Собственные полупроводники - это особый класс полупроводниковых материалов, которые обладают уникальными электрическими и оптическими свойствами. В отличие от легированных полупроводников, в собственных полупроводниках практически отсутствуют примесные атомы. Это определяет их высокое удельное сопротивление и малое количество носителей заряда при комнатной температуре.
Основные свойства собственных полупроводников
Рассмотрим подробнее, какие особенности характерны для собственных полупроводников:
- Низкая концентрация носителей заряда при комнатной температуре (порядка 1010 см-3 для кремния)
- Высокое удельное сопротивление (до нескольких тысяч Ом·см)
- Увеличение концентрации носителей заряда и электропроводности с ростом температуры
- Отсутствие примесей или их очень низкая концентрация (менее 10-8%)
Последнее свойство является определяющим для собственных полупроводников. Именно благодаря высокой чистоте материала они демонстрируют уникальные особенности по сравнению с легированными полупроводниками.
Происхождение носителей заряда
Возникновение носителей заряда в собственных полупроводниках обусловлено тепловым возбуждением электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом для каждого "выбитого" в зону проводимости электрона в валентной зоне остается незанятое место - "дырка". Так образуется электронно-дырочная пара. С увеличением температуры растет вероятность теплового возбуждения и, соответственно, концентрация носителей заряда.
Таким образом, электропроводность собственных полупроводников носит "возбужденный" характер и напрямую зависит от температуры.
Для сравнения: в легированных полупроводниках основным источником носителей заряда являются внедренные в решетку примесные атомы, которые ионизируются уже при комнатной температуре.
Применение собственных полупроводников
Собственные полупроводники находят применение в следующих областях электроники и оптоэлектроники:
- Изготовление чувствительных фотоприемников, работающих в широком диапазоне длин волн
- Создание высокочастотных транзисторов СВЧ-диапазона
- Производство термоэлектрических преобразователей энергии
- Изготовление оптических модуляторов и дефлекторов лазерного излучения
Особенно перспективно использование собственных полупроводников в оптоэлектронике. Например, фотодиоды и фототранзисторы на основе чистого германия или кремния обладают рекордной чувствительностью в инфракрасном диапазоне.
| Параметр | Si | Ge |
| Ширина запрещенной зоны Eg, эВ | 1.12 | 0.67 |
| Подвижность электронов μn, см2/(В·c) | 1350 | 3900 |
| Подвижность дырок μp, см2/(В·c)) | 480 | 1900 |
В таблице приведено сравнение некоторых параметров чистых полупроводниковых материалов - кремния и германия. Видно, что по подвижности носителей заряда германий значительно превосходит кремний. Это делает его перспективным материалом для высокочастотных транзисторов.
Однако технология получения собственных полупроводников довольно сложна. Требуется выращивание монокристаллов с использованием специальных методов очистки от примесей. Это препятствует их массовому применению по сравнению с легированными полупроводниками.
Тем не менее уникальные физические свойства собственных полупроводников открывают им дорогу в передовые области опто- и наноэлектроники, где ценятся высочайшие характеристики материалов.
Особенности электропроводности собственных полупроводников
Как уже отмечалось, электрический ток в полупроводниках собственная проводимость носит "возбужденный" характер. Это означает, что она появляется только при наличии внешних воздействий, таких как нагрев или облучение.
В отсутствие внешних воздействий при абсолютном нуле температуры собственные полупроводники ведут себя как идеальные диэлектрики. В их валентной зоне отсутствуют свободные энергетические состояния, куда могли бы перейти электроны. Поэтому ток в таких полупроводниках равен нулю.
Зависимость проводимости от температуры
Повышение температуры приводит к увеличению концентрации свободных носителей заряда в собственных полупроводниках. Это связано с тепловым возбуждением электронов из валентной зоны в зону проводимости. Так, при 300 К концентрация носителей в кремнии составляет порядка 1010 см-3.
Зависимость от чистоты материала
Любые примеси и дефекты кристаллической решетки собственных полупроводников приводят к появлению дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне. Эти уровни облегчают генерацию носителей заряда и повышают электропроводность материала.
Поэтому для сохранения характерных свойств собственных полупроводников крайне важно обеспечить их высочайшую чистоту. Концентрация легирующих примесей и точечных дефектов должна быть менее 10-8 %. Это крайне сложная технологическая задача.
Собственные полупроводники в приборах
Собственная проводимость полупроводников полупроводниковые приборы основаны на использовании уникальных свойств данных материалов. Рассмотрим наиболее распространенные типы таких приборов.
Фотоприемные устройства
Высокочувствительные фотодиоды и фототранзисторы широко используются в оптоэлектронике. Преимущества собственных полупроводников: широкий спектральный диапазон, низкий уровень собственных шумов, высокий импеданс.
Термоэлектрические преобразователи
Для термоэлектрических модулей Пельтье важна высокая подвижность носителей заряда. Поэтому используют материалы типа чистого германия или кремния с подвижностью в тысячи см2/(В·с).
Высокочастотные транзисторы
В СВЧ транзисторах на основе чистых полупроводников достигаются рекордные значения cut-off частот порядка сотен ГГц. Это определяется высоким значением подвижности носителей заряда.
Технологии получения собственных полупроводников
Для синтеза собственных полупроводников применяются специальные методы выращивания монокристаллов с контролируемым содержанием примесей:
- Метод зонной плавки
- Выращивание из металлургического расплава по методу Чохральского
- Молекулярно-лучевая эпитаксия
Помимо этого используется многоступенчатая очистка от примесей с помощью химических травителей, а также зонная очистка расплавом методом вытягивания кристалла.
Проблемы получения собственных полупроводников
Несмотря на уникальные свойства собственных полупроводников, их применение сдерживается рядом проблем, связанных с технологией получения таких материалов:
Сложность выращивания монокристаллов
Даже современные методы, такие как Чохральского или зонная плавка, не гарантируют получение идеально чистых монокристаллов без дислокаций и примесей. Необходимы дополнительные многоступенчатые процедуры очистки.
Высокая стоимость производства
Из-за сложности технологий выращивания и очистки себестоимость собственных полупроводниковых структур в десятки и сотни раз выше, чем у массовых легированных аналогов. Это ограничивает их применение.
Низкий выход годных структур
Даже небольшое отклонение параметров техпроцесса от оптимальных значений приводит к резкому ухудшению качества полупроводникового материала. В итоге выход годных структур с заданными свойствами составляет лишь несколько процентов.
Перспективные методы получения собственных полупроводников
Для преодоления вышеперечисленных трудностей ведутся работы по разработке новых подходов к выращиванию собственных полупроводников:
Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений
Данный метод позволяет синтезировать высокочистые полупроводниковые слои при относительно невысоких температурах (600-800 °C). Это упрощает контроль параметров роста структуры.
Лазерное структурирование объема монокристалла
Использование сфокусированного лазерного излучения для локального плавления с последующей перекристаллизацией позволяет очищать заданные участки монокристалла от дефектов и примесей.
Выращивание на изолирующей подложке
Применение диэлектрических подложек (например, сапфира) при эпитаксии позволяет уменьшить диффузию примесей в растущий слой собственного полупроводника из объема подложки.
Перспективы применения собственных полупроводников
Несмотря на имеющиеся сложности с получением собственных полупроводников, интерес к их исследованию и применению постоянно растет. Это связано с развитием таких областей, как:
- Сенсорика и метрология
- Быстродействующая опто- и наноэлектроника
- Квантовые и оптические вычисления
- Альтернативная энергетика (солнечные батареи нового поколения)
Решение проблем чистоты и стоимости производства собственных полупроводников откроет им дорогу в высокотехнологичные отрасли индустрии.
