¿Qué son los materiales semiconductores?

Autor: Entrada el 2004-3-5 11:44:48 Leído 3037 veces.

(Material semiconductor) Las sustancias con conductividad eléctrica entre conductores y aislantes se denominan semiconductores. El material semiconductor es un material electrónico con propiedades semiconductoras que se puede utilizar para fabricar dispositivos semiconductores y electrónica integrada. Su rango de conductividad es de 10 (U-3) a 10 (U-9) ohmios/cm. Las propiedades eléctricas de los materiales semiconductores son muy sensibles a los cambios en factores externos como la luz, el calor, la electricidad y el magnetismo. La conductividad de dichos materiales se puede controlar dopando una pequeña cantidad de impurezas en los materiales semiconductores. Precisamente aprovechando estas propiedades de los materiales semiconductores se fabrican dispositivos semiconductores con diversas funciones. Los materiales semiconductores son la base de la industria de los semiconductores y su desarrollo tiene un gran impacto en el desarrollo de la tecnología de semiconductores. Los materiales semiconductores se pueden dividir a grandes rasgos en las siguientes categorías según su composición química y estructura interna. 1. Los elementos semiconductores incluyen germanio, silicio, selenio, boro, telurio, antimonio, etc. En la década de 1950, el germanio era el principal semiconductor. Sin embargo, los dispositivos semiconductores de germanio tenían poca resistencia a las altas temperaturas y a la radiación. A finales de la década de 1960, fueron reemplazados gradualmente por materiales de silicio. Los dispositivos semiconductores hechos de silicio tienen buena resistencia a las altas temperaturas y a la radiación, y son particularmente adecuados para fabricar dispositivos de alta potencia. Por tanto, el silicio se ha convertido en el material conductor más utilizado. Actualmente, la mayoría de los circuitos integrados están fabricados en silicio. 2. Los semiconductores compuestos son materiales semiconductores formados mediante la combinación de dos o más elementos. Hay muchos tipos de arseniuro de galio, fosfuro de indio, antimonuro de indio, carburo de silicio, sulfuro de cadmio y arseniuro de galio-silicio. Entre ellos, el arseniuro de galio es un material importante para la fabricación de dispositivos de microondas y circuitos integrados. El carburo de silicio se usa ampliamente en la tecnología aeroespacial debido a su fuerte resistencia a la radiación, resistencia a altas temperaturas y buena estabilidad química. 3. Material semiconductor amorfo El vidrio utilizado como semiconductor es un material semiconductor amorfo, que se puede dividir en vidrio óxido y vidrio no óxido. Este tipo de material tiene buenas propiedades de conmutación y memoria y una fuerte resistencia a la radiación. Se utiliza principalmente para fabricar interruptores de umbral, interruptores de memoria y dispositivos de visualización de estado sólido. 4. Materiales conductores orgánicos Hay docenas de materiales semiconductores orgánicos conocidos, incluidos naftaleno, antraceno, poliacrilonitrilo, ftalocianina y algunos compuestos aromáticos, que aún no se han utilizado.

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Dispositivos electrónicos de estado sólido fabricados principalmente con materiales semiconductores amorfos. Aunque la disposición molecular general de los semiconductores amorfos es desordenada, todavía tienen una microestructura monocristalina y, por lo tanto, tienen muchas propiedades especiales. En 1975, el británico W.G. Speer dopó con éxito una película de silicio amorfo preparada mediante descomposición de silano por descarga luminosa, lo que cambió la resistividad de la película de silicio amorfo en 10 órdenes de magnitud y promovió el desarrollo y la aplicación de dispositivos semiconductores amorfos. En comparación con los materiales monocristalinos, los materiales semiconductores amorfos tienen un proceso de preparación simple, no tienen requisitos especiales para la estructura del sustrato, son fáciles de cultivar en áreas grandes, tienen grandes cambios de resistividad después del dopaje y pueden convertirse en varios dispositivos. Las células solares de silicio amorfo tienen grandes coeficientes de absorción, alta eficiencia de conversión y grandes áreas. Se han utilizado en calculadoras, relojes electrónicos y otros productos. Las matrices de transistores de efecto de campo de película delgada de silicio amorfo se pueden utilizar como interruptores de dirección para paneles de cristal líquido de gran superficie. Se han aplicado a computadoras o sistemas de control dispositivos que registran y almacenan información optoelectrónica mediante la transformación estructural de algunos materiales semiconductores amorfos de calcogenuro. Las propiedades de fotoconductividad y almacenamiento de carga de las películas amorfas se pueden utilizar para producir fotorreceptores para fotocopiadoras electrostáticas y superficies objetivo de tubos de cámaras de televisión para la conversión fotoeléctrica de imágenes estáticas.

Materiales amorfos con propiedades semiconductoras. El semiconductor amorfo es un componente importante de los semiconductores. En la década de 1950, B.T. Kolomiyets y otros comenzaron a estudiar los vidrios de calcogenuro, pero pocas personas en ese momento le prestaron atención. No fue hasta la publicación de la patente de S.R. Ovschensky sobre el uso de películas de calcogenuro para producir dispositivos de conmutación en 1968 que la gente se interesó por los semiconductores amorfos. En 1975, W.E. Speer y otros lograron el efecto dopante en silicio amorfo preparado mediante el método de descomposición por descarga luminosa de silano, lo que permitió controlar la conductancia y crear uniones PN, abriendo así amplias perspectivas para la aplicación de materiales de silicio amorfo. Teóricamente, P.W. Anderson, Mott y N.F. establecieron la teoría electrónica de los semiconductores amorfos y ganaron el Premio Nobel de Física 65438-0977. En la actualidad, la investigación sobre semiconductores amorfos se está desarrollando rápidamente tanto en teoría como en aplicación.

Clasificación Actualmente existen dos tipos principales de semiconductores amorfos.

Vidrio de azufre. Semiconductor amorfo que contiene elementos calcógenos. Por ejemplo, As-Se y As-S generalmente se preparan mediante enfriamiento por fusión o deposición de vapor.

Semiconductor amorfo con enlaces tetraédricos. Por ejemplo, silicio amorfo, germanio, GaAs, etc. El estado amorfo de este material sólo se puede obtener mediante deposición de película delgada (como evaporación, pulverización catódica, descarga luminiscente o deposición química de vapor, etc.). ).Mientras la temperatura del sustrato sea lo suficientemente baja, la película depositada es amorfa. Las propiedades de los materiales semiconductores amorfos con enlaces tetraédricos están estrechamente relacionadas con el proceso y las condiciones de preparación. Figura 1: El coeficiente de absorción óptica del silicio amorfo preparado mediante diferentes métodos muestra el espectro del coeficiente de absorción óptica del silicio amorfo preparado mediante diferentes procesos. A y B se preparan mediante el método de descomposición por descarga luminosa de silano y la temperatura del sustrato es de 500 K y 300 K respectivamente. C se preparó mediante el método de pulverización catódica y D se preparó mediante el método de evaporación. La conductividad eléctrica y la fotoconductividad del silicio amorfo también están estrechamente relacionadas con el proceso de preparación. De hecho, el silicio amorfo preparado mediante el método de descarga luminosa de silano contiene una gran cantidad de H y a veces se denomina aleación amorfa de Si-H. Las diferentes condiciones del proceso y los diferentes contenidos de hidrógeno afectan directamente el rendimiento del material.

Por el contrario, las propiedades de los vidrios de calcogenuro tienen poco que ver con el método de preparación. La Figura 2 muestra un ejemplo típico del espectro del coeficiente de absorción óptica de películas pulverizadas depositadas con vapor y cristales en masa templados en fusión. Las curvas espectrales del coeficiente de absorción de luz de las muestras de cuarzo preparadas mediante el método de enfriamiento por fusión y el método de pulverización catódica son las mismas.

La estructura electrónica de los semiconductores amorfos Los semiconductores amorfos y los semiconductores cristalinos tienen estructuras de bandas de energía básicas similares, incluidas la banda de conducción, la banda de valencia y la banda prohibida (ver bandas de energía de los sólidos). La estructura básica de bandas de un material depende principalmente de la situación cerca de los átomos y puede explicarse cualitativamente mediante el modelo de enlace químico. Tomando como ejemplo Ge y Si amorfos con enlaces tetraédricos, los cuatro electrones de valencia en Ge y Si tienen hibridación sp y se forma un enlace de valencia entre los electrones de valencia de átomos adyacentes. El estado de enlace corresponde al estado de antienlace; Corresponde a la banda de conducción. Ya sea que Ge y Si estén en estado cristalino o amorfo, el método de enlace básico es el mismo. Sin embargo, en el estado amorfo, el ángulo y la longitud del enlace tienen un cierto grado de distorsión, por lo que sus estructuras de banda básicas son similares. Sin embargo, en los semiconductores amorfos existe una diferencia esencial entre el estado electrónico y el estado cristalino. La estructura de los semiconductores cristalinos está ordenada periódicamente o tiene simetría traslacional. La función de onda del electrón es la función de Bloch y el vector de onda es un número cuántico relacionado con la simetría traslacional. Los semiconductores amorfos no tienen periodicidad y ya no son buenos números cuánticos. El movimiento de los electrones en los semiconductores cristalinos es relativamente libre y el camino libre medio del movimiento de los electrones es mucho mayor que la distancia atómica. La distorsión de los defectos estructurales en los semiconductores amorfos reduce en gran medida el camino libre medio de los electrones. Cuando el camino libre medio se acerca al orden de magnitud del espaciamiento atómico, el concepto de movimiento de deriva de electrones establecido en los semiconductores cristalinos pierde sentido. El cambio en la densidad de estado en el borde de la banda de los semiconductores amorfos no es tan pronunciado como el de los semiconductores cristalinos, pero existen diversos grados de colas de banda (como se muestra en la Figura 3, la relación entre la densidad de estado y la energía de los semiconductores amorfos). Los estados electrónicos en la banda de energía de los semiconductores amorfos se pueden dividir en dos categorías: uno se llama estado extendido y el otro se llama estado localizado. Cada electrón en estado estirado está ocupado por todo el sólido y se puede encontrar en toda la escala del sólido; su movimiento en el campo externo es similar al movimiento de los electrones en un cristal, cada electrón en estado localizado está básicamente confinado; a cierta Dentro de una región, su función de onda de estado solo puede ser significativamente diferente de cero en una pequeña escala cerca de cierto punto. Necesitan la ayuda de fonones para la conducción de salto. En la banda de energía, la parte central de la banda es el estado extendido y la cola de la banda es el estado local. Existe un límite entre ellos, como la suma del estado extendido, el estado localizado y el borde de movilidad del semiconductor amorfo en la Figura 4. Este límite se llama borde de movilidad. En 1960, Mott propuso por primera vez el concepto de bordes de movilidad. Si se piensa en la movilidad como una función de la energía del estado electrónico, Mott sugirió que hay un cambio repentino en la movilidad en el límite. Los electrones en el estado localizado son conductores saltadores. Saltan de un estado localizado a otro intercambiando energía con la vibración de la red. Por lo tanto, cuando la temperatura se acerca a 0 K, la movilidad de los electrones en el estado localizado tiende a cero. La conducción de electrones en el estado extendido es similar a la de los cristales. La movilidad tiende a un valor finito cuando se acerca a 0 K. Mott cree además que el borde de movilidad corresponde a la situación en la que el camino libre medio del electrón se acerca al espaciado atómico, y La conductancia en este caso se define como la conductividad mínima de metalización. Sin embargo, persiste la controversia en torno al borde de movilidad y la conductividad mínima de metalización.

En comparación con los semiconductores cristalinos, los semiconductores amorfos defectuosos tienen muchos defectos. Estos defectos introducen una serie de niveles de energía locales en la banda prohibida, que tienen un impacto importante en las propiedades eléctricas y ópticas de los semiconductores amorfos. Los semiconductores amorfos con enlaces tetraédricos y los vidrios de calcogenuro tienen diferencias significativas en los defectos.

Los defectos del silicio amorfo son principalmente vacantes y microcavidades. Hay cuatro electrones de valencia en la capa exterior de un átomo de silicio. En circunstancias normales, debería formar cuatro enlaces de valencia con cuatro átomos de silicio adyacentes. La presencia de vacantes y microhuecos deja a algunos átomos de silicio con cuatro átomos vecinos insuficientes, creando algunos enlaces colgantes, con un electrón libre en un enlace colgante neutro. Un enlace colgante tiene dos posibles estados cargados: liberar un electrón libre para convertirse en un centro cargado positivamente, que es el estado donante, aceptar un segundo electrón como centro negativo, que es el estado aceptor. Sus niveles de energía correspondientes están dentro de la banda prohibida y se denominan nivel de energía donante y nivel de energía aceptor respectivamente. Debido a que el estado aceptor representa dos electrones en el enlace colgante, la repulsión de Coulomb entre los dos electrones hace que el nivel de energía del aceptor sea más alto que el nivel de energía del donante, lo que se denomina energía de correlación positiva. Así, en circunstancias normales, el enlace colgante permanece en un estado neutro ocupado por un solo electrón. En el experimento se observó la vibración de espín * * * del electrón desapareado en el enlace colgante. En 1975, Speer et al. se dieron cuenta por primera vez del efecto dopante del silicio amorfo mediante una descarga luminosa de silano. Debido a que el silicio amorfo preparado mediante este método contiene una gran cantidad de hidrógeno, la combinación de hidrógeno y enlaces colgantes reduce en gran medida el número de estados defectuosos. . Estos defectos también son centros de recombinación eficaces. Para mejorar la vida útil de los soportes desequilibrados, también se debe reducir la densidad de estados defectuosos. Por lo tanto, controlar los defectos en el silicio amorfo se ha convertido en una de las cuestiones clave en la preparación de materiales.

La forma de los defectos en los vidrios de calcogenuro no son simples enlaces colgantes, sino "pares de valencia". Originalmente se descubrió que el vidrio de calcogenuro se diferencia del silicio amorfo en que no se puede observar la vibración de espín de los electrones defectuosos. En respuesta a esta aparente anomalía, Mott et al. propusieron el modelo MDS basado en la hipótesis de correlación negativa de Anderson. Cuando un estado defectuoso ocupa dos electrones, provoca una distorsión de la red. Si la energía reducida por el giro excede la energía de repulsión de Coulomb entre electrones, se exhibirá una energía de correlación negativa, lo que significa que el nivel de energía del aceptor está por debajo del nivel de energía del donante. D, D y D representan respectivamente los estados de electrones no ocupados, uno ocupado y dos ocupados en el defecto.

La correlación negativa puede significar:

2D——→D+D

liberará calor. Por lo tanto, los defectos existen principalmente en la forma de D y D. No hay electrones desapareados, por lo que no hay vibración de espín de los electrones. Mucha gente ha analizado la estructura de los defectos D, D y D. Tomemos como ejemplo el selenio amorfo. El selenio tiene seis electrones de valencia, que pueden formar dos enlaces de valencia, generalmente en una estructura de cadena. Los otros dos electrones P no unidos se denominan pares de electrones libres. Hay un enlace colgante neutro al final de la cadena, que probablemente esté retorcido, se combina con el enlace de par solitario adyacente y libera un electrón (tipo D), y el electrón liberado se combina con otro enlace colgante para formar un par solitario (tipo D). tipo) tipo), como se muestra en la Figura 5. Precio pares de vasos de calcogenuro. Por lo tanto, este tipo de D y D también se denomina par conmutativo. Debido a la gravedad de Coulomb, D y D generalmente se juntan en pares, formando un par de valencia apretado. Siempre que el método de enlace en el vidrio de calcogenuro cambie ligeramente, se puede formar un grupo de pares de valencia cercanos, como se muestra en el efecto de autorrefuerzo de los pares de valencia en la Figura 6. Este efecto de autorrefuerzo requiere muy poca energía y tiene efectos de autorrefuerzo. propiedades de refuerzo, por lo que la concentración de tales defectos suele ser alta. El modelo de par de valencia se puede utilizar para explicar una serie de fenómenos experimentales como el espectro de fotoluminiscencia y el espín del fotoelectrón * * * vibración de semiconductores amorfos de calcogenuro.

La aplicación de semiconductores amorfos tiene un gran potencial en el campo técnico. El azufre amorfo se ha utilizado ampliamente durante mucho tiempo en la tecnología de fotocopiado. Se ha producido comercialmente el semiconductor de vidrio As-Te-Ge-Si, del que fue pionero S.R. Ovsinski, y se están desarrollando memorias ópticas fabricadas utilizando las propiedades de películas microcristalinas de telurio vitrificadas por pulsos de luz. Actualmente, la aplicación más investigada del silicio amorfo son las células solares. En comparación con el silicio cristalino, el proceso de preparación del silicio amorfo es más sencillo y fácil de producir en grandes áreas. El silicio amorfo absorbe la luz solar de manera muy eficiente y el dispositivo solo requiere una película delgada de material con un espesor de aproximadamente 1 micrón. Por tanto, es posible fabricar células solares baratas, lo que ha llamado la atención de los expertos en energía. Recientemente, ha habido intentos de utilizar transistores de efecto de campo de silicio amorfo en pantallas de cristal líquido y circuitos integrados.