Физико-химические свойства полупроводниковых материалов

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
 
 
 
 
В.И. Ермолаева, Н.Н. Двуличанская,  
В.М. Горшкова 
 
 
 
Физико-химические свойства 
полупроводниковых материалов 
 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по приборостроительным специальностям 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана  
2006 

 

УДК 531.311.33 (075.8) 
ББК 31.233 
       Е72 
Рецензенты: А.Н. Захаров, В.А. Чащин  
Ермолаева В.И., Двуличанская Н.Н., Горшкова В.М.  
Физико-химические свойства полупроводниковых материалов: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 
43 с.; ил. 
 ISBN 5-7038-2825-2 
Описаны физико-химические свойства элементарных полупроводников (кремний, германий) и полупроводниковых соединений типа 
АIIIВV и АIIВVI, механизм возникновения собственной  и примесной 
проводимости, методы получения и очистки полупроводниковых материалов, химические реакции, протекающие при их взаимодействии с 
различными веществами, в том числе при травлении. 
Для студентов приборостроительных специальностей технических 
университетов, изучающих базовый курс химии, также может быть полезно студентам старших курсов. 
Ил. 13. Табл. 4. Библиогр. 8 назв. 
 
УДК 537.311.33 (075.8) 
                                                  ББК 31.233 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 5-7038-2825-2                                © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 

Е72 

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшая задача химии и физики полупроводников заключается в создании новых полупроводниковых материалов. Еще в
1960-е годы в радиоэлектронике применялись только кремний и
германий. А в настоящее время в промышленной электронике и
радиотехнике помимо кремния и германия нашли широкое применение полупроводниковые соединения: антимонид индия, арсенид
галлия, фосфиды индия и галлия, халькогениды цинка, кадмия,
ртути, свинца, висмута, сурьмы, карбид кремния и др.
В ряде случаев полупроводниковые устройства, изготовленные
из химических соединений, по своим характеристикам превосходят приборы из элементарных полупроводников. Так, диоды, фотоэлементы и туннельные диоды из арсенида галлия обладают рядом преимуществ по сравнению с теми же приборами из германия
и кремния. В 1962 году советские ученые Б.М. Вул, Д.Н. Наследов,
С.М. Рывкин и другие создали новый полупроводниковый лазер на
основе арсенида галлия. В конце 1960-х годов на арсениде галлия
американским ученым Ганном был открыт эффект, носящий теперь его имя, который дает возможность генерировать в кристалле
волны очень высокой частоты.
Для изготовления полупроводниковых приборов используют
как монокристаллы, так и поликристаллические материалы. Монокристаллы представляют собой более простые системы, имеющие
однородную кристаллическую структуру, они наиболее изучены,
физические явления в них лучше поддаются расчетам, устройства
на их основе обладают большей надежностью.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Все полупроводниковые материалы подразделяются на элементарные полупроводники (химические элементы) и химические
соединения. В Периодической системе Д.И. Менделеева элементы,
обладающие полупроводниковыми свойствами, расположены в
группах IIIА (бор); IVА (углерод, кремний, германий, олово); VА
(фосфор, мышьяк, сурьма, висмут); VIА (сера, селен, теллур); VIIА
(йод).
Элементарные полупроводники относятся к p-элементам, их
валентные электроны занимают s- и p-подуровни внешнего энергетического уровня: IIIA группа – ns2np1, IVA – ns2np2, VA – ns2np3,
VIA – ns2np4, VIIA – ns2np5, где n – главное квантовое число, численно равное номеру периода, в котором находится элемент в Периодической системе. Между положением элемента в Периодической системе и его свойствами имеется определенная связь,
обусловленная периодическим законом Д.И. Менделеева: ширина
запрещенной зоны (энергия активации проводимости), например,
возрастает по периоду (табл. 1) и уменьшается по группе (табл. 2).

                                Таблица 1                                     Таблица 2
Группа
Элемент
∆Е, эВ
Период
Элемент
∆Е, эВ

IVA
C (алмаз)
5,6
3
Si
1,12

IVA
Si
1,12
3
P
1,5

IVA
Ge
0,665
3
S
2,5

IVA
α-Sn
0,08
4
Ge
0,665

VA
P
1,5
4
As
1,2

VA
As
1,2
4
Se
1,8

VA
Sb
0,12

Из обширных экспериментальных исследований известно, что
вещество обладает полупроводниковыми свойствами, если обеспечиваются условия образования насыщенных двухэлектронных
связей хотя бы у одного из компонентов.
В элементарных полупроводниках ковалентная связь образуется заполнением s- и p-орбиталей атомов. Эти полупроводники
подчиняются так называемому правилу октета:

К = 8 – N,                                                (1)

согласно которому атом в ковалентном кристалле имеет 8 – N
ближайших соседей, определяющих координационное число К,
а N соответствует номеру группы периодической системы
Д.И. Менделеева, в которой находится элемент.
 Так, кремний, германий и α-олово имеют координационное
число 4 (N = 4) и являются электронными аналогами, электронные
конфигурации их внешнего уровня одинаковы: Si – 3s23p2, Ge –
4s24p2, Sn – 5s25p2, что определяет сходство в физико-химических
свойствах. Поскольку симметрия s- и p-атомных орбиталей различна (s-орбиталь имеет сферическую форму, а p-орбиталь – форму гантели), предполагается, что при образовании в кристалле
одинаковых по энергии и длине связей имеет место перераспределение электронной плотности, сопровождающееся изменением
формы и энергии орбитали, которое называется гибридизацией.
Кремний, германий и α-олово кристаллизуются в решетке типа
алмаза, в которой каждый атом находится в окружении четырех
ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного тетраэдра. Атом в кристалле подвергается sp3-гибридизации, в результате которой образуется четыре равноценных гибридных орбитали, чем определяется значение координационного числа К=4.
 Для полупроводниковых модификаций фосфора, мышьяка и
сурьмы характерна слоистая решетка, координационное число
равно трем (N = 5), а сера, селен и теллур в полупроводниковом
состоянии имеют координационное число два (N = 6) и образуют
линейные цепочечные структуры, связанные в трехмерную сетку
силами Ван-дер-Ваальса. Для йода (N = 7), который кристаллизуется в молекулярной решетке с двухатомными молекулами в узлах, координационное число равно единице, т. е. каждый атом йода имеет одного ближайшего соседа.
Полупроводниковые соединения подчиняются видоизмененному правилу октета:

a
8,
en
b
n

 +
=




                                        (2)

где ne – общее количество валентных электронов на формульную
единицу; na – число атомов IV–VII групп периодической системы
Д.И. Менделеева (анионообразователь); b – число анион-анионных
связей. Из сравнения уравнений (1) и (2) следует ne/na = N, b = 8–N.