Полупроводники

контрольная работа

5. Германий и полупроводниковые соединения

Германий

По мере расширения производства и применения полупроводниковых приборов выяснилось, что из-за сравнительно малой ширины запрещенной зоны 0,67 эВ предельная рабочая температура р-n-переходов в германии составляет 343 - 353 К (70 - 80°С). Но и при меньших температурах приборы оказываются недостаточно стабильными из-за высокого температурного коэффициента величины , так что устойчивая работа приборов гарантируется только при температуре на 20 - 30 % ниже верхнего предела ( 60°С). Собственное удельное сопротивление германия слишком мало, и он непригоден для быстродействующих p-i-n-приборов.

Главным недостатком германия является неприменимость планарной технологии из-за низкой температуры плавления 1210 К (а вследствие этого и низкой скорости диффузии примесей) и отсутствия пассивирующего собственного оксида.

В дискретных германиевых диодах и транзисторах, изготовленных по сплавной технологии, преимущества более высокой подвижности и быстродействия материала быстро снижаются, не выдерживая конкуренции с кремниевыми приборами, изготовленными по более совершенной и дешевой планарной технологии.

Вне конкуренции германий сохраняется в области приборов детектирования ядерных излучений и ИК-оптики.

Детекторы ядерных излучений изготавливаются из пластин германия большой площади (несколько смІ), и толщины до 1 см обедненных носителями. Здесь требуются монокристаллы с предельно низкой концентрацией примесей (1010 - 1011см-3), меньшей, чем концентрация собственных носителей. Такой германий, получаемый в малых количествах по специальной технологии, является наиболее чистым веществом, полученным человеком.

Монокристаллы германия большого диаметра потребляет ИК-оптика, для изготовления линзовых объективов, необходимых для систем тепловидения и дистанционного измерения температуры. Эти германиевые линзы прозрачны для ИК-излучения. Они фокусируют тепловое изображение на фотоприемнике, обеспечивая предельно высокое геометрическое разрешение, позволяющее различать даже мелкие объекты с больших расстояний, например со спутника Земли время на часах у загорающих на пляже.

полупроводник германий кремний прибор

Линзовые оптические системы - обязательная часть конструкций сканирующих ИК-устройств обнаружения целей - кораблей, самолетов, ракет.

Германий идет и на изготовление самих фотоприемников таких систем - фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов. Хотя и в этой области преобладает кремний, а наиболее перспективным считается твердый раствор теллурида кадмия - ртути - КРТ. В некоторых случаях, в частности для диапазона 0,8 - 1,8 мкм, фотоприемники из германия (легированного галлием, медью, никелем, золотом) имеют явные преимущества.

Технология выращивания монокристаллов германия (рис.15) проще, а аппаратура совершеннее, чем в случае кремния, так как в свое время германий был основой полупроводниковой техники, в которой он был "модельным" материалом. Имея невысокую температуру плавления (1210 К), обладая инертностью расплава к контейнерным материалам (графиту и кварцу), легкую восстанавливаемость оксида водородом - германий позволяет очень быстро освоить технику получения высокочистых монокристаллов (сегодня это образцы с диаметрами до 300 и 500 мм).

Рис.15

При производстве германия используют гидролиз, восстановление водородом оксидов и зонной очистки. Принцип этой операции вытекает из особенностей диаграмм состояний, а именно из того факта, что выделяющиеся при затвердевании двухкомпонентного сплава кристаллы обязательно либо обогащены (Ств > Сжид), либо обеднены (Ств < Сжид) примесными компонентами. Считается, что коэффициент распределения k = Ствжид в первом случае больше единицы, во втором меньше.

Это обстоятельство (k 1) и используется для эффективной очистки: при расплавлении лишь небольшой части слитка (его длины) - зоны - и медленном перемещении ее через весь слиток (проходе зоны) в передней части будет накапливаться примесь с k > 1, а в хвосте с k < 1. Средняя часть оказывается очищенной, но для этого требуется 5 - 10 проходов зон. Такой метод очистки применим для "низкоплавкого" германия и ряда полупроводниковых соединений, но только для очистки от исходных металлов (алюминий, индий, кадмий).

Схема зонной очистки (от алюминия, индия, кадмия) имеет вид, приведенный на рис.16.

Несмотря на уменьшение расхода германия, его выпуск не снижается. Совершенствование технологии идет в направлении повышения чистоты, создания прецизионных методов легирования, улучшения однородности, выращивания крупногабаритных монокристаллов с диаметром более 300 мм.

Рис.16

Делись добром ;)