самоорганізуються це спеціальний клас штучних НМ робота яких базується на конкурентному принцип
17418. Асоціативна мережа Хопфілда 127 KB
  Лабораторна робота № 5 Асоціативна мережа Хопфілда Мета: отримати навички розвязання практичних задач за допомогою мереж Хопфілда. 4.1. Теоретичні відомості 4.1.1. Дискретна модель Хопфілда як асоціативна пам'ять Визначення. Асоціативна пам'ять система здатна в...
17419. Генетичні алгоритми 89.5 KB
  Лабораторна робота № 6 Генетичні алгоритми Мета: отримати навички розвязання практичних задач за допомогою генетичних алгоритмів. 5.1. Теоретичні відомості Генетичні алгоритми ГА Holland 19691990 спрощено моделюють процеси природної еволюції і засновані на стохасти
17420. Моделирование D-триггера 36.28 KB
  В данной лабораторной работы мы смоделировали синхронный D-триггер и исследовали его работу, результаты которой представили в табличном виде. На основе этого триггера мы смоделировали схему многоразрядного регистра
17421. Проектування реляційної бази даних 74 KB
  Лабораторна робота №3 Тема: Проектування реляційної бази даних Мета: Опис предметної сфери створення концептуальної та логічної моделі бази данихдалі БД Теоретичні відомості Основні етапи проектування БД: 1. Визначення мети створення бази даних. На першому ...
17422. Проектування бази даних в Access 281 KB
  Лабораторна робота №4 Тема: Проектування бази даних в Access Мета: Запроектувати в Microsoft Office Access базу даних і виконати звязки Потрібно створити БД призначену для працівників довідкової служби кінотеатрів міста. Така система повинна забезпечувати зберігання відом...
17423. Виконання запитів до побудованої бази даних в Access 110 KB
  Лабораторна робота № 5 Тема: Виконання запитів до побудованої бази даних в Access Мета: Виконати запити до побудованої бази даних кінотеатрів і отримати інформацію про репертуар кінотеатрів тобто про те які фільми коли і де демонструються про ціни на квитки і про кіль