Элементарные полупроводники группы IV

Кристаллическая структура и симметрия

Элементарные полупроводники группы IV — кремний (Si), германий (Ge) и олово (α-Sn в алмазоподобной модификации) — кристаллизуются в структуре типа алмаза. Эта структура представляет собой гранецентрированную кубическую решётку, в которой каждая элементарная ячейка содержит два атома, смещённых друг относительно друга на вектор (¼, ¼, ¼). Каждый атом окружён четырьмя ближайшими соседями, расположенными в вершинах тетраэдра, что соответствует четырём ковалентным sp³-гибридным связям.

Высокая симметрия кристаллической решётки определяет характер энергетических зон, в частности наличие запрещённой зоны между валентной и зоной проводимости. Симметрия также влияет на эффективные массы носителей, а следовательно, на электронные и транспортные свойства.

Энергетическая зонная структура

В полупроводниках группы IV энергетическая зонная структура формируется в результате перекрытия электронных орбиталей внешней оболочки.

• Кремний (Si): запрещённая зона шириной ~1,1 эВ при 300 К, косвенный переход (минимум зоны проводимости находится вблизи X-точки зоны Бриллюэна, а максимум валентной зоны — в Γ-точке).
• Германий (Ge): запрещённая зона ~0,66 эВ при 300 К, также косвенный переход (минимум зоны проводимости в L-точке).
• Олово (α-Sn): в алмазоподобной модификации при комнатной температуре обладает нулевой или даже отрицательной шириной запрещённой зоны, переходя к полуметаллическому состоянию.

Косвенная природа запрещённой зоны у Si и Ge приводит к низкой вероятности радиационных рекомбинационных процессов, что объясняет их слабую фотолюминесценцию в видимой области спектра.

Электронные свойства

Особенности зонной структуры определяют транспортные характеристики:

• Эффективные массы: в Si электроны обладают сравнительно малой эффективной массой (~0,26 m₀), тогда как дырки имеют большую массу (~0,39–0,81 m₀ в зависимости от направления). В Ge электронная масса ещё меньше (~0,12 m₀), что делает германий более подвижным материалом для носителей заряда.
• Подвижность носителей: у Ge подвижность электронов и дырок выше, чем у Si, что объясняет его использование в первых транзисторах. Тем не менее, кремний благодаря более высокой термической стабильности и меньшей чувствительности к дефектам стал основным материалом современной микроэлектроники.

Температурные зависимости

Ширина запрещённой зоны уменьшается с ростом температуры. Например, у кремния при 0 К ширина запрещённой зоны составляет около 1,17 эВ, а при 300 К — 1,1 эВ. Аналогично у германия величина E₉ снижается от ~0,74 эВ (0 К) до ~0,66 эВ (300 К).

Рост температуры также приводит к увеличению концентрации собственных носителей заряда. Для Si при 300 К эта концентрация составляет ~10¹⁰ см⁻³, а для Ge — около 2·10¹³ см⁻³. Это объясняет, почему германий менее устойчив к термическим шумам и почему кремний более предпочтителен для работы при высоких температурах.

Дефекты и рекомбинация

Кристаллы элементарных полупроводников содержат различные точечные дефекты — вакансии, межузельные атомы, примеси. Они оказывают сильное влияние на кинетику носителей заряда, создавая уровни рекомбинации внутри запрещённой зоны.

В кремнии наиболее типичными дефектами являются кислородные и углеродные примеси, а также дислокации, возникающие в процессе выращивания монокристаллов методом Чохральского. В германии доминируют дефекты, связанные с вакансиями, что обусловлено большей подвижностью атомов.

Рекомбинация может протекать по трем основным механизмам:

• радиационная рекомбинация (прямая, с излучением фотона),
• безызлучательная рекомбинация по механизму Шокли–Рида–Холла через глубокие уровни,
• оже-рекомбинация, доминирующая при высоких концентрациях носителей.

Технологические особенности

• Кремний является базовым материалом для интегральных схем и полупроводниковой электроники благодаря высокой прочности связей, широким технологическим возможностям (термическое окисление, создание SiO₂ в качестве диэлектрика) и относительно низкой себестоимости.
• Германий применяется в инфракрасной оптике, детекторах и высокочастотных приборах, а также в качестве компонента в кремний-германиевых (SiGe) сплавах для улучшения характеристик транзисторов.
• Олово в форме α-Sn изучается как перспективный материал в области топологических изоляторов и новых квантовых состояний вещества.

Перспективы исследования

Элементарные полупроводники группы IV продолжают оставаться в центре научных исследований. Кремний остаётся основой микро- и наноэлектроники, германий возвращается в качестве материала для высокоскоростных и оптических применений, а α-Sn рассматривается как платформа для исследований квантовых вычислений и спинтроники.