Свойства кремния

Кристаллический кремний - темно-серое твердое и хрупкое ве­щество с металлическим блеском, химически довольно инертное. Как и германий, он кристаллизуются в сложную кубическую про­странственную решетку типа алмаза, в которой все атомы располо­жены на одинаковом расстоянии друг от друга. На внешней валентной оболочке атома крем­ния расположены четыре электрона.

Основной параметр полупроводниковых приборов - ширина запретной зоны при температуре 20°С W= 1, 12 эВ. Это позволяет создавать кремниевые полупроводниковые приборы с относитель­но высокой рабочей температурой (до 125°С). Верхний темпера­турный предел работы кремниевых приборов достигает 200 °С.

Концентрация собственных носителей зарядов при комнатной температуре n_i = 3× 10¹⁶ м^-3. Удельное электрическое сопротивление кремния с собственной электропроводностью = 2, 3× 10³ Ом-м, резко уменьшается при увеличении концентрации примесей. При низких температурах (Т < 6, 7 К) и высоких давлениях (Р > 12 ГПа) кремний переходит в сверхпроводящее состояние, т. е. удельное элек­трическое сопротивление кремния уменьшается до нуля.

При использовании монокристаллического кремния в полупро­водниковом производстве имеют место большие потери этого ма­териала. Это связано с тем, что большинство полупроводниковых приборов основано на процессах, происходящих в очень узких гра­ничных или поверхностных слоях полупроводника. Остальной объем монокристалла является паразитной частью и чаще всего ухудшает параметры прибора. Большая часть материала теряется при механической обработке слитков (резке на пластины, шлифов­ке, полировке и т.д.).

С целью уменьшения этих потерь в полупроводниковом произ­водстве применяют кремний в виде монокристаллических тонких слоев, которые осаждают на объемные монокристаллы, которые на­зывают подложками.

Такие монокристаллические слои, сохраняющие кристаллогра­фическую ориентацию подложки, называют эпитаксиалъными. В ка­честве подложек используют монокристаллы кремния, сапфира, ко­рунд и др.

В зависимости от характера влияния на тип электропроводности примеси делят на нейтральные, донорные, акцепторные и создающие в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни.

К нейтральным примесям кремния относят водород, азот, инерт­ные газы, а также элементы IV группы Периодической системы хи­мических элементов Д.И.Менделеева (германий, олово, свинец).

Основными донорными примесями являются элементы V группы Периодической системы химических элементов Д.И.Мен­делеева (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут).

В качестве акцепторной примеси для кремния в основном используют элементы III группы Периодической системы химичес­ких элементов Д.И.Менделеева (бор, алюминий).

Элементы I, II, VI, VII гpyпп создают в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни и могут быть донорами и акцепторами. В качестве таких примесей чаще всего применяют золото и цинк. При легировании золотом в крем­нии образуются дополнительные центры рекомбинации носителей заряда, что уменьшает время жизни неравновесных носителей за­ряда.

Легирование кремния производят в процессе получения объем­ных монокристаллов и эпитаксиальных пленок.

Взаимодействие кремния с другими материалами зависит от температуры. Кристаллический кремний при низких температурах химически инертен, при комнатной температуре он химически ус­тойчив. При нагревании до температуры 200...700 °С он соединя­ется с галогенами, образуя галогениды кремния (SiQ₄, SiJ₄, SiBr₄, SiF и др.).

На воздухе при нагревании до температуры 900 °С кремний ус­тойчив, выше температуры 900 °С он интенсивно окисляется с об­разованием двуокиси кремния. При температуре 1100...1300°С кремний взаимодействует с азотом, образуя нитрид кремния Si₃N₄, и углеродом, образуя карбид кремния SiC.

ДИЭЛЕКТРИКИ

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровож­дается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика. В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обусловливающие воз­никновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его по­верхности. Наличие сквозного тока объясняется явление электро­проводности технического диэлектрика, численно характеризуемой значениями удельной объемной электрической проводимости и удельной поверхностной электрической проводимости, являющимися об­ратными соответствующим значениям удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений.

Любой диэлектрик может быть использован только при напря­жениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих пре­дельных значений наступает пробой диэлектрика — полная потеря им диэлектрических свойств.

Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлек­трика, называется пробивным напряжением, а соответствующее зна­чение напряженности внешнего однородного электрического поля — электрической прочностью диэлектрика.