Полупроводник

Полупроводник — это материал, который по своей удельной электропроводности занимает промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами). Основным отличием полупроводников от металлов является сильная зависимость их проводимости от температуры, освещённости, наличия примесей и внешних электрических полей. В чистом виде при низких температурах полупроводники ведут себя как изоляторы, но при повышении температуры или добавлении определённых примесей их проводимость возрастает на несколько порядков. Полупроводники являются основой современной электроники: из них изготавливают диоды, транзисторы, интегральные схемы, солнечные батареи и светодиоды.

История открытия и изучения

Первые наблюдения полупроводниковых свойств относятся к XIX веку. В 1833 году английский физик Майкл Фарадей обнаружил, что электрическое сопротивление сульфида серебра (Ag₂S) уменьшается с ростом температуры, что противоположно поведению металлов. В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун наблюдал выпрямление тока на контакте металла с кристаллом сульфида свинца (галенитом), что стало основой для создания первых кристаллических детекторов.

В 1920-х годах советский физик Олег Лосев, работая в Нижегородской радиолаборатории, открыл эффект электролюминесценции в карбиде кремния (SiC) и создал первый светодиод. Он также исследовал свойства кристаллических детекторов и обнаружил возможность генерации и усиления электрических колебаний на полупроводниковом контакте (кристадин).

Теоретическое объяснение полупроводниковых явлений стало возможным после создания квантовой механики. В 1931 году английский физик Алан Уилсон разработал зонную теорию твёрдого тела, которая объяснила различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками на основе энергетических зон.

В 1947 году в лаборатории Bell Labs (США) Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли создали первый точечный транзистор, за что в 1956 году получили Нобелевскую премию по физике. Это изобретение положило начало полупроводниковой электронике. В 1958 году Джек Килби (Texas Instruments) и Роберт Нойс (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга разработали первую интегральную схему, объединив несколько транзисторов на одной подложке.

В СССР систематические исследования полупроводников начались в 1930-х годах в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе. Академик Абрам Иоффе внёс значительный вклад в понимание физики полупроводников и создал научную школу. В 1950-х годах советские учёные разработали технологию выращивания монокристаллов германия и кремния, а также создали первые отечественные транзисторы и диоды.

Физические основы

Зонная структура

Согласно зонной теории, электроны в твёрдом теле могут находиться в определённых энергетических диапазонах — зонах. Валентная зона заполнена электронами, участвующими в химических связях. Зона проводимости — это диапазон энергий, в котором электроны могут свободно перемещаться по кристаллу. Между ними находится запрещённая зона — область энергий, в которой электроны находиться не могут.

Для металлов валентная зона и зона проводимости перекрываются, поэтому электроны могут свободно двигаться даже при низких температурах. Для диэлектриков ширина запрещённой зоны превышает 3–4 эВ, что делает их практически непроводящими. Полупроводники занимают промежуточное положение: ширина их запрещённой зоны составляет от 0,1 до 3 эВ. Например, у германия (Ge) ширина запрещённой зоны составляет 0,67 эВ, у кремния (Si) — 1,12 эВ, у арсенида галлия (GaAs) — 1,43 эВ.

Собственная проводимость

При температуре абсолютного нуля (0 К) все электроны в полупроводнике находятся в валентной зоне, и материал является изолятором. При повышении температуры часть электронов получает энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне при этом образуется незанятое место — дырка, которая ведёт себя как положительный заряд. Электроны и дырки, возникающие парами, называются собственными носителями заряда. Проводимость, обусловленная только тепловым возбуждением, называется собственной проводимостью.

Примесная проводимость

Добавление в полупроводник атомов других элементов (легирование) позволяет контролировать его проводимость. Различают два типа примесей:

• Донорные примеси — атомы с большим числом валентных электронов, чем у основного материала. Например, добавление фосфора (5 валентных электронов) в кремний (4 валентных электрона) приводит к появлению лишнего электрона, который слабо связан с атомом и легко переходит в зону проводимости. Такой полупроводник называется электронным (n-типа).
• Акцепторные примеси — атомы с меньшим числом валентных электронов. Добавление бора (3 валентных электрона) в кремний создаёт недостаток электрона, то есть дырку. Такой полупроводник называется дырочным (p-типа).

Примесная проводимость значительно превышает собственную при комнатной температуре, поэтому именно она используется в большинстве полупроводниковых приборов.

p-n-переход

Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости (p- и n-области) образует p-n-переход — основной элемент большинства полупроводниковых приборов. В области контакта происходит диффузия электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область, в результате чего образуется обеднённый слой, лишённый свободных носителей заряда. Этот слой обладает высоким сопротивлением.

При подаче внешнего напряжения определённой полярности (прямое смещение) обеднённый слой сужается, и ток через переход возрастает. При обратном смещении обеднённый слой расширяется, и ток практически не протекает. Таким образом, p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости — выпрямляет переменный ток.

Классификация полупроводников

По химическому составу

• Элементарные полупроводники — состоят из одного химического элемента. К ним относятся кремний (Si), германий (Ge), селен (Se), теллур (Te), а также углерод в форме алмаза.
• Бинарные соединения — состоят из двух элементов. Наиболее распространены соединения типа A³B⁵ (арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, антимонид индия InSb) и A²B⁶ (сульфид кадмия CdS, селенид цинка ZnSe, теллурид кадмия CdTe).
• Тройные и многокомпонентные соединения — например, твердые растворы GaAlAs, InGaAsP, используемые в оптоэлектронике.
• Оксидные полупроводники — оксид цинка (ZnO), оксид меди (Cu₂O), диоксид титана (TiO₂).
• Органические полупроводники — полимеры (полиацетилен, полипиррол) и низкомолекулярные соединения (пентацен, фуллерены), используемые в гибкой электронике.

По типу проводимости

• Собственные полупроводники (i-типа) — без примесей, проводимость обусловлена только тепловым возбуждением.
• Электронные полупроводники (n-типа) — с донорными примесями, основные носители — электроны.
• Дырочные полупроводники (p-типа) — с акцепторными примесями, основные носители — дырки.

По ширине запрещённой зоны

• Узкозонные (менее 0,5 эВ) — используются в инфракрасных детекторах и термоэлектрических генераторах (InSb, HgCdTe).
• Среднезонные (0,5–2,0 эВ) — кремний, германий, арсенид галлия — основа микроэлектроники.
• Широкозонные (более 2,0 эВ) — карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), алмаз — применяются в силовой электронике и светодиодах.

Основные полупроводниковые материалы

Кремний (Si)

Кремний является основным материалом современной микроэлектроники. Его преимущества: широкая распространённость в земной коре (второй по распространённости элемент после кислорода), высокая химическая стабильность, возможность выращивания крупных монокристаллов (до 300 мм в диаметре) и формирования тонких плёнок диоксида кремния (SiO₂), используемого в качестве изолятора. Кремний используется для производства транзисторов, диодов, интегральных схем, микропроцессоров и солнечных батарей. Недостаток — непрямая зонная структура, что делает его неэффективным для оптоэлектронных приборов (светодиодов и лазеров).

Германий (Ge)

Германий был первым материалом, использованным для создания транзисторов. Он обладает более высокой подвижностью носителей заряда, чем кремний, но имеет меньшую ширину запрещённой зоны, что ограничивает его применение при высоких температурах. В настоящее время германий используется в высокочастотной электронике, инфракрасной оптике и в комбинации с кремнием (SiGe-гетероструктуры).

Арсенид галлия (GaAs)

Арсенид галлия относится к соединениям A³B⁵. Он обладает прямой зонной структурой, что позволяет эффективно преобразовывать электрическую энергию в свет и наоборот. GaAs используется в светодиодах, лазерных диодах, высокочастотных транзисторах и солнечных батареях для космических аппаратов. Подвижность электронов в GaAs в 5–6 раз выше, чем в кремнии, что позволяет создавать более быстродействующие приборы.

Карбид кремния (SiC)

Карбид кремния — широкозонный полупроводник (3,3 эВ для политипа 4H-SiC). Он обладает высокой теплопроводностью, химической стойкостью и способностью работать при высоких температурах (до 600 °C) и напряжениях. SiC используется в силовой электронике (высоковольтные диоды Шоттки, полевые транзисторы), светодиодах синего и ультрафиолетового диапазона, а также в качестве подложек для эпитаксии нитрида галлия.

Нитрид галлия (GaN)

Нитрид галлия — широкозонный полупроводник (3,4 эВ). Он является основой для создания синих и белых светодиодов, за что Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура получили Нобелевскую премию по физике в 2014 году. GaN также используется в лазерных диодах, высокочастотных и мощных транзисторах (HEMT).

Применение

Микроэлектроника

Полупроводники являются основой интегральных схем, содержащих миллиарды транзисторов на одном кристалле. Транзисторы, изготовленные на основе кремния, выполняют функции ключей и усилителей в процессорах, микроконтроллерах, оперативной и постоянной памяти. Современные технологии литографии позволяют создавать элементы размером в несколько нанометров.

Силовая электроника

Полупроводниковые приборы на основе кремния, карбида кремния и нитрида галлия используются для преобразования и управления электрической энергией. К ним относятся силовые диоды, тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы (MOSFET). Они применяются в источниках бесперебойного питания, электроприводах, преобразователях частоты, зарядных станциях для электромобилей и системах возобновляемой энергетики.

Оптоэлектроника

Полупроводниковые материалы с прямой зонной структурой используются для создания светодиодов (LED), лазерных диодов, фотодетекторов и солнечных батарей. Светодиоды на основе GaN и GaAs обеспечивают эффективное преобразование электричества в свет и широко применяются в освещении, дисплеях и оптической связи. Солнечные батареи на основе кремния являются основным источником возобновляемой электроэнергии.

Датчики и сенсоры

Полупроводники используются в различных типах датчиков: температуры (термисторы), давления (тензорезисторы), освещённости (фоторезисторы), магнитного поля (датчики Холла), газов (сенсоры на основе оксидов металлов). Высокая чувствительность и миниатюрные размеры позволяют интегрировать их в мобильные устройства и системы Интернета вещей.

Термоэлектричество

Некоторые полупроводники (теллурид висмута Bi₂Te₃, теллурид свинца PbTe) обладают высоким коэффициентом термо-ЭДС и используются в термоэлектрических генераторах и холодильниках. Эти устройства преобразуют разность температур в электричество и наоборот.

Технологии производства

Выращивание монокристаллов

Основным методом получения монокристаллов кремния является метод Чохральского. Расплавленный кремний высокой чистоты (99,9999%) контактирует с затравкой, которая медленно вытягивается вверх, формируя цилиндрический монокристалл. Для получения слитков диаметром до 300 мм используются специальные установки. Германий и арсенид галлия также выращиваются методом Чохральского или методом Бриджмена.

Эпитаксия

Эпитаксия — это процесс наращивания тонких слоёв полупроводника на подложку, при котором кристаллическая структура слоя повторяет структуру подложки. Различают молекулярно-лучевую эпитаксию (МЛЭ) и газофазную эпитаксию (MOCVD). Эти методы позволяют создавать многослойные гетероструктуры с атомарной точностью, необходимые для лазеров, светодиодов и высокочастотных транзисторов.

Планарная технология

Планарная технология — основной метод изготовления интегральных схем. Она включает последовательность операций: окисление, фотолитографию, травление, легирование (ионная имплантация или диффузия), осаждение тонких плёнок. Все операции проводятся на поверхности пластины, что позволяет создавать сложные многослойные структуры.

Экологические аспекты

Производство полупроводников требует использования большого количества химических веществ, воды и электроэнергии. В процессе фотолитографии и травления образуются токсичные отходы. Утилизация электронных отходов, содержащих полупроводниковые компоненты, является серьёзной экологической проблемой. В то же время полупроводниковые технологии способствуют снижению энергопотребления устройств и развитию возобновляемой энергетики (солнечные батареи).

Источники

• Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. — М.: Наука, 1978.
• Смит Р. Полупроводники. — М.: Мир, 1982.
• Иоффе А. Ф. Физика полупроводников. — М.: Издательство АН СССР, 1957.
• Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
• Мосс Т., Баррел Дж., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. — М.: Мир, 1976.
• Большая советская энциклопедия. Том 20. — М.: Советская энциклопедия, 1975.