반도체 소재란 무엇입니까?

반도체 재료

작성자: 2004-3-5 1 1: 44: 48 을 입력하여 3037 회 읽습니다.

전도율이 도체와 절연체 사이에 있는 물질을 반도체라고 합니다. 반도체 재료는 반도체 특성을 지닌 전자 재료로 반도체 부품을 만들고 전기를 통합하는 데 사용할 수 있다. 전도율 범위는 10 (U-3) 부터 10 (U-9) 옴/센티미터까지입니다. 반도체 재료의 전기적 성질은 빛, 열, 전기, 자기 등 외부 요인의 변화에 매우 민감하며 반도체 재료에 소량의 불순물을 섞어서 이런 재료의 전도율을 조절할 수 있다. 반도체 재료의 이러한 특성을 이용하여 다양한 기능을 갖춘 반도체 부품을 제조한 것이다. 반도체 재료는 반도체 공업의 기초이며, 그것의 발전은 반도체 기술의 발전에 큰 영향을 미친다. 반도체 재료는 그 화학 성분과 내부 구조에 따라 대략 다음과 같은 범주로 나눌 수 있다. 1. 원소 반도체에는 게르마늄, 실리콘, 셀레늄, 붕소, 텔 루륨, 안티몬 등이 포함됩니다. 1950 년대 반도체는 게르마늄을 위주로 했지만, 게르마늄 반도체는 고온과 방사능 내성이 떨어지면서 60 년대 후반에 실리콘 재료로 점차 대체되었다. 실리콘으로 만든 반도체 부품은 고온과 방사선 내성이 뛰어나 고전력 부품을 만드는 데 특히 적합하다. 따라서 실리콘은 가장 널리 사용되는 증도체 재료가 되었다. 현재 대부분의 집적 회로는 실리콘으로 만들어져 있습니다. 2. 화합물 반도체는 두 개 이상의 원소가 결합된 반도체 재료이다. 비소화, 인화 인듐, 브롬화 인듐, 탄화 규소, 황화 카드뮴, 비소화 갈륨 실리콘은 여러 가지가 있습니다. 그중에서 비소화는 마이크로웨이브를 제조하고 전기를 통합하는 중요한 재료이다. 탄화 실리콘은 내방사선 능력, 고온, 화학적 안정성이 뛰어나 항공 우주 기술 분야에 널리 사용되고 있다. 3. 비정질 반도체 소재로 반도체로 사용되는 유리는 비정질 비정질 반도체 소재로 산화물 유리와 비산화물 유리로 나눌 수 있다. 이러한 재질은 스위치 및 메모리 특성이 우수하고 방사선 내성이 강하며 주로 임계값 스위치, 메모리 스위치 및 솔리드 디스플레이 장치를 만드는 데 사용됩니다. 4. 유기 전도성 물질로 알려진 유기 반도체 재료는 수십 가지가 있는데, 여기에는 나프탈렌, 안트라센, 폴리 아크릴로 니트릴, 프탈로시아닌 및 일부 방향족 화합물이 포함되어 있으며 아직 적용되지 않았습니다.

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주로 비정질 반도체 재료로 만든 고체 전자 장치. 비결정질 반도체는 전체적으로 분자가 무질서하게 배열되어 있지만 여전히 단결정의 미시적 구조를 가지고 있어 많은 특수한 성질을 가지고 있다. 1975 년 영국 W.G. Speer 는 글로우 방전 분해 실리콘법으로 만든 비결정질 실리콘 박막을 성공적으로 섞어서 비결정질 실리콘 박막의 저항률을 10 으로 바꿔 비결정질 반도체의 발전과 응용을 촉진시켰다. 단결정 재질에 비해 비결정질 반도체 재료의 제비공예는 간단하고, 라이닝 구조에 대한 특별한 요구 사항이 없고, 넓은 면적에서 자라기 쉬우며, 도핑 후 저항률이 크게 변하여 각종 부품을 만들 수 있다. 비결정질 실리콘 태양전지 흡수 계수가 크고, 변환 효율이 높고, 면적이 커서 계산기, 전자시계 등에 적용되었습니다. 비결정질 실리콘 박막 전계 효과 트랜지스터 어레이는 넓은 영역의 LCD 패널에 대한 주소 지정 스위치로 사용할 수 있습니다. 일부 황족화물 비정질 반도체 재료의 구조적 전환을 이용하여 광전기 정보를 기록하고 저장하는 장치는 이미 컴퓨터나 제어 시스템에 적용되었다. 비결정질 박막의 전하 저장 및 광전도 특성을 이용하여 정전기 복사기의 센서와 정적 이미지 광전 변환을 위한 TV 카메라 튜브 과녁면을 만들 수 있습니다.

반도체 특성을 가진 비정질 재료. 비정질 반도체는 반도체의 중요한 구성 요소이다. 1950 년대에 B.T. Kolomiyets 등이 유황계 유리를 연구하기 시작했는데, 당시에는 별로 관심이 없었다. 1968 년 S.R. Ovschensky 가 황족화물 박막으로 스위치 부품을 만드는 특허가 발표될 때까지 비정질 반도체에 관심이 생겼습니다. 1975 년, W.E. Speer 등은 실리콘 글로우 방전 분해법으로 제작된 비결정질 실리콘에서 도핑 효과를 발생시켜 컨덕턴스와 제조 PN 매듭을 조절할 수 있게 하여 비결정질 실리콘 재료의 응용에 대한 넓은 전망을 열어줍니다. 이론적으로 P.W. Anderson, Mott 및 N.F. 는 비정질 반도체의 전자 이론을 확립하여 65438-0977 년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 현재, 비정질 반도체의 연구는 이론적으로나 응용에서도 급속히 발전하고 있다.

분류는 현재 비정질 반도체의 두 가지 주요 유형이 있다.

유황 유리. 황 함유 원소의 비정질 반도체. As-Se 와 As-S 와 같은 일반적인 준비 방법은 용융 냉각 또는 기상 침착입니다.

사면체 결합 비정질 반도체. 무정형 실리콘, 게르마늄, GaAs 등을 예로 들 수 있습니다. 이 재질의 비결정질은 박막 퇴적 (예: 증발, 스퍼터링, 글로우 방전, 화학 기상 퇴적 등) 을 통해서만 얻을 수 있다. ). 기판 온도가 충분히 낮으면 퇴적된 박막이 무정형이다. 사면체 키 비결정질 반도체 재료의 성질은 제비공예와 조건과 밀접한 관련이 있다. 그림 1 다른 방법으로 준비한 비결정질 실리콘의 광 흡수 계수는 각기 다른 공정으로 제조된 비결정질 실리콘의 광 흡수 계수 스펙트럼을 제공합니다. 여기서 A 와 B 는 실리콘 글로우 방전 분해법으로, 라이닝 온도는 각각 500K 와 300K, C 는 스퍼터링으로, D 는 증발법으로 준비됩니다. 비결정질 실리콘의 전도성과 광전도성도 제비 공예와 밀접한 관련이 있다. 실제로 실란 글로우 방전법으로 제작된 비결정질 실리콘은 대량의 H 를 함유하고 있으며, 간혹 비결정질 Si-H 합금이라고도 한다. 서로 다른 공예 조건과 수소 함량이 다르면 재료의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 반대로, 황계 유리의 성능은 제비 방법과 크게 관계가 없다. 그림 2 기상 증착 스퍼터링 필름 및 용융 담금질 블록 결정의 광 흡수 계수 스펙트럼은 전형적인 예를 보여줍니다. 용융 냉각법과 스퍼터링법으로 준비한 석영 샘플의 광 흡수 계수 스펙트럼 곡선은 동일합니다.

비정질 반도체의 전자 구조인 비정질 반도체와 결정질 반도체는 유도대, 가격대대, 금대 등 비슷한 기본 밴드 구조를 가지고 있다 (고체의 밴드 참조). 재료의 기본 밴드 구조는 주로 원자 부근의 상황에 달려 있으며 화학결합 모델로 정성적으로 해석할 수 있다. 사면체 키가 있는 비결정질 Ge 와 Si 를 예로 들면, Ge 와 Si 의 네 가지 원자가 전자는 sp 에 의해 혼성되고, 인접한 원자의 원자가 전자들 사이에 원자가 결합이 형성되며, 그 결합 상태는 해당 벨트에 해당한다. 반키 상태는 가이드 밴드에 해당합니다. Ge 와 Si 는 결정질이든 비결정형이든 기본 결합 방식은 같지만 비결정질 하반각과 키 길이에는 어느 정도 왜곡이 있기 때문에 기본적인 밴드 구조는 비슷하다. 그러나 비결정질 반도체에서는 전자상태와 결정상태 사이에 본질적인 차이가 있다. 결정체 반도체의 구조는 주기적이고 질서 정연하거나 변환 대칭성을 가지고 있다. 전자 파동 함수는 블로흐 함수이고, 파동은 변환 대칭과 연관된 양자 수입니다. 비결정질 반도체는 주기성이 없어 더 이상 좋은 양자수가 아니다. 결정체 반도체에서 전자의 움직임은 상대적으로 자유롭고, 전자운동의 평균 자유 거리는 원자 간격보다 훨씬 크다. 비결정질 반도체의 구조적 결함의 왜곡은 전자의 평균 자유 거리를 크게 감소시켰다. 평균 자유 거리가 원자 간격의 양급에 가까울 때, 결정체 반도체에 설정된 전자 표류 운동의 개념은 무의미하게 된다. 비결정질 반도체 밴드 가장자리의 상태 밀도 변화는 결정질 반도체만큼 가파르지는 않지만, 그림 3 비결정질 반도체 상태 밀도와 에너지의 관계에 나와 있는 바와 같이 다양한 정도의 꼬리가 있습니다. 비결정질 반도체가 가지고 있는 전자상태는 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 하나는 확장 상태라고 하고, 하나는 국역상태라고 한다. 스트레칭 상태의 모든 전자는 전체 고체에 의해 점유되어 고체의 전체 척도에서 찾을 수 있다. 외야에서의 운동은 결정체의 전자 움직임과 비슷하다. 국역 상태에 있는 각 전자는 기본적으로 한 영역으로 제한되며, 그 파동 함수는 특정 지점 근처의 작은 규모에서만 0 과 크게 다를 수 있습니다. 점프 전도를 위해 포논의 도움이 필요합니다. 띠에서 띠의 중심 부분은 확장이고, 띠의 꼬리는 국역이다. 그림 4 에서 비정질 반도체의 확장 상태, 로컬 상태 및 이동률 가장자리의 합계와 같은 경계가 있습니다. 이 경계를 이동성 가장자리라고 합니다. 1960 에서 Mott 는 먼저 이동성 가장자리의 개념을 제시했습니다. 이동률을 전자상태 에너지의 함수로 본다면, Mott 는 국경에서의 이동율에 돌연변이가 있다고 생각한다. 정역 상태의 전자는 점프 전도성으로 격자 진동과 에너지를 교환하여 한 정역 상태에서 다른 정역 상태로 점프하기 때문에 온도가 0K 가 되면 정역 전자의 이동률이 0 이 된다. 확장 상태의 전자전도는 결정체의 전도와 유사하며, 이동률이 0 K 일 때 유한한 값으로 향하는 경향이 있으며, Mott 는 이동률 가장자리가 전자 평균 자유도가 원자 간격에 가까운 상황에 해당한다고 더 판단합니다. 이 경우 전도율은 최소 금속화전도율로 정의됩니다. 그러나 마이그레이션률 가장자리와 최소 금속화 전도율을 둘러싼 논란은 여전하다.

결정체 반도체에 비해 결함이 있는 비결정질 반도체에 많은 결함이 있다. 이러한 결함은 밴드 갭에 일련의 국부 에너지 등급을 도입하여 비정질 반도체의 전기적 및 광학 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 사면체 결합 비정질 반도체와 황족 화물 유리는 결함 방면에서 현저한 차이가 있다.

비정질 실리콘의 결함은 주로 공극과 마이크로 공동이다. 실리콘 원자의 바깥쪽에는 4 개의 원자가 전자가 있는데, 정상적인 상황에서는 4 개의 인접한 실리콘 원자와 4 개의 원자가 결합을 형성해야 한다. 빈자리와 미세한 틈새가 있어 일부 실리콘 원자 주위의 인접한 원자 네 개가 부족해 매달린 건반이 생기고 중성 매달린 건반에는 묶이지 않은 전자가 있다. 매달림 키에는 두 가지 전기 상태가 있을 수 있습니다. 즉, 구속되지 않은 전자를 양전하 중심으로 방출하는 것이 시주 상태입니다. 두 번째 전자를 음의 중심으로 받아들이는 것은 주체적이다. 그것들의 상응하는 에너지 수준은 금지 구역 내에 있으며, 각각 시주 에너지 수준과 피주 에너지 수준이라고 불린다. 주태는 매달림 키에 두 개의 전자가 있다는 것을 의미하기 때문에 두 전자 사이의 쿨롱 거부로 인해 주능급이 시주능급보다 높아져 정관련 에너지라고 한다. 따라서 일반적으로 공중에 떠 있는 키는 하나의 전자만 차지하는 중성 상태로 유지되며, 공중에 떠 있는 키에서 쌍을 이루지 않는 전자의 스핀 * * * 진동이 실험에서 관찰됩니다. 1975 에서 Speer 등은 먼저 실리콘 글로우 방전을 통해 비결정질 실리콘의 도핑 효과를 달성했다. 이런 방법으로 제조된 비결정질 실리콘에는 수소가 많이 함유되어 있고 수소와 매달린 키의 결합은 결함 상태의 수를 크게 줄였기 때문이다. 이러한 결함은 또한 효과적인 복합 센터입니다. 불균형 유류자의 수명을 높이기 위해서는 결함 상태의 밀도도 줄여야 한다. 따라서 비결정질 실리콘의 결함을 제어하는 것이 재질 준비에서 중요한 문제 중 하나가 되었습니다.

황계 유리의 결함 형태는 단순한 매달림 키가 아니라' 가격 쌍' 이다. 황계 유리가 비결정질 실리콘과 다르다는 사실이 처음 발견되어 결함 상태의 전자의 스핀 진동을 관찰할 수 없었다. 이런 표면적 이상 현상에 대해 Mott 등은 Anderson 의 음의 관련 에너지 가설에 따라 MDS 모델을 제시했다. 결함 상태가 두 전자를 차지할 때 격자 왜곡이 발생할 수 있습니다. 왜곡으로 줄어든 에너지가 전자간 쿨롱 반발 에너지를 초과하면 음의 관련 에너지를 나타낼 수 있다. 즉, 주 에너지급이 시주 에너지급 이하라는 뜻이다. D, D, D 는 각각 결함에 대한 전자의 소유가 없는 소유, 1 소유, 2 소유 상태를 나타냅니다. 음의 상관 관계는 다음을 의미 할 수 있습니다.

2d-→ d+d

열을 방출합니다. 따라서 결함은 주로 D 와 D 로 존재하며, 쌍 전자가 없기 때문에 전자의 스핀 진동이 없다. 많은 사람들이 d, d, d 결함의 구조를 분석했다. 무정형 셀레늄을 예로 들다. 텅스텐에는 6 개의 원자가 전자가 있는데, 두 개의 원자가 결합을 형성할 수 있는데, 보통 체인 구조로 되어 있고, 다른 두 개의 미완성 P 전자는 고독 전자라고 불린다. 체인의 끝에는 중성 공중에 떠 있는 키가 있어 왜곡될 가능성이 높으며, 인접한 고독 키와 결합하여 전자 (D 형) 를 방출하고, 방출되는 전자와 다른 공중에 떠 있는 키가 결합되어 한 쌍의 고독 (D 형) 을 형성합니다 (그림 5 황계 유리의 가격 쌍). 그래서 이 D 와 D 를 교환 쌍이라고도 합니다. 쿨롱의 중력으로 인해 D 와 D 는 보통 쌍으로 함께 기대어 밀접한 가격 쌍을 형성한다. 황계 유리의 결합 방식이 약간 변하기만 하면 비슷한 가격 쌍을 형성할 수 있다. 그림 6 의 가격 대 자체 강화 효과에 표시된 바와 같이, 이 자체 강화 효과에는 필요한 에너지가 적고 자체 강화 효과가 있기 때문에 이런 결함의 농도는 보통 매우 높다. 가격 대 모델은 황계 비정질 반도체의 빛의 스펙트럼과 광전자 스핀 * * * 진동 등 일련의 실험 현상을 설명하는 데 사용될 수 있다.

비결정질 반도체의 응용은 기술 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있다. 오랫동안 무정형 황은 복사 기술에 광범위하게 사용되었다. S.R. Ovsinski 가 최초로 개발한 As-Te-Ge-Si 계 유리 반도체는 이미 상업적으로 생산되어 광펄스 유리화 마이크로결정막의 특성을 이용하여 제작된 광메모리를 개발하고 있다. 현재 비정질 실리콘 연구에서 가장 많이 사용되는 응용은 태양전지이다. 결정질 실리콘보다 비결정질 실리콘의 제비 공정이 더 간단하고 대면적 제작이 용이합니다. 비결정질 실리콘은 태양광에 매우 효율적으로 흡수되며, 부품은 두께가 약 1 미크론인 박막 재질만 있으면 됩니다. 이에 따라 값싼 태양전지를 만들 것으로 예상되면서 에너지 전문가들의 관심이 쏠리고 있다. 최근 LCD 디스플레이와 집적 회로에서 비결정질 실리콘 전계 효과 트랜지스터를 사용하려고 했습니다.