ХИ́МИЯ ПОЛУПРОВОДНИКО́В

ХИ́МИЯ ПОЛУПРОВОДНИКО́В, раз­дел фи­зич. хи­мии, по­свя­щён­ный изу­че­нию взаи­мо­свя­зи ме­ж­ду хи­мич. со­ста­вом, про­стран­ст­вен­ной струк­ту­рой и свой­ст­ва­ми по­лу­про­вод­ни­ков, а так­же раз­ра­бот­ке ме­то­дов син­те­за но­вых по­лу­про­вод­ни­ко­вых ма­те­риа­лов с за­дан­ны­ми функ­цио­наль­ны­ми свой­ст­ва­ми. Х. п. свя­за­на с фи­зи­кой и хи­ми­ей твёр­до­го те­ла, кри­стал­ло­хи­ми­ей, фи­зи­ко-хи­ми­че­ской ме­ха­ни­кой, яв­ля­ет­ся ос­но­вой тех­но­ло­гии по­лу­про­вод­ни­ко­вых и ком­по­зи­ци­он­ных ма­те­риа­лов. Как са­мо­сто­ят. нау­ка сфор­ми­ро­ва­лась в сер. 20 в. в свя­зи раз­ви­ти­ем по­лу­про­вод­ни­ко­вой элек­тро­ни­ки.

Для ПП ха­рак­тер­на силь­ная за­ви­си­мость элек­тро­про­вод­но­сти от внеш­них воз­дей­ст­вий (темп-ры, из­лу­че­ния, элек­трич. и маг­нит­ных по­лей, гид­ро­ста­тич. дав­ле­ния и пр.). Эта за­ви­си­мость, в свою оче­редь, обу­слов­ле­на важ­ней­ши­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми ПП: при­ро­дой час­тиц, об­ра­зую­щих ве­ще­ст­во (хи­мич. со­став); осо­бен­но­стя­ми хи­мич. взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц; по­ряд­ком раз­ме­ще­ния час­тиц в про­стран­ст­ве.

По хи­мич. со­ста­ву ПП под­раз­де­ля­ют на про­стые и слож­ные. Сре­ди про­стых ве­ществ по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют 13 хи­мич. эле­мен­тов, важ­ней­шие из ко­то­рых – гер­ма­ний и крем­ний. К слож­ным ПП от­но­сят двух-, трёх- и мно­го­ком­по­нент­ные не­ор­га­нич. со­еди­не­ния. Слож­ные ПП клас­си­фи­ци­ру­ют по но­ме­рам групп ко­рот­кой фор­мы пе­рио­дич. сис­те­мы, к ко­то­рым при­над­ле­жат вхо­дя­щие в их со­став эле­мен­ты. Хо­ро­шо изу­че­ны со­еди­не­ния A^IIIB^V (GaN, GaAs, InSb и др.), халь­ко­ге­ни­ды A^IIB^VI (ZnS, CdTe и др.) и A^IVB^VI (PbS, SnTe), ок­си­ды пе­ре­ход­ных ме­тал­лов. Важ­ней­ший би­нар­ный ПП – крем­ния кар­бид. Элек­трон­ны­ми и кри­стал­ло­хи­мич. ана­ло­га­ми би­нар­ных со­еди­не­ний A^IIIB^V яв­ля­ют­ся трой­ные ПП ти­па A^IIB^IV. Су­ще­ст­ву­ют так­же слож­ные ор­га­нич. ПП (не­ко­то­рые аро­ма­тич. со­еди­не­ния, ряд по­ли­ме­ров и др.), в ко­то­рых име­ют­ся со­пря­жён­ные хи­мич. свя­зи, т. е. об­щие элек­тро­ны в од­но­мер­ной зо­не про­во­ди­мо­сти.

На свой­ст­ва ПП су­ще­ст­вен­но влия­ют разл. де­фек­ты струк­ту­ры – ва­кан­сии, меж­до­узель­ные ато­мы, ато­мы од­но­го ком­по­нен­та на мес­те дру­го­го, дис­ло­ка­ции, де­фек­ты упа­ков­ки и т. д. Для из­ме­не­ния свойств про­во­дят ле­ги­ро­ва­ние по­лу­про­вод­ни­ков. Ме­то­ды управ­ле­ния со­ста­вом, а сле­до­ва­тель­но, и свой­ст­ва­ми ПП вклю­ча­ют кон­троль не толь­ко не­сте­хио­мет­рии и со­дер­жа­ния при­ме­сей, но и обу­слов­лен­ных ими ти­па и кон­цен­тра­ции де­фек­тов. Син­тез и об­ра­бот­ка ПП про­во­дят­ся в «чис­тых» спе­циа­ли­зир. по­ме­ще­ни­ях с ис­поль­зо­ва­ни­ем глу­бо­ко­го ва­куу­ма, вы­со­ких дав­ле­ний и раз­но­об­раз­ных те­п­ло­вых, ба­ри­че­ских, ра­диа­ци­он­ных и пр. ме­то­дов воз­дей­ст­вия. Со­став ПП с вы­со­кой точ­но­стью кон­тро­ли­ру­ют на ос­но­ве дан­ных диа­грамм со­став – свой­ст­во со­от­вет­ст­вую­щих сис­тем.

Тео­ре­тич. ос­но­вы фи­зич. хи­мии твёр­дых фаз с де­фек­та­ми, имею­щие боль­шое зна­че­ние для раз­ра­бот­ки ме­то­дов син­те­за ПП, за­ло­же­ны в ра­бо­тах Я. И. Френ­ке­ля (1926, СССР), В. Шотт­ки и К. Ваг­не­ра (1930, оба – Гер­ма­ния), Ф. Крё­ге­ра (1956, Ни­дер­лан­ды), ко­то­рые ус­та­но­ви­ли за­ви­си­мость ре­ак­ци­он­ной спо­соб­но­сти твёр­дых фаз от ти­па и кон­цен­тра­ции де­фек­тов.

Важ­ней­шая ха­рак­те­ри­сти­ка ПП – рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти ме­ж­ду час­ти­ца­ми. Тип хи­мич. свя­зи (ко­ва­лент­ный, ион­ный, ме­тал­ли­че­ский) оп­ре­де­ля­ет энер­гию кри­стал­лич. ре­шёт­ки, ши­ри­ну за­пре­щён­ной зо­ны, фи­зич. и хи­мич. свой­ст­ва ПП. Кван­то­вая хи­мия по­зво­ля­ет объ­яс­нить и пред­ска­зать осн. ха­рак­те­ри­сти­ки ПП – ши­ри­ну за­пре­щён­ной зо­ны, эф­фек­тив­ные мас­сы но­си­те­лей и т. д.

По струк­ту­ре – упо­ря­до­чен­но­му раз­ме­ще­нию в про­стран­ст­ве об­ра­зую­щих ве­ще­ст­во час­тиц – ПП под­раз­де­ля­ют на кри­стал­лич. и не­кри­стал­ли­че­ские (аморф­ные и стек­ло­об­раз­ные по­лу­про­вод­ни­ки, жид­кие по­лу­про­вод­ни­ки). Ти­пич­ные пред­ста­ви­те­ли не­кри­стал­лич. ПП – стек­ло­об­раз­ные халь­ко­ге­ни­ды (напр., As₂Se₃, As₂Te₃), ок­сид­ные ма­те­риа­лы ти­па V₂O₅ – P₂O₅ – RO_x (R – ме­талл I–IV групп), ха­рак­те­ри­зую­щие­ся ши­ро­ким диа­па­зо­ном зна­че­ний элек­тро­про­вод­но­сти, низ­ки­ми темп-ра­ми раз­мяг­че­ния, ус­той­чи­во­стью к ки­сло­там и ще­ло­чам. Др. важ­ный не­кри­стал­лич. ПП – аморф­ный гид­ри­ро­ван­ный крем­ний α-Si:H. Управ­ле­ние струк­ту­рой – важ­ней­шая за­да­ча Х. п., осу­ще­ст­в­ляе­мая с по­мо­щью ре­гу­ли­ро­ва­ния со­ста­ва, темп-ры, дав­ле­ния, а так­же ки­не­ти­ки про­цес­сов син­те­за.

В 21 в. воз­ник­ло но­вое на­прав­ле­ние Х. п. – раз­ра­бот­ка ме­то­дов син­те­за и ис­поль­зо­ва­ния по­лу­про­вод­ни­ко­вых на­но­ст­рук­тур. По­лу­про­вод­ни­ко­вые на­но­ча­сти­цы ис­поль­зу­ют для соз­да­ния ла­зе­ров, во­зоб­нов­ляеых ис­точ­ни­ков энер­гии, био­сен­со­ров, фо­то­при­ём­ни­ков и др. по­лу­про­вод­ни­ко­вых при­бо­ров. На­но­ча­сти­цы ПП по­лу­ча­ют дис­пер­ги­ро­ва­ни­ем ком­пакт­ных ма­те­риа­лов (тер­мич. ис­па­ре­ние, оса­ж­де­ние из атом­ных или мо­ле­ку­ляр­ных пуч­ков и т. д.) или хи­мич. сбор­кой (оса­ж­де­ни­ем из рас­тво­ров с за­держ­кой рос­та за­ро­ды­шей на ста­дии на­но­раз­ме­ров, ис­поль­зуя ме­тод кап­су­ли­ро­ва­ния, по­верх­но­ст­но ак­тив­ные ве­ще­ст­ва и т. д.). Но­вую об­ласть в Х. п. от­кры­ва­ет по­слой­ный син­тез (GaN, GaAs и т. д.) из атом­ных пуч­ков с пре­ци­зи­он­но ре­гу­ли­руе­мым со­ста­вом, а так­же вы­ра­щи­ва­ние эпи­так­си­аль­ных сло­ёв ши­ро­ко­зон­ных ПП (SiC, GaN, AlN, ZnO) с по­мо­щью ге­те­ро­ген­ных хи­мич. ре­ак­ций.