Химия полупроводниковых материалов

Химия полупроводниковых материалов изучает твёрдые тела, проводимость которых находится между металлами и изоляторами и может точно контролироваться составом и легированием, предоставляя материалы, из которых строятся электронные и оптоэлектронные устройства.

Definition

Полупроводник — это твёрдое тело со скромной шириной запрещённой зоны, электрическая проводимость которого может контролироваться в широком диапазоне (на много порядков) температурой и особенно легированием; химия полупроводниковых материалов изучает состав, дефекты и получение таких твёрдых тел.

Scope

Эта тема охватывает химию полупроводниковых твёрдых тел: ширину запрещённой зоны, которая определяет полупроводник, собственную и примесную проводимость, а также легирование элементарных полупроводников, таких как кремний и германий, донорами и акцепторами. Она распространяется на сложные полупроводники — семейства III-V и II-VI — чьи настраиваемые прямые запрещённые зоны подходят для излучения света, а также на методы очистки, выращивания кристаллов и осаждения тонких плёнок, которые производят материалы приборного качества.

Core questions

• Какой диапазон ширины запрещённой зоны определяет полупроводник?
• Как донорные и акцепторные примеси контролируют проводимость и тип носителей заряда?
• Как сложные полупроводники расширяют диапазон доступных ширин запрещённых зон?
• Как очищается и выращивается полупроводниковый материал приборного качества?

Key concepts

• Ширина запрещённой зоны
• Собственные и примесные полупроводники
• Донорное и акцепторное легирование
• Соединения III-V и II-VI
• Прямые и непрямые запрещённые зоны
• Выращивание кристаллов и очистка

Key theories

Собственная и примесная проводимость

В собственном полупроводнике проводимость основана на термически генерируемых электронно-дырочных парах через запрещённую зону; легирование донорными или акцепторными атомами добавляет мелкие состояния, которые поставляют носители выбранного знака, делая проводимость контролируемой составом.

Сложные полупроводники и инженерия запрещённой зоны

Комбинирование элементов из групп III и V или II и VI даёт полупроводники, ширина запрещённой зоны которых и то, является ли она прямой или непрямой, может быть настроена составом, что позволяет разрабатывать материалы, соответствующие конкретным электронным и светоизлучающим функциям.

Mechanisms

Донорные примеси размещают электроны непосредственно под зоной проводимости, а акцепторы — дырки непосредственно над валентной зоной, поэтому умеренная тепловая энергия ионизирует их и фиксирует концентрацию носителей; рекомбинация носителей через прямую запрещённую зону излучает свет, что является основой полупроводниковых источников света.

Clinical relevance

Полупроводниковые материалы являются основой микроэлектроники и оптоэлектроники: легированный кремний используется для изготовления транзисторов и интегральных схем, сложные полупроводники — для изготовления светодиодов, лазерных диодов и фотодетекторов, а чистота и совершенство кристаллов, достигаемые тщательной химической обработкой, определяют производительность устройств.

History

Понимание полупроводников сформировалось примерно в 1947 году с изобретением транзистора, которое показало, что контролируемое легирование кремния и германия может создавать переключаемое, усиливающее устройство. Разработка зонной плавки и выращивания монокристаллов затем обеспечила сверхчистый материал, а сложные полупроводники расширили область применения до излучения света и высокоскоростной электроники.

Key figures

• William Shockley
• John Bardeen
• Walter Brattain

Seminal works

• callister2018
• kittel2005

Frequently asked questions

Как легирование превращает кристалл, выглядящий как изолятор, в полезный проводник?

Добавление крошечного количества элемента с одним лишним или одним недостающим валентным электроном по сравнению с основным материалом вводит мелкие энергетические уровни вблизи краёв зон. Они высвобождают электроны или дырки, которые легко активируются, повышая проводимость на порядки и определяя, осуществляется ли проводимость отрицательными или положительными носителями.

Почему в светоизлучающих устройствах используются сложные полупроводники, а не кремний?

Кремний имеет непрямую запрещённую зону, поэтому рекомбинация электронов и дырок редко приводит к излучению фотона. Многие сложные полупроводники имеют прямые запрещённые зоны, где рекомбинация эффективно производит свет, что делает их предпочтительными материалами для светодиодов и лазерных диодов.