VISOKA TEHNIČKA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA UZRENJANINU

Nastavni predmet: ELEKTROTEHNIKA

Studijski program: RAČUNARSKE TEHNOLOGIJE

DOBIJANJE POLUPROVODNIČKIH MATERIJALA

- seminarski rad -

PREDMETNI NASTAVNIK: STUDENT, br. ind.:

Lazo Manojlović Đokić Ivan 55/09-3

U Zrenjaninu, maja 2010. god

Sadržaj:

UVOD

1. KLASIFIKACIJA TEHNICKIH MATERIJALA1.1 metalni materijali1.2 keramicki materijali1.3 polimeri1.4 kompoziti

2. OPIS GRUPE POLUPROVODNICKIH MATERIJALA2.1 poluprovodnici2.2 elementarni poluprovodnici i poluprovodnicka jedinjenja2.3 slobodni elektroni i supljine u poluprovodnicima2.4 primesni poluprovodnici

2.4.1 poluprovodnici n-tipa2.4.2 poluprovodnici p-tipa

2.5 energetske zone3. DOBIJANJE POLUPROVODNICKIH MATERIJALA

3.1 inzinjering energetskog procepa: poluprovodnicka jedinjenja, legure i nanostrukture

3.2 metode dobijanja masivnih i tankoslojnih nanokristala4. OSOBINE POLUPROVODNIKA5. PRIMENA POLUPROVODNIKA6. ZAKLJUCAK7. LITERATURA

UVOD

Sve što postoji u prirodi čini materiju. Dakle, materija je građa celokupne prirode, odnosno univerzuma. Materija se javlja u čoveku u dva poznata oblika, supstanca i fizičko polje. Supstanca je oblik materije od koje su izgrađena fizička tela. Fizičko polje (gravitaciono, električno, magnetsko, polje međumolekularnih sila, polje nuklearnih sila) je prostor oko fizičkog tela u kome se manifestuje odgovarajuća sila. Svi materijali koje srećemo mogu se u električnom pogledu svrstati u tri grupe:provodnici, izolatori i poluprovodnici. U današnje vreme živimo nesvesni činjenica koje nas okružuju. Čak i danas, u doba računara, ljudi ne shvataju u potpunosti ulogu poluprovodničkih materijala u našim životima. Danas svet ne bi mogao da se zamisli bez poluprovodnika koji su vrhunac modernog doba. Ranije je svet bio u tehnološkom mraku, čak i najobičniji radio prijemnik je nekada bio skupa i retka stvar, dok nisu otkrivene poluprovodničke osobine germanijuma, silicijuma, galijumarsenida i drugih. Sa masovnom upotrebom silicijuma došlo je do olakšanja čovekovog života, radio prijemnik je mnogo manjih dimenzija i mnogo je jeftiniji od svog prethodnika, koji je izgrađen na bazi elektronskih cevi. Od silicijuma se takođe prave integrisana kola koja su osnova računara, koji su našli primenu u svim sferama ljudskih života (u automobilskoj industriji, u medicini, svemirskim istraživanjima i još mnogo drugih primena). U daljem tekstu ću se bazirati na silicijum zato što je trenutno, upravo on, najrasprostranjeniji u današnjoj industriji.

1. KLASIFIKACIJA TEHNIČKIH MATERIJALA

Danas je u nauci o materijalima uobičajena podela na tri osnovne grupe materijala:

metale, keramiku i polimere. Ovakva podela je prvenstveno bazirana na hemijskom sastavu i atomskoj strukturi materijala. Većina materijala svrstava se u jednu od ovih grupa. Dodatno postoje i kompozitni materijali (hibridni) ,koji predstavljaju kombinaciju dva ili više materijala iz tri osnovne klase. Sem ove podele prisutna je i podela na šest grupa koje su prikazane na slici 1.1 i to su: metali, polimeri, elastomeri, keramike, stakla i hibridi. Ova podela je nastala tako što su iz keramike izdvojena stakla kao posebna grupa i elastomeri iz polimera.

Smisao klasifikacije na familije je zasnovan na činjenici da pripadnici jedne familije imaju određena zajednička svojstva: slične osobine, načine obrade, i vrlo često i sličnu primenu.

Slika 1.1. Podela tehničkih materijala na 6 grupa1

Na narednoj slici 1.2 prikazan je način daljeg deljenja grupe materijala na: klase, podklase i članove, pri čemu se svaka od ovih kategorija odlikuje odgovarajucim svojstvima. Tako, na primer, svet materijala sadrži familiju metala koja kasnije sadrži klasu „aluminijum“, podklasu „aluminijumske 11 Slika preuzeta iz dokumenta sa sajta: http://www.znrfak.ni.ac.rs/SRB/10-Studije/10-01-OAS/PREDMETI/TEHNICKI%20MATERIJALI/KOLOKVIJUM/

Materijal%20za%20I%20kolokvijum%20TM/3.%20Klasifikacija%20materijala.pdf

legure“, u okviru koje se može pronaći poseban član npr.|“silumin“. Ova legura i svaki drugi član ove familije materijala se karakteriše određenim svojstvima. Za svaku familiju materijala postoje i karakteristične metode obrade, uticaj na životnu sredinu, posledice njegove upotrebe i oblast karakteristične primene. Sve ovo se naziva zajedničkim imenom – profil svojstva materijala. Izbor i selekcija podrazumeva traženja najboljeg poklapanja profila svojstva materijala i onih koji su predviđeni projektnim ciljem proizvoda. Nezavisno od podela na ovih tri odnosno šest grupa materijala postoji još jedna nezavisna grupa materijala, u pitanju su takozvani napredni materijali. Ova grupa materijala se primenjuje u visokoj tehnologiji – proizvodnji poluprovodnika, biomaterijala, pametnih materijala i nanoinženjeringu materijala.

Slika 1.2. Taksonomija materijala i njihovih atributa2

1.1 Metalni materijali

2

Materijali u ovoj grupi sadrže više metalnih elemenata (poput gvožđa, aluminijuma, bakra, titanijuma, zlata, nikla). Često se kao primese mogu pojaviti nemetalni elementi (npr. ugljenik, azot,ili kiseonik) u relevantno malim količinama. Pojam metalne legure se koristi u vezi sa metalnim supstancama koje se sastoje od dva ili više elemenata. Atomi u metalima I njihove legure su organizovani na vrlo pravilan način I u poređenju sa keramičkim I polimernim materijalima imaju relativno veću gustinu (kao sto je prikazano na slici 1.3).

Slika 1.3. Grafički prikaz gustine na sobnoj temperaturi za različite metalne keramičke polimerne i kompozitne materijale

U vezi sa mehaničkim svojstvima ovi materijali su relativno kruti (slika 1.4) i čvrsti (slika 1.5) i nisu otporni na lom (slika 1.6) ali su ipak žilavi što doprinos njihovoj širokoj primeni u konstrukcijama.

Slika 1.4. Grafički prikaz krutosti (modula elastičnosti) na sobnoj temperaturi za različite metalne, keramičke, polimerne i kompozitne materijale3

Slika 1.5. Grafički prikaz zatezne čvrstoće na sobnoj temperaturi za različite metalne, keramičke, polimerne i kompozitne materijale

3

Slika 1.6. Grafički prikaz otpornosti na lom na sobnoj temperaturi za različite metalne, keramičke, polimerne, kompozitne4 materijale

1.2 Keramički materijali

Keramika predstavlja nemetalan, neorganski čvrst materijal. To su materijali poput porcelana i gline koji se koriste za izradu izolatora automobilskih svećica. Oni imaju mnoga atraktivna svojstva. Krti su, jaki, rezistentni na abraziju, zadržavaju svoju čvrstoću na visokim temperaturama i takođe su otporni na koroziju. Mnogi su dobri električni izolatori. Imaju određene nedostatke, za razliku od metala, znatno su krtiji. Otud keramički materijali imaju malu toleranciju na koncentraciju napona (poput rupa ili malih pukotina). Zbog toga je znatno teze projektovanje proizvoda sa keramikama. Keramički materijali su jedinjenja metalnih i nemetalnih elemenata. To su najčešće oksidi, nitridi, karbidi. Na primer, neki od uobičajenih keramičkih materijala uključuju aluminijum oksid (Al2O3), silicijum dioksid (SiO2), silicijum ugljenik (SiC), silicijum nitrit (Si3N4). Pod pojmom tradicionalne keramike se podrazumeva konglomerat hemijskih jedinjenja sadržanih u mineralima gline (porcelain), kao i cement i staklo. Sa stanovišta mehaničkih svojstava, keramički materijali su krti I imaju veliku čvrstoću. Krutost I čvrstoća je uporediva sa onim kod metala (slika 1.7). Sem toga, keramički materijali su vrlo tvrdi I većina njih ima veliku otpornost

4

na habanje. Sa druge strane oni su vrlo krti, i vrlo podložni lomu (slika 1.6). Ovi materijali su tipični izolatori toplote I elektriciteta. Izrazito su otporni na visoke temperature I nepovoljno okruženje u odnosu na metale I polimere. Što se tiče optičkih karakteristika keramički materijali mogu biti providni, poluprovidni I neprovidni, a neki od njih poput oksidnih keramika (npr. Fe3O4) imaju magnetska svojstva. Prema prvoj klasifikaciji na tri osnovne grupe materijala I staklo pripada keramičkim materijalima. Staklo predstavlja familiju nekristalnih “amorfnih” čvrstih materijala. Najkarakterističniji predstavnici ove familije materijala su: prozorsko staklo proizvedeno od osnovnog materijala koji čini kvarcni pesak, soda (Na2CO3), borsilikatna familija stakla (B2O3, SiO2) za izradu flaša I takozvanog termoizolacionog stakla. Naravno ima I drugih predstavnika. Nedostatak kristalne strukture umanjuje plastičnost, tako da su stakla čvrsta I izuzetno rezistivna na koroziju. Oni su odlicni električni izolatori I naravno propuštaju svetlost. Ali poput ostale keramike, kruta su I osetljiva na koncentraciju napona.

slika 1. 7. Karakteristični predmeti

izrađeni od keramičkih materijala5

1.3 Polimeri

Polimeri uključuju poznate materijale poput plastičnih i gumenih materijala. Mnogi od njih su organska jedinjenja koja su zasnovana na ugljeniku, vodoniku i drugim nemetalnim elementima (poput O, N, Si). Oni su sastavljeni od velikih molekularnih, najčešće lančanih struktura koje u osnovi imaju atome ugljenika. Neki od najuobičajenih polimera su polietilen (PE), najlon, polivinil hlorid (PVC), polikarbonat (PC), polistiren (PS) i silikonska guma. Ovi materijali tipično imaju male gustine (slika 1.3), dok su njihova mehanička svojstva uopšteno potpuno drugačija od svojstva metala i keramičkih materijala – oni nisu jaki ni krti kao što su to drugi tipovi materijala (slika 1.4 i 1.5). Međutim , s obzirom na njihovu malu gustinu, veoma često je njihova mala 5

krutost i čvrstoća svedena na jedinicu mase uporediva sa veličinama kod metala i keramičkih materijala. Sem toga, mnogi od polimera su izuzetno žilavi i gipki (npr. plastika), što znači da se lako mogu oblikovati u kompleksne oblike. Uopšteno oni su hemijski relativno inertni i ne reaktivni u većini različitih okruženja. Jedna od glavnih nedostatakapolimera je njihova tendencija da mekšaju ili da se razlažu na umerenim temperaturama što je u nekim slučajevima ograničavajući uslov za njihovu primenu. Dalje, oni imaju malu električnu provodnost (slika 1.7) i nisu magnetični.

slika 1.8. Neki karakteristični predmeti izrađeni od polimera6

1.4 Kompozitni materijali

Ova grupa materijala predstavlja familiju tehničkih materijala dobijenih kombinacijom dva ili više materijala (iz nabrojanih grupa) sa ciljem da se iskoriste njihova najbolja svojstva tj. da kompoziti sadrže najbolje karakteristike

6

komponenata od kojih su izgrađeni. Postoji veliki broj različitih tipova kompozita koji predstavljaju različite kombinacije metala, keramičkih materijala i polimera. Neki materijali koji se slobodno nalaze u prirodi takođe se mogu smatrati kompozitima – drvo i kosti. Jedan od najčešćih i najprisutnijih kompozita je fiberglas, kod koga se mala staklena vlakna ugrađuju u polimerni materijal (epoksi i poliester). Fiberglas se nekada naziva plomiromatrični kompozit ojačan staklenim vlaknima, sa skraćenicom „GFRP“. Ova staklena vlakna su relativno jaka i kruta, dok su polimeri žilavi. Rezultujući fiberglas je relativno krut i jak, fleksibilan i žilav, (slika 1.4 i 1.5).

2. OPIS GRUPE POLUPROVODNICKIH MATERIJALA

Materijali koji se koriste u savremenoj tzv. visokoj tehnologiji se ponekad nazivaju naprednim materijalima. Ovde se pod uređajem visoke tehnologije podrazumevaju oni uređaji koji rade koristeći relativno složene ili napredne principe i elektronsku opremu (CD/DVD plejeri, kompijuteri, vasionski brodovi, avioni i drugi). Napredni materijali su predstavnici tipičnih tradicionalnih materijala čija su svojstva unapređena ili su iz klase novorazvijenih materijala sa visokim performansama. Oni mogu biti napravljeni od predstavnika svih osnovnih grupa materijala (metal, keramika, polimer) i najčešće su vrlo skupi. Napredni materijali podrazumevaju poluprovodničke materijale, biomaterijale, i ono što bi se moglo nazvati „materijalima budućnosti“ – nanoiženjerski materijali. O svojstvima i primeni naprednih materijala – na primer, materijala koji se koristi za izradu lasera, integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka, displeja sa tečnim kristalima (LCD) , biće reči u daljem tekstu.

2.1 Poluprovodnici

Poluprovodnici imaju električna svojstva koja predstavljaju sredinu između klasičnih električnih provodnika (metala I njihovih legura) i izlolatora (keramike I polimera) – slika 2.1. Električna svojstva ovih materijala su ekstremno osetljiva na prisustvo neznatnih koncentracija nečistoce, cak na atomskom nivou, zbog cega se prisustvo I koncentracija ovih elemenata I nečistoca mora regulisati I kontrolisati u vrlo uskim granicama. Poluprovodnici su omogucili nastanak integrisanih kola, koja su dovela do revolucija u elektronici I kompijuterskoj industriji u poslednje tri decenije. Najznačajniji predstavnici poluprovodničkih materijala su silicijum , germanijum I galiju arsenid o kojima će kasnije biti reči. Pre izlaganja o tehnologijama dobijanja poluprovodnika ovde će biti izložene neke osnovne karakteristike poluprovodnika, i to u prvom redu silicijuma. To i jeste osnovni cilj ovog poglavlja, koje obuhvata izlaganja o strukturi poluprovodnika.

2.2 Elementarni poluprovodnici i poluprovodnička jedinjenja

U kolonama na levoj strani tablice periodnog sistema elemenata nalaze se metali. Atomi metala mogu lako izgubiti jedan ili dva elektrona i postati pozitivni joni. Oni su, kao što je poznato, dobri provodnici električne struje, s obzirom da je kod njih veza između atoma I elektrona u spoljašnjoj orbiti slaba, tako da se elektroni mogu relativno lako osloboditi i postati slobodni. Elementi u kolonama na desnoj strani tablice periodnog sistema imaju elektrone u spoljašnjim opnama čvrsto vezane; oni su, prema tome, izolatori. U srednjim kolonama tablice nalaze se elementi kod kojih je provodnost znatno manja nego kod dobrih provodnika, a znatno veća nego kod izolatora. Oni čine klasu poluprovodnika. Tu spadaju 12 elementarnih poluprovodnika:bor (B), ug1enik (C), silicijum (Si), fosfor (P), sumpor (S), germanijum (Ge), arsen(As), selen (Se), kalaj (Sn), antimon (Sb), telur (Te) i jod (J). Danas se od elementarnih poluprovodnika skoro isključivo koristi silicijum, dok se drugi, kao sto su arsen, fosfor i bor upotrebljavaju za dopiranje silicijuma, čime se menja njegova provodnost. I neka jedinjenja elemenata III i V grupe periodnog sistema imaju poluprovodničke osobine. Zahvaljujući svojim osobinama, posebnu pažnju privlači galijum-arsenid (GaAs), koji se koristi za visokofrekventne i mikrotalasne komponente (na primer kod MOSFET-a).

a. Dijamantska (C, Si, Ge) 7

b. Sfaleritna (GaAs, GaP)

Slika. 2.1. Kristalna struktura elementarnih poluprovodnika (a) i poluprovodničkih jedinjenja (b). 8

Svi poluprovodnici, i elementarni i poluprovodnička jedinjenja, imaju kristalnu strukturu. Elementarni poluprovodnici imaju kristalnu rešetku dijamantskog tipa, dok je rešetka poluprovodničkih jedinjenja modifikovana dijamantska struktura, tkzv. struktura sfalerita, slika 2.1. Rešetke dijamantskog tipa čine kovalentne veze, tj. atomi u težištu tetraedra povezani su sa četiri atoma na vrhovima tetraedra, slika 2.1.a. Struktura sfalerita je ista kao

7

8

dijamantska, ali atomi u rešetki nisu isti, slika 2.1.b. Dakle, kod rešetki sa dijamantskom strukturom svaki atom je vezan sa četiri obližnja atoma, tako da su ovi od njega podjednako udaljeni i međusobno se nalaze na jednakim rastojanjima, poznatim pod nazivom „tetraedralni radijus“.

2.3 Slobodni elektroni i šupljine u poluprovodnicima

Atomski broj silicijuma je 14 i njegova 14 elektrona su raspoređena po orbitama oko jezgra. Prve dve orbite su popunjene, jer sadrže dva, odnosno osam elektrona, respektivno, dok je poslednja, treća orbita nepopunjena i sadrži četiri elektrona, . Elektroni u unutrašnjim, popunjenim orbitama, nazivaju se stabilnim elektronima, sslika 2.2.a, s obzirom da se nalaze na nižim energetskim stanjima od elektrona u spoljašnjoj, nepopunjenoj orbiti. Oni ne učestvuju u mehanizmu provođenja struje u poluprovodnicima, kao što je, uostalom, to slučaj i kod metala, te se neće pominjati u daljim izlaganjima.

a.

b.

Slika 2.2. Šematski prikaz atoma silicijuma u prostoru (a) i u ravni (b). 9

Zbog toga se silicijumov atom može šematski da predstavi jezgrom sa pozitivnim naelektrisanjem od četiri elektronske jedinice (+4) koje je okruženo sa četiri elektrona iz spoljašnje orbite, slika 2.2.b. Četiri elektrona iz spoljašnje orbite, zbog toga što ulaze u hemijske veze, nazivaju se valentnim elektronima. U savršenom kristalu silicijuma, odnosno germanijuma, koji su, dakle, četvorovalentni, svaki od ova četiri elektrona obrazuje po jednu valentnu vezu sa po jednim elektronom iz spoljašnje orbite obližnjeg atoma. Prema tome, potpuno čist kristal poluprovodnika, kod koga su svi elektroni povezani valentnim vezama, ponašao bi se kao izolator, s obzirom da kod njega nema slobodnih nosilaca naelektrisanja. Međutim, pri normalnoj sobnoj temperaturi, usled termičkih vibracija kristalne rešetke, izvesni valentni elektroni povećavaju svoju energiju do te mere da mogu da se oslobode valentnih veza i postaju slobodni elektroni, slika 2.3.a.. Oslobađanjem svakog

9

elektrona po jedna valentna veza ostala je nepopunjena. Atom, koji je izgubio elektron, postaje električno pozitivan sa naelektrisanjem jednakim naelektrisanju elektrona po apsolutnom iznosu (pre gubitka valentnog elektrona atom je bio električno neutralan). Na taj način se stvara pozitivno optererećenje čija se prava priroda može protumačiti tek pomoću kvantne fizike, ali koje se po mnogim svojstvimaponaša kao čestica sa pozitivnim naelektrisanjem jednakim naelektrisanju elektrona. Njemu se može pripisati određena efektivna masa, brzina u kretanju i energija, što znači da se može tretirati kao čestica. Ova čestica se, zbog načina postanka, naziva šupljinom. Eksperimentalnim rezultatima pokazana je opravdanost ovako uprošćene koncepcije šupljina.

a. b.Slika 2.3. Prikaz generacije para elektron-šupljina (a) i rekombinacije elektrona sa šupljinom (b)

10

.

Kretanje šupljina u poluprovodniku može se predstaviti na sledeći način. Atom, koji je izgubio jedan elektron, teži da upotpuni pekinutu valentnu vezu. On „izvlači“ elektron iz neke obližnje valentne veze u kojoj je elektron na relativno višem energetskom nivou. Usled toga, posmatrani atom postaje električno neutralan, ali se šupljina pojavijuje na mestu sa koga je privučen elektron za neutralizaciju. Drugim rečima, praktično se kreću elektroni, ali izgleda kao da se kreću prazna mesta (šupljine) u suprotnom smeru od kretanja elektrona. Na slici 2.4 prikazano je kretanje elektrona i šupljina u silicijumu kada je na njega priključen spoljašnji nspon V. Slobodni elektroni i šupljine u kristalu poluprovodnika predstavljaju energetske nesavršenosti kristala i imaju ograničeno vreme života, jer se u kretanju kroz kristal susreću i rekombinuju uspostavljajući ponovo valentne veze, slika 2.3.b. Termičko raskidanje valentnih veza raste sa temperaturom, dok je brzina ponovnog uspostavljanja valentnih veza srazmerna koncentraciji slobodnih nosilaca naelektrisanja. Zbog toga, koncentracije slobodnih elekrona i šupljina pri svakoj temperaturi imaju onu vrednost pri kojoj se uspostavlja ravnoteža između brzine raskidanja I brzine ponovnog uspostavljanja valentnih 10

veza. Koncentracije slobodnih elektrona (n0) i šupljina (p0) međusobno su jednake (n0 = p0). Ova koncentracija se zove koncetracija sopstvenih nosilaca naelektrisanja ili sopstvena koncentracija i obeležava se sa ni = pi. Na sobnoj temperaturi (300K) sopstvena koncentracija nosilaca naelektrisanja za silicijum iznosi ni =1,13·1010 slobodnih elektrona ili šupljina po cm3. Na slici 2.5 su prikazane vrednosti sopstvenih koncentracija nosilaca naelektrisanja germanijuma, silicijuma i galijum-arsenida u funkciji temperature.

Slika 2..4. Kretanje elektrona i šupljina u čistom (sopstvenom) silicijumu pod

uticajem spoljašnjeg napona V. 11

Proces raskidanja valentnih veza, kao i obrnuti proces ponovnog vezivanja slobodnih elektrona i šupljina u valentne veze, zavisi u znatnoj meri i od postojanja izvesnih strukturnih nesavršenosti kristala (defekata). Ove nesavršenosti postoje, na primer, kod kristala kod kojih se poneki atomi nalaze u

11

kristalnoj rešetki na mestima koja bi zauzimali kada bi kristal bio savršen. I površinski sloj kristala može imati sličan uticaj kao i strukturne nesavršenosti, što je posliedicanepotpunosti valentnih veza u površinskom sloju. Prisustvo strukturnih nesavršenosti, međutim, ne menja koncentraciju sopstvenih nosilaca naelektrisanja, jer strukturne nesavršenosti u istoj meri potpomažu razbijanje valentnih veza i njihovo ponovno uspostavljanje. Ove nesavršenosti, dakle, samo smanjuju vreme života slobodnih elektrona, odnosno šupljina.

Slika 2.5. Sopstvene koncentracije nosilaca naelektrisanja u funkciji temperature. 12

2.4 Primesni poluprovodnici

Kada električna svojstva poluprovodnika, a tu se pre svega misli na provodnost, zavise od prisustva nekog stranog elementa, onda je takav poluprovodnik primesni poluprovodnik. Treba primetiti da se atomi stranih elemenata (nečistoće), koje se obično nazivaju primesama, ne mogu nikada u

12

potpunosti da odstrane. Međutim, ukoliko je njihova koncentracija vrlo mala, onda primese ne utiču u većoj meri na električna svojstva poluprovodnika. Naprotiv, ako je koncentracija primesnih atoma relativno velika, njihov uticaj na električna svojstva poluprovodnika jedominantan unutar širokog intervala temperature. Primese mogu biti veoma različite. U poluprovodničkim komponentama su od prevashodnog značaja one primese koje se namerno i kontrolisano, pomoću odgovarajućih tehnoloških postupaka, dodaju poluprovodniku. Koncentracije primesa kreću se obično između 1014 cm3 I 1020 cm3. To su, redovno, primese čiji su atomi petovalentni ili trovalentni. Ukoliko se dodaju petovalentne primese, onda nastaju poluprovodnici n-tipa, a dodavanjem trovalentnih primesa se dobijaju poluprovodnici p-tipa. Atomi primesa zauzimaju u kristalnoj rešetki mesta gde bi se u čistom poluprovodniku nalazili atomi samoga poluprovodnika − oni se, dakle, uključuju u kristalnu rešetku supstitucijom. Karakteristično je da pojedine primese pokazuju veći afinitet premamestima u kristalnoj rešetki poluprovodnika, na kojima se kod čistog kristala nalaze atomi poluprovodnika,nego sami atomi poluprovodnika. Zbog toga će, dodavanjem primesa poluprovodniku u istopljenom stanju, posle očvršćavanja primesni atomi zameniti na pojedinim mestima atome poluprovodnika.

2.4.1 Poluprovodnici n-tipa

Kao što je napomenuto, n-tip poluprovodnika nastaje kada se poluprovodnik dopira petovalentnim primesama, na primer fosforom (P), arsenom (As) ili antimonom (Sb). Šematski prikaz kristalne rešetke poluprovodnika n-tipa dat je na slici 2.6.

Slika 2.6. Šematski prikaz kristalne rešetke poluprovodnika n-tipa. 13

S obzirom da je broj primesnih atoma u jedinici zapremine vrlo mali u poređenju sa brojem atoma poluprovodnika, svaki atom primese normalno je okružen atomima poluprovodnika. Kako samo četiri valentna elektrona primese ulaze u valentne veze, peti valentni elektron je samo slabo vezan za atom, te se lako može osloboditi veze i postati slobodan elektron. Energija potrebna za oslobađanje ovog elektrona je vrlo mala, reda 0,01 eV do 0,02 eV kod germanijuma i 0,04 eV do 0,07 eV kod silicijuma, tako da su već na vrlo niskim temperaturama, a posebno na sobnoj temperaturi, svi elektroni koji potiču od atoma primesa „u“ provodnoj zoni i slobodno se mogu kretati kroz kristal. Petovalentne primese, dakle, daju slobodne elektrone, te se, stoga, zovu donorske primese, ili kratko − donori i njihova koncentracija se označava sa ND. Donorski atomi gubitkom elektrona postaju pozitivni joni i ostaju vezani u strukturi kristalne rešetke, ali treba napomenuti da je dodavanjem donora poluprovodnik ostao električno neutralan. Usled toga što se dodavanjem donorskih primesa razbijaju valentne veze, u poluprovodniku n-tipa postojaće i određena koncentracija šupljina. Naravno, koncentracija šupljina biće znatno manja od koncentracije slobodnih elektrona. Zbog toga, osnovni nosioci naelektrisanja u n-tipu poluprovodnika biće elektroni, čiji je broj (no) veoma blizak broju donorskih primesa, tj. no ≈ ND. Elektroni se u n-tipu poluprovodnika često zovu većinski, a šupljine − manjinski nosioci naelektrisanja. U dijagramu energetskih nivoa prisustvo donorskih primesa ima za posledicu postojanje dodatnog energetskog nivoa unutar zabranjene zone, i to u blizini dna provodne zone. Taj nivo se zove donorski nivo ED. To što se donorski nivo nalazi u zabranjenoj zoni u blizini provodne zone leži u činjenici da je za „prebacivanje“ elektrona (koji potiču od donorskih atoma) u provodnu zonu potreban vrlo mali iznos energije.

2.4.2 Poluprovodnici p-tipa

Ovaj tip poluprovodnika nastaje kada se poluprovodnik dopira trovalentnim primesama, među koje spadaju bor (B), aluminijum (Al), galijum (Ga) i indijum (In). Kristalna rešetka koja sadrži trovalentne primese prikazana je šematski na slici 2.7. Trovalentnoj primesi nedostaje jedan elektron da dopuni valentnu vezu. Ona se kompletira na taj način što je dopuni valentni electron iz susedne veze, ili, drugim rečima, da bi se obrazovala i četvrta valentna veza, privlači se jedan elektron iz neke obližnje veze. Tako se stvara šupljina na mestu odakle je valentni electron privučen. Kako trovalentne primese kompletiraju valentne veze primajući elektrone iz valentine zone, zovu se akceptorske 13

primese, ili kratko − akceptori, a njihova koncentracija obeležava se sa NA. Akceptorski atom postaje negativan jon čvrsto vezan za kristalnu rešetku. Energije jonizacije akceptorskih primesa su vrlo male i leže u istom intervalu energija kao i za donorske primese, tako da je broj šupljina po na sobnoj tempertauri veoma blizak broju akceptorskih primesa.

Slika 2.7. Šematski prikaz kristalne rešetke poluprovodnika p-tipa. 14

Kao i u poluprovodniku n-tipa, i u poluprovodniku p-tipa postoji raskidanje valentnih veza, tako da ovde postoji i određena koncentracija elektrona no, čiji je broj znatno manji od broja šupljina; drugim rečima: no << po. Prema tome, u poluprovodniku p-tipa šupljine su većinski, a elektroni manjinski nosioci naelektrisanja. Akceptorske primese uvode u dijagram energetskih nivoa dodatni akceptorski nivo EA, koji leži unutar zabranjene zone i to u blizini vrha valentne zone.

2.5 Energetske zone

Teorija energetskih zona, koja obuhvata proučavanje promena energetskih stanja elektrona u atomima kristalne resetke, predstavlja veoma podesan put za analizu pojava u poluprovodnicima i to ne samo u kvalitativnom, već i u kvantitativnom pogledu. Iz fizike je poznato da se elektroni u izolovanom atomu nalaze na različitim energetskim nivoima, koji su jednaki celim umnošcima kvanta energije. Napominje se da su ovi energetski nivoi, koji odgovaraju energijama elektrona na pojedinim orbitama, međusobno razdvojeni 14

„energetskim procepima“ (zabranjenim zonama), slika 2.8.a, čime se ukazuje na činjenicu da ne postoji nijedan elektron koji bi imao energiju unutar zabranjene zone. Ako se dva atoma sa jednakim energetskim nivoima elektrona približe jedan drugome, doći će do „cepanja“ svakog pojedinog energetskog nivoa u dva nova nivoa koji su jedan prema drugome malo pomereni, slika 2.8.b. S obzirom da se u kristalnoj rešetki veliki broj atoma (reda 1022 cm3) nalazi u međusobnoj sprezi, svaki energetski nivo se cepa u veći broj novih, međusobno malo pomerenih nivoa, koji obrazuju energetske zone, slika 2.8.

Sika 2.8. Energetski nivoi atoma (a), dva atoma (b) i kristala (c) silicijuma. 15

Za utvrđivanje električnih svojstava poluprovodnika od važnog interesa je da se poznaju energetska stanja u dva najviša energetska opsega. Kod idealnog kristala poluprovodnika najviša energetska zona je skoro prazna, s obzirom da sadrži veoma mali broj elektrona (jednak koncentraciji sopstvenih nosilaca naelektrisanja ni, dok je prva niža energetska zona potpuno popunjena. Ova druga energetska zona popunjena je elektronima iz spoljašnje orbite atoma poluprovodnika, tj. valentnim elektronima. Zbog toga se ona naziva valentnom zonom, za razliku od prve zone (najviše zone), koja predstavlja provodnu zonu, slika 2.9.

15

Slika 2.9. Energetske zone duž jednog pravca u čistom (sopstvenom) kristalu silicijuma pri T = 0 K16

.

Provodna zona je od valentne zone razdvojena nizom energetskih nivoa koje elektroni ne mogu da zauzimaju i koji se zbog toga naziva zabranjenom zonom. Širina zabranjene zone Eg kod poluprovodnika relativno je mala i na sobnoj temperaturi (300K) iznosi Eg = 0,66 eV za germanijum, Eg = 1,1 eV za silicijum i Eg = 1,42 eV za galijum-arsenid. Ove vrednosti predstavljaju najmanje iznose energije koje je potrebno dovesti elektronu u valentnoj zoni da bi mogao da „pređe“ u provodnu zonu i učestvuje u provođenju električne struje kroz poluprovodnik (ovo ne znači da elektron, u fizičkom smislu, prelazi iz valentne u provodnu zonu, već da je elektron na energetskim nivoima koji odgovaraju pomenutim zonama). Razlikujemo dva slučaja energetskog procepa (zabranjena zona) I to direktni energetski procep (direktan prelaz elektrona sa vrha valentne na dno provodne zone) i indirektni energetski procep (elektron sa vrha valentne prelazi na dno provodne zone), slika 2.10.

16

Slika 2.10. Energetski procep a) direktni i b) indirektni

Treba naglasiti da se širina zabranjene zone poluprovodnika smanjuje sa povećanjem temperature, slika 2.11.

Siika 2.11. Širina zabranjene zone germanijuma, silicijuma i galijum-arsenida u funkciji temperature. 17

Usled toga što kod poluprovodnika širine zabranjenih zona nisu velike, izvestan broj valentnih elektrona čak i na relativno niskim temperaturama raspolaže dovoljnom energijom da se oslobodi valentnih veza i iz valentne zone pređe u provodnu zonu, ostavljajući za sobom šupljine u valentnoj zoni. Treba napomenuti da je valentna zona „prelaskom“ izvesnog broja valentnih elektrona

17

u provodnu zonu ostala nepopunjena, tako da i u njoj može da dođe do „kretanja“ naelektrisanja pod dejstvom stranog električnog polja. Prema širini zabranjene zone, materijali se dele na provodnike, poluprovodnike i izo1atore, slika 2.12.

Skika 2.12. Energetske zone provodnika (a), poluprovodnika (b) i izolatora (c)

(EV − vrh valentne zone; EC − dno provodne zone). 18

Kod metala, sa napomenom da oni nemaju zabranjenu zonu (provodna i valentna zona se dodiruju ili preklapaju), najviša energetska zona, koja sadrži valentne elektrone, nije popunjena, slika 2.12.a. (Fermijev nivo kod metala se definiše kao onaj energetski nivo ispod koga su na temperaturi apsolutne nule svi nivoi popunjeni, a iznad njega svi nivoi prazni, pri čemu verovatnoća da će taj nivo biti popunjen na temperature T>0 iznosi 50%). Bitne razlike između izolatora i poluprovodnika nema, niti je granica između njih oštra. Ako je širina zabranjene zone do oko 3 eV, smatra se da je to poluprovodnik, a ako je veća od 3 eV može se govoriti o izolatoru. Poluprovodnici mogu imati otpornost u vrlo velikom opsegu, od male, kada se ponašaju kao provodnici, do velike, koja se približava otpornosti izolatora. Bitna razlika između provodnika i poluprovodnika ogleda se u tome što je provodnost kod provodnika ostvarena uglavnom pomoću elektrona, a kod poluprovodnika još i pomoću šupljina. Unutar zabranjene zone se „nalazi“ još jedan energetski nivo − tkzv. Fermijev nivo EF, koji je konstanta u Fermi-Dirakovoj funkciji raspodele, a prema kojoj po energetskim nivoima podleže raspodela elektrona i šupljina. Pokazuje se da se kod sopstvenog poluprovodnika Fermijev nivo nalazi na sredini zabranjene zone (slika 2.13.a), a kod n-tipa poluprovodnika u gornjoj polovoni zabranjene zone (slika 2.13.b), i to što je koncentracija donorskih primesa veća, to je Fermijev nivo bliži dnu provodne zone; kod p-tipa poluprovodnika (slika 2.13.c) je obrnuto: Fermijev nivo je u donjoj polovini zabranjene zone i to je utoliko bliži vrhu valentne zone ukoliko jekoncentracija akceptorskih primesa veća.

18

Slika 2..13. Položaj Fermijevog nivoa. 19

Treba napomenuti da je Fermijev nivo energetski nivo sa određenim fizičkim značenjem samo kod metala, kada predstavlja maksimalni nivo elektrona na temperaturi apsolutne nule. Iako se Fermijev nivo kod poluprovodnika ne može tačno da definiše, odnosno, ne može mu se dati određena fizička interpretacija, ipak je njegovo uvođenje od izuzetne koristi pri proučavanju provođenja struje u poluprovodnicima i poluprovodničkim komponentama.

19

3. DOBIJANJE POLUPROVODNIČKIH MATERIJALA

Zbog svojih velikih mogućnosti primene, od poluprovodničkih materijala se zahtevaju definisana svojstva, pre svega veličina i tip energetskog procepa, što se realizuje kroz tehnike inženjeringa energetskog procepa, izradom poluprovodničkih višekomponentnih legura i nanostruktura. Osim toga, zbog zahteva sve veće brzine rada i manjih dimenzija poluprovodničkih naprava, poluprovodnici se praktično isključivo izrađuju u formi monokristala.

3.1. Inženjering energetskog procepa: poluprovodnička jedinjenja, legure i nanostructure

U prirodi je na raspolaganju ograničen broj poluprovodničkih elemenata I jedinjenja, a za određene opsege veličine energetskog procepauopšte ih I nema. U tom slučaju je neophodno pribeći tkz. inženjeringu energetskog procepa, odnosno sintezi poluprovodničkih trokomponentnih ( a nekad I više komponentnih) legura, pa i finih nanostruktura željenog energetkog procepa.Poslednjih deceniju-dve ovo je predstavljalo veliki tehnološki napredak nauke o materijalima, koji je doprineo naglom razvoju poluprovodničkih tehnologija za različize primene.

Trokomponentne poluprovodničke legure opšte formile , dobijaju se kombinovanjem različitih sadržaja dvokomponentnih jedinjenja AC I BC

(očigledno je ), gde su A, B i C – simboličke oznake

hemijskih elemenata u leguri. Za većinu trokomponentnih legura postoji linearna

promena energetskog procepa sa promenom molarnog sastava legure,

šematki prikazan na slici 3.1, koja se analitički može izraziti Vegardovim linearnim pravilom:

Zahtevajući određeni energetski procep legure, , I znajući

energetske procepe polaznih jedinjenja, , može se odrediti molarni

sastav trokomponentne legure ), (odnosno broj

molova x jedinjenja AC, I broj molova 1-x jedinjenja BC). Treba istaći da se izradom trokomponentnih legura kombinovanjem dva jedinjenja od kojih jedno

ima direktni energetski procep (npr. BC) a drugo indirektni (AC), za

dobijaju legure direktnog energetskog procepa, a za indirektnog energetskog procepa – saglasno dominantnom udelu jedinjenja BC, odnosno AC, u sastavu legure.

Sika 3.l. Šematski prikazVegardovog lonearnog pravila promene veličine I tipa energetskog procepatrokomponentne legure

Sve širu primenu u izradi kontrolisanog energetskog procepa nalaze višeslojne poluprovodničke nanostructure, tkz. superrešetke, kvantne žice I kvantne tačke. Superrešetke se dobijaju naizmeničnom izradom tankih monokristalnih slojeva (debljine nekoliko nm) dva poluprovodnička elementa, jedinjenja ili legure različitih energetskih procepa.

Slika 3.2. Šematski prikaz energetskih zonasuperrešetke od dva poluprovodnička materijalaenergetskih procepa

Eg1 I Eg2 I debljine slojeva d1z I d2z. 20

20

Zbog male debljine slojeva provodni elektroni u slojevima materijala manjeg

energetskog procepa ( ) kreću se u potencijalnoj jami. Usled toga, unutar

provodne zone elektroni mogu zauzimati samo određene energetske nivoe (n= 1, 2…), a slično važi i za šupljine u valentnoj zoni tih slojeva. Kao rezultat, energetski procep slojeva materijala manjeg energetskog procepa povećao se od

do , i to utoliko više ukoliko su debljine slojeva manje.

Na ovaj način se može kontrolisano menjati energetski procep materijala promenom debljine njihovih slojeva u superrešetki, i to čak pouzdanije nego kontrolom sastava višekomponentnih poluprovodničkih legura, pošto je savremenim tehnologijama moguće izrađivati monokristalne slojeve sa kontrolom monoatomskih debljina. Iako je do sada komercijalno korišćenje poluprovodničkih legura bilo ograničeno na neorganske komponente, poslednjih godina se pojavila klasa organskih jedinjenja, provodnih polimera, čijim se kontinuiranim dopiranjem primesama i do nekoliko desetina molarnih procenata (čime se dobija organska legura) energetski procep kontinuirano smanjuje od nekoliko eV do nule , dok

im se specifična električna otpornost smanjuje i do 18 redova veličine ( do puta), tj. osobine im se menjaju u širokim granicama od dielektričnih do provodnih, što je neuporedivo više nego kod neorganskih legura. Kada se reše tehnološki problem izrade monokristalnih provodnih polimera, njihove stabilnosti i obradivosti, može se očekivati njihova široka primena. Pored pomenutih provodnih polimera zanimljivi organski poluprovodnici su grafit,

kvazijednodimenzioni grafit i molekul .

3.2 Metode dobijanja masivnih i tankoslojnih monokristala

Za izradu poluprovodničkih integrisanih kola i komponenata potrebna je primena poluprovodničkih monokristala u masivnoj i tankoslojnoj formi.Najvažniji postupci za izradu masivnih materijala biće objašnjeni na primeru silicijuma (Si). Polikristalni Si se dobija od kvarcnog peska (SiO2), redukcijom ugljenikom na povišenoj temperaturi, čime se dobija Si čistoće 99 %. Kako je ovakva čistoća nedovoljna za primenu u elektronici, Si se dodatno hemijski prečišćava, čime se postiže visoka čistoća od jednog primesnog atoma na milijardu atoma Si.Monokristalni Si p-tipa dobija se uglavnom postupkom izvlačenja (tkz. postupak Čohralski), čiji je šematski prikaz dat na slici 3.3.

Slika 3.3. Šematski prikaz uređaja za dobijanje monokristala postupkom izvlačenja (postupak Čohralsi) 21

Polikristalni Si se rastopi u kvarcnoj posudi, korišćenjem visokofrekventnog grejača, i rastop se zagreje na oko 5 ºC višu temperaturu od temperature topljenja Si (1415 ºC)u atmosferi inertnog gasa argona (Ar). Potom se u rastopljenu masu uroni monokristalna klica (komadić monokristala Si, odabrane kristalne orijentacije). Zatim se klica lagano izvlači iz rastopa (brzinom 3 mm/min), uz istovremenu rotaciju klice (brzinom 15-150 ob/min) i posude (2-15 ob/min) u suprotnim smerovima, čime se obezbeđuje ravnomernije hlađenje rastopa. Ovim postupkom moguće je načiniti monokristalne uzorke (ingote) silicijuma prečnika do 30 cm i težine do 50 kg. S obzirom na to da se u kvarcnoj posudi uvek nalazi trovalentna nečistoća bor (B), koji lako prelazi iz posude u rastopljeni silicijum, to se ovim postupkom dobijaju samo monokristali p-tipa kojima se zato dodaje kao primesa bor. Silicijum n-tipa bi se mogao dobiti metodom Čohralskog ako bi se kao primesa dodao petovalentni fosfor (P) veće koncentracije od već prisutnih nečistoća bora u silicijumu, ali to bi prouzrokovalo prevelike koncetracije primesa i deformacije u kristalu, što bi smanjilo pokretljivost elektrona.Silicijumski monokristali n-tipa izrađuju se zato samo metodom lebdeće zone, pri kojoj se ne koristi nikakva posuda. Na slici 3.4 je data skica ovog uređaja.

21

Slika 3.4. Šematki prikaz uređaja za dobijanje monokristala postupkom lebdeće zone

22

Polikristalna šipka od silicijuma se postavlja iznad klice. Korišćenjem visokofrekventnog grejača rastopi se deo klice i deo silicijumskog ingota u blizini grejača, pri čemu se obrazuje rastopljena zona, koja ne otiče usled dejstva površinskog napona. Laganim spuštanjem uzorka (brzinom oko 3 mm/min) kroz nepokretan prstenasti grejač, nastaje rast monokristalne klice.Postupkom Čohralskog dobijaju se i poluprovodnički monokristali GaAs (galijum-arsenid), GaP(galijum-fosfid), InP (indijum-fosfid). Kako GaAs i GaP imaju lako isparljive komponente (As i P), to se njihovo isparavanje sprečava dovođenjem zaštitnog inertnog gasa pod visokim pritiskom, što zahteva specijalne mere zaštite zbog mogućnosti eksplozije.Tankoslojni monokristali izradjuju se na monokristalnim podlogama od istog materijala, ili drugog materijala koji ima istu kristalnu rešetku. Najjednostavniji postupak dobijanja tankih monokristalnih slojeva na odgovarajućoj podlozi je postupak vakuumskog naparavanja, čiji je šematski prikaz dat na slici 3.5.

Slika 3.5. Šematski prikaz uređaja za dobijanje tankoslojnih monokristala postupkom vakuumskog naparavanja

Sistem se najpre izvakuumira na pritisak niži od Pa. Zatim se

materijal stavlja u -posudu, koja se zagreva protokom struje kroz grejač. Ispareni materijal se kondezuje na podlozi, koja se zagreva na 300 do 600 ºC 22

kako bi prispeli atomi bili pokretljiviji i lakše se pravilno ugradjivali u monokristalni sloj. Od brzine naparavanja zavisi i kvalitet dobijenog filma, i najkvalitetniji filmovi se dobijaju za brzine rasta slojeva do 1µm/h.Postupak naparavanja je veoma usavršen poslednjih godina i omogućava dobijanje izuzetno kvalitetnih filmova, precizno kontrolisanih debljina. Ovakva modifikovana metoda naziva se MBE (epitaksija monomolekularnim snopom). Na slici je data šema ovog postupka.

Slika 3.6. Prikaz principijelne šeme MBE postupka

23

Prikazani MBE sistem sastoji se od pet posebnih izvora koji se nalaze u

izvakuumiranoj sredini ( Pa), iz kojih se mogu naparavati Ga, As, Si, Al, Be. Podloga je od monokristalnog GaAs na koji se mogu naparavati slojevi p i n

tipa sastava , koji se dopiraju obično sa Si (za n-tip) i Be (za p-tip). Opisanim MBE postupkom mogu se načiniti veoma tanki poluprovodnički slojevi unapred željeninih debljina. Rad ovog sistema kontroliše se računarom i moguće je kontrolisano naneti i samo nekoliko atomskih slojeva, debljine oko 1 nm. Brzina rasta ovakvih slojeva je dosta mala i iznosi oko 1 µm/h.Komercijalno najšire korišćena metoda za izradu tankih monokristalnih slojeva u silicijumskoj mikroelektronici je epitaksija iz parne faze (VPE), kojom se na silicijumskoj pločici p-tipa (dobijenoj sečenjem silicijumske monokristalne šipke napravljenom metodom izvlačenja) izrađuje tanak silicijum monokristalni sloj n-tipa. Šematski prikaz dat je na slici.

23

Slika 3.7. Šematski prikaz aparature za epitaksijalni rast Si-sloja n-tipa24

Sa slike 3.7 se vidi da se u gasnoj atmosferi azota ( ) i vodonika ( ) unosi

silicijum-tetrahlorid ( ), tako da se na povišenoj temperaturi (~1200 ºC) odigrava hemijska reakcija

Reakcija je reverzibilna, ali pri određenim odnosima molarnih

koncentracija i ide s leva na desno, u pravcu dekompozicije i epitaksijalnog rasta Si na Si-podlozi. Da bi se dobio Si-sloj n-tipa, unosi se i gas

fosfen (P ), iz kojeg se pri reakciji sa površinom Si-pločice izdvaja fosfor (P) kojim se dopira Si-epitaksijalni sloj, postajući poluprovodnik n-tipa.

Pomenimo, na kraju, savremenu modifikaciju VPE postupka: metalo-organsku epitaksiju iz parne faze ( MOVPE). Specifičnost metode je da se atomi

željenog filma prenose posredstvom gasa prenosioca (najčešće ) do monokristalne podloge u formi smeše gasova mnogobrojnih metalo-organskih jedinjenja gde se vrši njihovo dekomponovanje i ugrađivanje atoma u poluprovodnički monokristalni film. MOVPE metoda sve više konkuriše MBE metodi u dobijanju višekomponentnih jedinjenja i legura, zbog znatno jeftinije aparature (mada je MBE metoda ipak nešto preciznija jer se brže reguliše).

24

4. OSOBINE POLUPROVODNICKIH MATERIJALA

Do razvoja integrisanih kola, nekad se za izradu aktivnih poluprovodničkih komponenata (tranzistora i dioda) najviše koristio germanijum. Međutim, početkom 60-tih godina, sa razvojem mikroelektronskih integrisanih kola, dominantnu ulogu u poluprovodničkoj tehnologiji preuzima silicijum Si. Poslednjih godina se sve više koristi i GaAs, pošto je potrebna sve veća brzina rada. Osobine bitne pri izboru nekog poluprovodničkog materijala za neku konkretnu primenu su: veličina energetskog procepa (Eg), pokretljivost elektrona (µn), pokretljivost šupljina (µp), radna temperature (tr), termalni šum, srednja driftovska brzina zasićenja (ʋsrd), maksimalna driftovska brzina zasićenja (ʋmaxd), srednje vreme između 2 sudara elektrona ( tsr),vremenska konstanta (τRC), specifična toplotna provodnost (IC), specifična gustina (ρm)…U tabeli 4.1 date su uporedne karakteristike za germanijum (Ge), silicijum(Si) i galijumarsenida (GaAs)

Si Ge GaAsEg (eV) 1.1 (ind) 0.67 (ind) 1.43 (dir)tr (ºC) <200 <100 <300

µn (cm2/Vs) 1350 3900 9500µp (cm2/Vs) 480 1900 450ʋsrd (cm/s) 0.8*107 1.5*107 2*107

ʋmaxd (cm/s) 2*107 - 8*107

tsr (ps) 0.1 0,1 1τRC veliko srednje malo

f (GHz) <50 - <100IC (W/mK) 145 60 44

oksid stabilan i kvalitetan nestabilan nestabilanρm (g7cm3) 2.33 5.32 5.36

termalni šum osrednji veliki malidobijanje postupak Čohralski

lebdeće zoneVPE epitaksija

postupak Čohralski postupak Čohralskog pod pritiskom

VPE,MBE epitaksijacena niska osrednja visoka

primena integrisana kola,fotodektektori,

tiristori,sunčeve ćelije,

nanoelektronska integrisana kola

fotodektektori,nuklearni dektektori,infracrveni prozori

integrisana kola,fotodektektori,sunčeve ćelije,

optoelektronska integrisana kola,

mikrotalasni izvori,nanoelektronska integrisana kola

Tabela 4.1. Uporedne karakteristike za germanijum (Ge), silicijum(Si) i galijumarsenid(GaAs)25

5. PRIMENA POLUPROVODNICKIH MATERIJALA

Veličina i vrsta energetskog procepa poluprovodnika, suštinski određuje potencijalne mogućnosti njihove primene.Za izradu integrisanih kola poželjni su poluprovodnici sa što većim, i to indirektnim, energetskim procepom. Veći energetski procep obezbeđujevišu gornju graničnu radnu temperaturu i veće strujno pojačanje, a te osobine poseduje silicijum (Si). Izuzetak je galijum-arsenid (GaAs), koji ima direktan energetski procep, no veliku pokretljivost i brzinu nosilaca ( “brži“ je materijal od silicijuma), osim toga ima i višu gornju graničnu radnu temperaturu od silicijuma. Veoma zanimljiv material za izradu visokotemperaturskih integrisanih kola su poluprovodnici velikog energetskog procepa: dijamant (C), silicijum-karbid (SiC) i III-V nitridi (BN, GaN, AlN). Radne temperature čipova na bazi ovih materijala prevazilazile bi 600 ºC, što im daje prednost za primenu u kosmičkoj mikroelektronici na stanicama bez ljudske posade. Slike 10 I 11 prikazuju gotova integrisana kola I samo integrisano kolo (unutrasnjost “ispod haube”). Za izradu detektora zračenja (infracrvenih, vidljivih I ultrazvučnih) najčešće se koriste inverzno polarisane poluprovodničke diode, i to prvenstveno od materijala sa direktnim energetskim procepom. Za izradu detektora infracrvenog zračenja mogu se koristiti samo materijali koji imaju male vrednosti energetskog procepa (<0.2 eV). Neki od njih su: indijum-antimonid (InSb), koristi se za detekciju zračenja u opsegu

talasnih dužina od 3-5 µm, dok se i superrešetka koriste

za detekciju zračenja u opsegu talasnih dužina od 8-13 µm. Za sunčeve ćelije koje zahtevaju energetski procep u granicama od 1 do 2.5 eV, gde je najveća gustina sunčeve energije i najveći maksimalni koeficijent iskorišćenja sunčevih ćelija na bazi različitih poluprovodničkih materijala. Danas se najviše istražuju ćelije na bazi Si, GaAs i CdS, pri čemu najviše amorfni silicijum zbog niske cene.Za izradu izvora zračenja (laseri i luminiscentne diode) poželjni su materijali sa direktnim energetskim procepom. Veličina energetskiog procepa se bira prema

željenoj boji zračenja. Materijali koji se koriste: GaAs, InP, ,

superrešetka

25

Luminiscentne (LED) diode izrađuju se od , GaP (crvene i zelene), SiC (crvene), ZnSe (plave), CdS (zelene), …

Slika5.1 integrisana kola danasnjice

Slika 5.2 integrisano kolo (unutrasnjost)26

6. ZAKLJUČAK

Ni sami naučnici koji su radili na istraživanju poluprovodničkih materijala nisu mogli da znaju koliki će uticaj, njihov rad, imati na buduće generacije. Danas se većina elektronskih komponenata I naprava ne može zamisliti bez poluprovodnog materijala, kao osnove. I zato su oni i tema ovog seminarskog rada. U ovom radu obrađrna je klasifikacija tehničkih matrijala. Onovna podela na metalne, keramičke I polimerne materijale a pridodati su I kompozitni materijali, kao I napredni. Poluprovodnički materijali spadaju u grupu naprednih, I bez njih se svet tehnike ne bi se mogao zamisliti. Da bismo bolje razumeli zašto su poluprovodnici toliko upotrebljivi, objašnjene su I neke osnovne karakteristike, naravno, na primeru silicijuma , kao najšire rasprostranjenog u današnjoj industriji. Naveli smo da svi poluprovodnici, i elementarni i poluprovodnička jedinjenja, imaju kristalnu strukturu. Zatim, da postoje dva tipa poluprovodnika: p I n tip , I objasnili njihove razlike a definisan je I pojam energetskog procepa, čija veličina I tip, 26

predstavljaju bitne osobine materijala prilikom njegovog izbora za određenu namenu. Tehnologija dobijanja poluprovodnika se konstantno unapređuje. Ovde je obrađen postupak inženjeringa energetskog procepa jer pri izboru materijala za neku napravu bitna nam je širina energetskog procepa., potom njegov tip, zatim pokretljivost slobodnih nosilaca naelektrisanja I dr. Raznolikost primenjenih poluprovodničkih materijala u obliku jedinjenja, legura I nanostruktura ukazuje na to da je tehnološki moguće vršiti sintezu materijala željenih karakteristika energetskog procepa, što je doprinelo brzom razvoju mnogih oblasti elektrotehnike. Naravno, za današnju izradu integrisanih kola I elektronskih komponenti nezamenljivi su poluprovodnički materijali u obliku masivnih I tankoslojnih monokristala. Zato I jesmo objasnili tehnologije za dobijanje masivnih monokristala: postupak Čohralskog (dobijanje poluprovodnika p-tip) I metod lebdeće zone (dobijanje poluprovodnika n-tip), a I one za dobijanje tankoslojnih monokristala: postupak vakuumskog naparavanja, modifikovani postupak vakuumskog naparavanja (MBE), epitaksija iz parne faze (VPE) i modifikovana epitaksija iz parne faze (MOVPE). Na kraju, upoređene su osobine nekih od najkorišćenijih poluprovodničkih materijala I navedena njihova široka primena. Poluprovodničke materijale koristimo za proizvodnju više tipova integrisanih kola, za izradu elektronskih komponenata, zatim, za svemirske stanice bez ljudske posade, lasere, sunčeve ćelije, u suštini,za sve ono bez čega se život danas ne može zamisliti!

LITERATURA

Pisana literatura:1. Dejan Raković, Fizičke osnove I karakteristike elektrotehničkih

materijala, Elektrotehnički fakultet u Beogradu, 1997.

2. Stojan Ristić, Elektronske komponente, Elektrotehnički fakultet u Nišu, 2010.

Literatur preuzeta sa interneta:

1. www.google.images.com

2. www.wikipedia.org

3. http://www.znrfak.ni.ac.rs/SRB/10-Studije/10-01-OAS/PREDMETI/ TEHNICKI%20MATERIJALI/KOLOKVIJUM/Materijal%20za%20I%20kolokvijum%20TM/3.%20Klasifikacija%20materijala.pdf,

4. http://www.elfak.ni.ac.rs/phptest/new/html/Studije/predavanja- literatura/literatura.htm

5. http://www.automatika.etf.bg.ac.rs/files/predmeti/os4ki/.../ 09_3_mems.pdf