Всі органічні тверді напівпровідникові матеріали можна розділити на п'ять груп: молекулярні кристали, молекулярні комплекси, металоорганічні комплекси, полімерні напівпровідники й пігменти.
Молекулярні кристали - поліциклічні низькомолекулярні ароматичні сполуки, відмінними рисами яких є їх кристалічністю і наявність ароматичних кілець із системою сполучених подвійних зв'язків. До таких матеріалів ставляться антрацен С14Н10, нафталін С10Н8, фенатрен, перилен, коронен, віолантрен і фталоціаніни. Серед речовин цього класу багато з них володіє дірковою провідністю й .характеризуються енергією активації порядку 1—3 еВ, низькою рухливістю носіїв заряду і питомим опором.
Молекулярні комплекси — поліциклічні низькомолекулярні сполуки, що характеризуються електронною взаємодією між молекулами речовини. Молекулярні комплекси володіють, як правило, значно більшою електропровідністю, чим молекулярні кристали, і являють собою сполуки донорно-акцепторного типу. Одна молекула такої речовини здатна приєднувати електрон, а друга - його віддавати. Тому такі сполуки називають також комплексами з передачею заряду. При передачі заряду виникає іонний зв'язок між молекулами [7].
Металоорганічні комплекси — низькомолекулярні речовини, молекула яких містить у центрі атом металу. Прикладом таких речовин може служити фталоціанін міді. Такі матеріали мають енергію активації носіїв заряду більше
1 еВ і відрізняються щодо високою рухливістю носіїв зарядів, що досягає 10 см2/с. Основними носіями є дірки.
Полімерні напівпровідники — матеріали, відмінними рисами яких у порівнянні з низькомолекулярними є довгі ланцюги сполучення в макромолекулах і більше складна фізико-хімічна будова. З подовженням ланцюгового сполучення підвищується електропровідність і знижується енергія активації.
Пігменти - барвники, що володіють напівпровідниковими властивостями. Прикладом можуть служити індиго, еозин, пінаціонол, радофлавін, радамін, тріпафлавін і ін. Є також природні пігменти: хлорофіл, каротин і ін. Серед пігментів зустрічаються як електронні, так і діркові напівпровідники: катіонні пігменти мають провідність n-типу, аніонні - р-типа. Для пігментів характерна висока енергія забороненої зони й низька електропровідність.
Основним критерієм використання органічних напівпровідникових матеріалів є їхня чистота. Тому питання очищення цих матеріалів від домішок дуже важливий. Звичайно для очищення органічних речовин використають чотири методи: кристалізацію з розчину, сублімацію, хроматографію з розчину або пари й зонне очищення. Як вихідні матеріали, використовуваних для виготовлення різних приладів, застосовують як монокристалічні, так і полікристалічні зразки органічних напівпровідників.
Органічні напівпровідники знаходять застосування в окремих областях електроніки й радіотехніки. Так, їх використають при виготовленні терморезисторів з високою температурною стабільністю п'єзоелементів, резонансних контурів в інтегральних схемах, радіаційних дозиметрів, детекторів інфрачервоного випромінювання, фоторезисторів, квантових генераторів, й іншими приладами. До переваг різних типів приладів і інтегральних схем, виготовлених на основі органічних напівпровідникових матеріалів, ставляться висока механічна й кліматична стійкість в умовах тропічного клімату й при підвищених вібраційних і ударних навантаженнях.
У цей час ведуться роботи з одержання нових видів органічних напівпровідникових матеріалів і дослідженню їх електрофізичні властивостей. Відкриття раніше невідомих властивостей цих матеріалів дозволить ще ширше використати їх у народному господарстві.
2. ЗАСТОСУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ ТА ВИМОГИ ДО НИХ
Більшість приладів виготовляють із напівпровідникових пластин або кристалів, вирізаних з монокристалічних злитків. Монокристалічні злитки круглого перетину одержують методом спрямованої кристалізації розплавів. Останнім часом широке застосування знаходять також монокристалічні епітаксійні плівки.
Легуючі домішки повинні бути розподілені рівномірно але всьому об'єму монокристалічного злитка, що забезпечує однакові параметри всієї партії приладів, виготовлених з одного злитка напівпровідникового матеріалу, і дозволяє налагодити масовий випуск однотипних приладів.
Більшість напівпровідникових матеріалів, такі, як германій, кремній, карбід кремнію й ін., мають високу стійкість до впливу навколишнього середовища. Однак деякі напівпровідникові сполуки типу А111—Bv (антимонід, арсенід і фосфід алюмінію) не стійки у вологій атмосфері, тобто вони гідролізуються, що є серйозною перешкодою для їхнього масового застосування.
Вимоги до температуростійкості диктуються максимальними й мінімальними робочими температурами експлуатації напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральних схем. Верхня межа робітників, температур напівпровідникових матеріалів залежить від ширини їхньої забороненої зони. Нижня межа робочих температур напівпровідникових матеріалів визначається енергією іонізації легуючих домішок.
Верхня межа робочої частоти напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральних схем визначається рухливістю електронів і дірок, а також діелектричною проникністю матеріалів, з яких вони виконані. Для напівпровідникового матеріалу певного типу провідності, рухливість має максимальне значення в некомпенсованому матеріалі. Тому матеріал, застосовуваний для виготовлення приладів, повинен мати яскраво вираженими електронними або дірковими властивості.
Більшість напівпровідникових приладів, за винятком імпульсних, виготовляють із матеріалу з досить більшим часом життя неосновних носіїв зарядів, а імпульсні напівпровідникові діоди - з матеріалу з малим часом життя неосновних носіїв зарядів. Для приладів, що використають ефект Холу, найкраще підходять напівпровідникові матеріали з високою рухливістю й малою концентрацією носіїв заряду, що забезпечують велику холівську напругу. Для виготовлення магнітоелектричних приладів використають арсенід індію й телурид ртуті.
Термоелектричні прилади виготовляють із напівпровідникових матеріалів, що забезпечують максимальний коефіцієнт ефективності, тобто які мають високу і низьку теплопровідність. Такими властивостями володіють антимонід цинку телурид і селенід вісмуту [7].
При виборі матеріалів для фотоприладів керуються в першу чергу спектральною чутливістю напівпровідникового матеріалу. Зменшують інерційність фотоприладів застосуванням матеріалів з малим часом життя неосновних носіїв заряду. При виготовленні фотоперетворювачів (сонячних батарей) особливе значення має ширина забороненої зони, що визначає ефективність роботи цих приладів.
Напівпровідникові матеріали для лазерів повинні мати зроблену структуру, тому що сторонні домішки й дефекти приводять до появи усередині забороненої зони проміжних енергетичних рівнів. Крім того, ці матеріали повинні мати високу рухливість носіїв заряду при даній їхній концентрації.
Люмінесцентні діоди виготовляють із напівпровідників, що володіють здатністю до випромінювальної рекомбінації: арсенідів і фосфідів індію й галію, карбіду кремнію, сульфіду цинку й ін. Основний параметр цих приладів - довжина хвилі випромінювання залежить від властивостей вихідного, напівпровідникового матеріалу й, зокрема, від ширини забороненої зони.
3. ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
3.1 Зонна структура напівпровідникових сплавів
На зонній діаграмі бінарної системи Ge-xSi-x в області Ge0.85-Si0.15 виявляється злам. Це було виявлено ще в 1954 році [4], але отримало пояснення пізніше, з розвитком математичного апарату фізики твердого тіла.
Ширина забороненої зони в германії визначається енергетичною щілиною в забороненій зоні між мінімумом у краю зони провідності в напрямі [111] і максимумом валентної зони в крапці [000]. При додаванні кремнію в германій щілина, що визначає ширину забороненої зони, збільшується практично лінійно. Швидкість підйому мінімумів, лежачих в напрямі [111], більше, ніж швидкість пониження мінімумів, лежачих в напрямі [100].
При 15% Si в розчині обидва типи мінімумів (уподовж [100] в кремнії і уподовж [111] (у германії) однаково віддалені від максимуму валентної зони в крапці [000]. Таким чином, в розчинах при концентрації кремнію нижче 15% ширина забороненої зони сплаву визначається мінімумом, лежачим в напрямі [111], а вище за це значення концентрацій - в напрямі [100] [3].
З цього виходить, що при виготовленні електронних приладів бажано уникати використання сплавів складу Si0.15Ge0.85, оскільки мабуть поява в матеріалі (в результаті обробки і пов'язаних з нею процесів) острівців з параметрами, що відрізняються від параметрів решти об'єму матеріалу. Особливо це може бути помітно при створенні елементів на пластинах, вирощених методом Чохральського, як буде показано нижче.
3.2 Методи виробництва кремній германієвих сплавів
Виробництво Si1-xGex сплавів і структур можливо різними методами, такими як кристалізація з розплавів, метод БЗП (бестигельной зонної плавки), жидкофазная эпитаксия і ін. Технології виробництва, як правило, не освітлюють у пресі, але із статей можна прослідкувати основні джерела матеріалів.
Наприклад:
- монокристали Si1-xGex p-типа провідності вирощувалися в інституті зростання кристалів (Берлін, Німеччина) методом Чохральського [4];
- монокристали твердих розчинів Si1-xGex були вирощені методом електронно-променевої бестигельной зонної плавки [5];
- тверді розчини Si1-xGex вирощені методом ЖФЕ на монокристалічних підкладках мазкі КЕФ-5 з питомим опором і кристалографічною орієнтацією (111) [6].
Перш за все це означає, що розвернути виробництво кремній-германієвих злитків і пластин на наявному в Росії парку устаткування – це питання невеликого часу. Для цих матеріалів можливо використовувати наявні установки зростання, різкі шліфовки епітаксіального нарощування і тому подібне без змін конструкції і, можливо, без значного втручання в технології, що діють.