Open Library - открытая библиотека учебной информации. Полупроводниковые материалы их свойства и применение
| электронике">полупроводниковой электронике используют главным образом кристаллические Полупроводниковые материалы Большинство из них имеет кристаллическую структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры алмаза. Значительную роль в развитии полупроводниковой техники сыграл селен: селеновые выпрямители долгое время оставались основными полупроводниковыми приборами, получившими массовое применение. В начале 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые Полупроводниковые материалы — кремний и германий. Обычно их изготовляют в виде массивных монокристаллов, легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10-3—104ом×см получают преимущественно методом вытягивания из расплава (по Чохральскому), а легированные монокристаллы Ge с удельным сопротивлением 0,1—45 ом×см получают, кроме того, зонной плавкой. Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, Al, Ga, In) — дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов, транзисторов, интегральных микросхем и т.д. Большую группу Полупроводниковые материалы составляют химические соединения типа AIIIBV (элементов III группы с элементами V группы) — арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb, AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Синтез и выращивание монокристаллов обычно производят в замкнутых сосудах из высокотемпературных химически инертных материалов, обладающих высокой прочностью, поскольку давление насыщенного пара над расплавом таких элементов, как Р и As, сравнительно велико. Примеси элементов II группы придают этим Полупроводниковые материалы, как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы — электронную. Полупроводниковые материалы этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах, Ганна диодах, фотоэлектронных умножителях, в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн. Полупроводниковые материалы типа AiiBvi из которых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преимущественно с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих Полупроводниковые материалы определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование Полупроводниковые материалы этого типа связано главным образом с их оптическими свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в фоторезисторах, фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения (см. Модуляция света) и т.д. К Полупроводниковые материалы относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Te, и оксидные системы, например V2O5 — P2O5 — RxOy, где R — металлы I — IV групп, х — число атомов металла и у — число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении.
Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов
Полупроводниковые материалы характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик Полупроводниковые материалы, например ширина запрещенной зоны и эффективная масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации химических примесей и степени совершенства кристаллической решётки. Но многие параметры практически полностью определяются концентрацией и природой химических примесей и структурных дефектов. Некоторые физические свойства важнейших Полупроводниковые материалы приведены в таблице. В электронных приборах Полупроводниковые материалы используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических слоев (толщиной от долей мкм до нескольких сотен мкм), нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки (см. Микроэлектроника). В таких устройствах Полупроводниковые материалы должны обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств Полупроводниковые материалы в пределах монокристалла или слоя, а также степень совершенства их кристаллической структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.). В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству структуры Полупроводниковые материалы технология их производства весьма сложна и требует высокой стабильности технологических режимов (постоянства температуры, расхода газовой смеси, продолжительности процесса и т.д.) и соблюдения специальных условий, в частности т. н. полупроводниковой чистоты аппаратуры и помещений (не более 4 пылинок размером свыше 0,5 мкм в 1 л воздуха). Продолжительность процесса выращивания монокристаллов в зависимости от их размеров и вида Полупроводниковые материалы составляет от нескольких десятков мин до нескольких сут. При обработке Полупроводниковые материалы в промышленных условиях используют процессы резания Полупроводниковые материалы алмазным инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами, термической обработки, травления щелочами и кислотами. Контроль качества Полупроводниковые материалы весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры Полупроводниковые материалы: химический состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава Полупроводниковые материалы обычно пользуются оптическими, спектральными, масс-спектроскопическими и активационными методами. Электрофизические характеристики измеряют т. н. зондовыми методами или используют Холла эффект. Совершенство структуры монокристаллов исследуют методами рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Толщину слоев измеряют либо бесконтактными оптическими методами, либо методами сошлифовки слоя.
Лит.: Технология полупроводниковых материалов, пер. с англ., М., 1961; Родо М., Полупроводниковые материалы, пер. с франц., М., 1971; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973; Палатник А. С., Сорокин В. К., Основы пленочного полупроводникового материаловедения, М., 1973; Кристаллохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ, М., 1973. Ю. Н. Кузнецов, А. Ю. Малинин.
Статья про слово "Полупроводниковые материалы" в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 14316 раз | Интересное | ||||||||
bse.sci-lib.com
Электротехнические материалы, их свойства и применение
Эффективная и долговечная работа электрических машин и установок напрямую зависит от состояния изоляции, для устройства которой применяют электротехнические материалы. Они характеризуются набором определенных свойств при помещении в условия электромагнитного поля, и устанавливаются в приборах с учетом этих показателей.
Классификация электротехнических материалов позволяет разделить на отдельные группы электроизоляционных, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалов, которые дополняются основными изделиями: конденсаторами, проводами, изоляторами и готовыми полупроводниковыми элементами.
Материалы работают как в отдельных магнитных или электрических полях с определенными свойствами, так и подвергаются действию нескольких излучений одновременно. Магнитные материалы условно подразделяют на магнетики и слабомагнитные вещества. В электрической технике наиболее широко применяют сильномагнитные материалы.
Наука о материалах
Материалом называется субстанция, характеризующаяся отличным от других объектов химическим составом, свойствами и структурой молекул и атомов. Вещество находится в одном из четырех состояний: газообразном, твердом, плазменном или жидком. Электротехнические и конструкционные материалы выполняют в установке разнообразные функции.
Проводниковые материалы осуществляют передачу потока электронов, диэлектрические компоненты обеспечивают изоляцию. Применение резистивных элементов преобразовывает электрическую энергию в тепловую, конструкционные материалы сохраняют форму изделия, например, корпуса. Электротехнические и конструкционные материалы обязательно выполняют не одну, а несколько сопутствующих функций, например, диэлектрик в работе электроустановки испытывает нагрузки, что приближает его к конструкционным материалам.
Электротехническое материаловедение – это наука, занимающаяся определением свойств, изучением поведения вещества при воздействии электричества, тепла, мороза, магнитного поля и др. Наука изучает специфические характеристики, необходимые для создания электрических машин, приборов и установок.
Проводники
К ним относят электротехнические материалы, основным показателем которых является выраженная проводимость электрического тока. Это происходит потому, что в массе вещества постоянно присутствуют электроны, слабо связанные с ядром и являющиеся свободными носителями заряда. Они перемещаются с орбиты одной молекулы на другую и создают ток. Основными проводниковыми материалами считают медь, алюминий.
К проводникам относятся элементы, которые имеют удельное электрическое сопротивление ρ < 10-5, при этом отличным проводником является материал с показателем 10-8 Ом*м. Все металлы хорошо проводят ток, из 105 элементов таблицы только 25 не являются металлами, причем из этой разнородной группы 12 материалов проводят электрический ток и считаются полупроводниками.
Физика электротехнических материалов позволяет использование их в качестве проводников в газообразном и жидком состоянии. В качестве жидкого металла с нормальной температурой применяется только ртуть, для которой это естественное состояние. Остальные металлы используются как жидкие проводники только в разогретом состоянии. Для проводников применяют и токопроводящие жидкости, например электролит. Важными свойствами проводников, позволяющими различать их по степени электропроводности, считаются характеристики теплопроводности и способности к термальной генерации.
Диэлектрические материалы
В отличие от проводников, в массе диэлектриков содержится малое число свободных электронов продолговатой формы. Основным свойством вещества является его способность получать полярность под действием электрического поля. Это явление объясняется тем, что под действием электричества связанные заряды перемещаются в сторону действующих сил. Расстояние смещения тем больше, чем выше напряженность электрического поля.
Изоляционные электротехнические материалы тем ближе стоят к идеалу, чем меньше показатель удельной проводимости, и чем меньше выражена степень поляризации, которая позволяет судить о рассеивании и выделении тепловой энергии. Проводимость диэлектрика основана на действии незначительного количества свободных диполей, смещающихся в сторону действия поля. После поляризации диэлектрик образует субстанцию с разной полярностью, то есть на поверхности образуются два разных знака зарядов.
Применение диэлектриков наиболее обширно в электротехнике, так как используются активные и пассивные характеристики элемента.
К активным материалам, с поддающимся управлению свойствами, относят:
- пироэлектрики;
- электролюминофоры;
- пьезоэлектрики;
- сегнетоэлектрики;
- электреты;
- материалы для излучателей в лазере.
Основные электротехнические материалы - диэлектрики с пассивными свойствами, используют в качестве изоляционных материалов и конденсаторов обычного типа. Они способны отделить два участка электрической цепи один от другого и не допустить перетекания электрических зарядов. С их помощью осуществляется изоляция токоведущих частей, чтобы электрическая энергия не уходила в землю или на корпус.
Разделение диэлектриков
На органические и неорганические материалы делят диэлектрики, в зависимости от химического состава. Неорганические диэлектрики не содержат в своем составе углерода, тогда как органические формы имеют основным элементом углерод. Неорганические вещества, такие как керамика, слюда, имеют высокую степень нагревания.
Электротехнические материалы по способу получения делят на естественные и искусственные диэлектрики. Широкое применение синтетических материалов основано на том, что изготовление позволяет придать материалу заданные свойства.
По строению молекул и молекулярной решетки диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные. Последние называют еще нейтральными. Отличие состоит в том, что атомы и молекулы до начала действия на них электрического тока обладают или нет электрическим зарядом. К нейтральной группе относятся фторопласт, полиэтилен, слюда, кварц и др. Полярные диэлектрики состоят из молекул с положительным или отрицательным зарядом, примером служит поливинилхлорид, бакелит.
Свойства диэлектриков
По состоянию диэлектрики делят на газообразные, жидкие и твердые. Наиболее часто применяются твердые электротехнические материалы. Их свойства и применение оцениваются с помощью показателей и характеристик:
- объемное удельное сопротивление;
- диэлектрическая проницаемость;
- поверхностное удельное сопротивление;
- коэффициент термической проницаемости;
- диэлектрические потери, выраженные тангенсом угла;
- прочность материала под действием электричества.
Объемное удельное сопротивление зависит от способности материала сопротивляться протеканию по нему тока постоянного значения. Показатель, обратный удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью.
Поверхностное удельное сопротивление определяется возможностью материала сопротивляться постоянному току, протекающему по его поверхности. Поверхностная удельная проводимость является обратной величиной к предыдущему показателю.
Коэффициент термической проницаемости отражает степень изменения удельного сопротивления после повышения температуры вещества. Обычно при увеличении температуры уменьшается сопротивление, следовательно, значение коэффициента становится отрицательным.
Диэлектрическая проницаемость определяет применение электротехнических материалов в соответствии со способностью материала создавать электроемкость. Показатель относительной проницаемости диэлектрика входит в понятие абсолютной проницаемости. Изменение емкости изоляции показывается предыдущим показателем коэффициента термической проницаемости, который одновременно показывает увеличение или уменьшение емкости с изменением температурного режима.
Тангенс угла потерь диэлектрика отражает степень потери мощности цепи относительно материала диэлектрика, подверженного действию электрического переменного тока.
Электротехнические материалы характеризуются показателем электрической прочности, который определяет возможность разрушения вещества под действием напряжения. При выявлении механической прочности существует ряд испытаний для установления показателя предела прочности на сжатие, растяжение, изгиб, кручение, при ударе и раскалывании.
Физические и химические показатели диэлектриков
В диэлектриках содержится определенное число высвобожденных кислот. Количество едкого калия в миллиграммах, необходимое для избавления от примесей в 1 г вещества, носит название кислотного числа. Кислоты разрушают органические материалы, оказывают отрицательное действие на изоляционные свойства.
Характеристика электротехнических материалов дополняется коэффициентом вязкости или трения, показывающим степень текучести вещества. Вязкость делят на условную и кинематическую.
Степень водопоглощения определяется в зависимости от массы воды, впитанной элементом испытательного размера после суток нахождения в воде при заданной температуре. Эта характеристика указывает на пористость материала, повышение показателя ухудшает изоляционные свойства.
Магнитные материалы
Показатели оценки магнитных свойств носят название магнитных характеристик:
- магнитная абсолютная проницаемость;
- магнитная относительная проницаемость;
- термический магнитный коэффициент проницаемости;
- энергия максимального магнитного поля.
Магнитные материалы подразделяются на твердые и мягкие. Мягкие элементы характеризуются небольшими потерями при отставании величины намагниченности тела от действующего магнитного поля. Они более проницаемы для магнитных волн, имеют небольшую коэрцитивную силу и повышенную индукционную насыщаемость. Используют их при устройстве трансформаторов, электромагнитных машин и механизмов, магнитных экранов и других приборов, где нужно намагничивание с малыми энергетическими упущениями. К ним относят чистое электролитное железо, железо – армко, пермаллой, электротехническую сталь в листах, никелево-железные сплавы.
Твердые материалы характеризуются значительными потерями при отставании степени намагниченности от внешнего магнитного поля. Получив один раз магнитные импульсы, такие электротехнические материалы и изделия намагничиваются, и долгое время сохраняют накопленную энергию. Они обладают большой коэрцитивной силой и большой емкостью остаточной индукции. Элементы с такими характеристиками применяют для изготовления стационарных магнитов. Представителями элементов служат сплавы на железной основе, алюминиевые, никелевые, кобальтовые, кремниевые компоненты.
Магнитодиэлектрики
Это смешанные материалы, на 75-80% содержащие в составе магнитный порошок, остаток массы заполняется органическим высокополимерным диэлектриком. У ферритов и магнитодиэлектриков повышенные значения объемного удельного сопротивления, маленькие вихревые потери тока, что позволяет применять их в высокочастотной технике. Ферриты обладают стабильностью показателей при различных частотных полях.
Область использования ферромагнетиков
Их используют наиболее эффективно для создания сердечников трансформаторных катушек. Применение материала позволяет намного увеличить магнитное поле трансформатора, при этом, не изменяя показания силы тока. Такие вставки из ферритов позволяют экономить расход электричества при работе прибора. Электротехнические материалы и оборудование после выключения внешнего магнитного воздействия сохраняют магнитные показатели, и поддерживает поле в соседнем пространстве.
Элементарные токи не проходят после выключения магнита, таким образом, создается стандартный постоянный магнит, который эффективно работает в наушниках, телефонах, измерительных приборах, компасах, звукозаписывающих устройствах. Очень популярны в применении постоянные магниты, не проводящие электричество. Получают их соединением железных окислов с другими различными оксидами. Магнитный железняк относится к ферритам.
Полупроводниковые материалы
Это элементы, которые имеют значение удельной проводимости, находящееся в промежутке этого показателя для проводников и диэлектриков. Проводимость этих материалов напрямую зависит от проявления примесей в массе, внешних направлений воздействия и внутренних дефектов.
Характеристика электротехнических материалов группы полупроводников говорит о существенном отличии элементов друг от друга по структурной решетке, составу, свойствам. В зависимости от указанных параметров, материалы подразделяют на 4 вида:
- Элементы, содержащие в себе атомы одного вида: кремний, фосфор, бор, селен, индий, германий, галлий и др.
- Материалы, содержащие в составе металлические окислы – медь, окись кадмия, цинка и др.
- Материалы, объединенные в группу антимонид.
- Материалы органики – нафталин, антрацен и др.
В зависимости от кристаллической решетки, полупроводники подразделяют на поликристаллические материалы и монокристаллические элементы. Характеристика электротехнических материалов позволяет разделять их на немагнитные и слабомагнитные. Среди магнетических компонентов различают полупроводники, проводники и непроводящие элементы. Четкое распределение выполнить затруднительно, так как многие материалы по-разному ведут себя в изменяющихся условиях. Например, работу некоторых полупроводников при пониженных температурах можно сравнить с действием изоляторов. Те же диэлектрики при нагревании работают, как полупроводники.
Композиционные материалы
Материалы, которые подразделяются не по функционированию, а по составу, называются композиционными материалами, это тоже электротехнические материалы. Их свойства и применение обусловлены сочетанием применяемых при изготовлении материалов. Примером служат листовые стекловолокнистые компоненты, стеклопластик, смеси электропроводного и тугоплавкого металлов. Применение равноценных смесей позволяет выявить сильные стороны материала и применять их по назначению. Иногда сочетание композитных составляющих приводит к созданию абсолютно нового элемента с другими свойствами.
Пленочные материалы
Большую область применения в электротехнике завоевали пленки и ленты, как электротехнические материалы. Свойства их отличаются от других диэлектриков гибкостью, достаточной механической прочностью и отличными изоляционными характеристиками. Толщина изделий варьируется в зависимости от материала:
- пленки делают толщиной 6-255 мкм, ленты выпускают 0,2-3,1 мм;
- полистирольные изделия в виде лент и пленок производят толщиной 20-110 мкм;
- полиэтиленовые ленты делают толщиной 35-200 мкм, шириной от 250 до 1500 мм;
- фторопластовые пленки изготавливают толщиной от 5 до 40 мкм, ширину предусматривают 10-210 мм.
Классификация электротехнических материалов из пленки позволяет выделить два вида: ориентированные и неориентированные пленки. Первый материал применяется наиболее часто.
Лаки и эмали для электрической изоляции
Растворы веществ, образующих при застывании пленку, представляют собой современные электротехнические материалы. К этой группе относят битумы, высыхающие масла, смолы, целлюлозные эфиры или соединения и сочетания этих компонентов. Превращение вязкого компонента в изолятор происходит после испарения из массы нанесенного растворителя, и образования плотной пленки. По способу нанесения пленки подразделяют на клеящие, пропиточные и покрывающие.
Пропиточные лаки используют для обмоток электроустановок с целью повысить коэффициент теплопроводности и сопротивление влаге. Покрывающие лаки создают верхнее защитное покрытие от влаги, мороза, масла для поверхности обмоток, пластмассы, изоляции. Клеящие компоненты способны склеивать пластинки слюды с другими материалами.
Компаунды для электрической изоляции
Эти материалы представляются жидким раствором в момент использования с последующим застыванием и отвердеванием. Вещества характерны тем, что в составе не содержат растворителей. Компаунды также относятся к группе "электротехнические материалы". Виды их бывают заливочные и пропиточные. Первый вид применяют для заполнения полостей в муфтах кабелей, а вторая группа используется для пропитки обмоток двигателя.
Компаунды производят термопластичными, они размягчаются после повышения температур, и термореактивными, стойко сохраняющими форму отвердевания.
Волокнистые непропитанные электроизоляционные материалы
Для производства таких материалов используют волокна органики и искусственно созданные составляющие. Природные растительные волокна натурального шелка, льна, дерева переделывают в материалы органического происхождения (фибра, ткань, картон). Влажность таких изоляторов колеблется в пределах 6-10%.
Органические материалы из синтетики (капрон) содержат влаги только от 3 до 5%, такое же насыщение влагой и у неорганических волокон (стекловолокно). Неорганические материалы отличаются неспособностью к возгоранию при значительном нагревании. Если материалы пропитать эмалями или лаками, то горючесть повышается. Поставка электротехнических материалов производится на предприятие по изготовлению электрических машин и приборов.
Летероид
Тонкая фибра выпускается в листах и скатывается в рулон для транспортировки. Применяется как материал для изготовления прокладок изоляции, фасонных диэлектриков, шайб. Бумагу с асбестовой пропиткой и асбестовый картон делают из хризолитового асбеста, расщепляя его на волокна. Асбест обладает сопротивлением к щелочной среде, но разрушается в кислотной.
В заключение следует отметить, что с применением современных материалов для изоляции электрических приборов значительно увеличился срок их службы. Для корпусов установок применяют материалы с выбранными характеристиками, что дает возможности для выпуска новой функциональной техники с улучшенными показателями.
fb.ru
Полупроводниковые материалы - это... Что такое Полупроводниковые материалы?
Полупроводники, применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике (См. Полупроводниковая электроника) используют главным образом кристаллические П. м. Большинство из них имеет кристаллическую структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры Алмаза. Значительную роль в развитии полупроводниковой техники сыграл Селен: селеновые выпрямители долгое время оставались основными полупроводниковыми приборами, получившими массовое применение. В начале 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые П. м. — Кремний и Германий. Обычно их изготовляют в виде массивных Монокристаллов, легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10-3—104ом․см получают преимущественно методом вытягивания из расплава (по Чохральскому), а легированные монокристаллы Ge с удельным сопротивлением 0,1—45 ом․см получают, кроме того, зонной плавкой (См. Зонная плавка). Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, Al, Ga, In) — дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов (См. Полупроводниковый диод), Транзисторов, интегральных микросхем и т.д. Большую группу П. м. составляют химические соединения типа AIII BV (элементов III группы с элементами V группы) — арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb, AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Синтез и выращивание монокристаллов обычно производят в замкнутых сосудах из высокотемпературных химически инертных материалов, обладающих высокой прочностью, поскольку давление насыщенного пара над расплавом таких элементов, как Р и As, сравнительно велико. Примеси элементов II группы придают этим П. м., как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы — электронную. П. м. этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах (См. Полупроводниковый лазер), светоизлучающих диодах (См. Светоизлучающий диод), Ганна диодах, фотоэлектронных умножителях (См. Фотоэлектронный умножитель), в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн. П. м. типа AiiBvi из которых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преимущественно с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих П. м. определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование П. м. этого типа связано главным образом с их оптическими свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в Фоторезисторах, Фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения (см. Модуляция света) и т.д.К П. м. относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Te, и оксидные системы, например V2O5 — P2O5 — RxOy, где R — металлы I — IV групп, х — число атомов металла и у — число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении.
Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Элемент, | Наиме- | Ширина | Подвижность | Кристал- | Постоян- | Темпера- | Упругость |
| тип | нование | запрещенной | носителей | лическая | ная | тура | пара при |
| соедине- | материа- | зоны, эв | заряда, 300 K, | структура | решётки, Å | плавле- | темпера- |
| ния | ла | | см2/(в․сек) | | | ния, °С | туре плавле- |
| | |---------------------------------------------------------| | | | ния, атм |
| | | при | при 0 К | элек- | дырки | | | | |
| | | 300 К | | троны | | | | | |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Элемент | С (алмаз) | 5,47 | 5,51 | 1800 | 1600 | алмаз | 3,56679 | 4027 | 10-9 |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | Ge | 0,803 | 0,89 | 3900 | 1900 | типа алмаза | 5,65748 | 937 | |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | Si | 1,12 | 1,16 | 1500 | 600 | » | 5,43086 | 1420 | 10-6 |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | α—Sn | | Полупроводниковые материалы0,08 | | | » | 6,4892 | | |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| IV—IV | α—SiC | 3 | 3,1 | 400 | 50 | типа | 4,358 | 3100 | |
| | | | | | | сфалерита | | | |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| III—V | AISb | 1,63 | 1,75 | 200 | 420 | типа | 6,1355 | 1050 | |
| | | | | | | сфалерита | | | |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | BP | 6 | | | | » | 4,538 | >1300 | >24 |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | GaN | 3,5 | | | | типа | 3,186 (по | >1700 | >200 |
| | | | | | | вюртцита | оси a) | | |
| | | | | | | | 5,176 (по | | |
| | | | | | | | оси с) | | |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | GaSb | 0,67 | 0,80 | 4000 | 1400 | типа | 6,0955 | 706 | -4 |
| | | | | | | сфалерита | | | |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | GaAs | 1,43 | 1,52 | 8500 | 400 | то же | 5,6534 | 1239 | 1 |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | GaP | 2,24 | 2,40 | 110 | 75 | » | 5,4505 | 1467 | 35 |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | InSb | 0,16 | 0,26 | 78000 | 750 | » | 6,4788 | 525 | -5 |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | InAs | 0,33 | 0,46 | 33000 | 460 | » | 6,0585 | 943 | 0,33 |
| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | InP | 1,29 | 1,34 | 4600 | 150 | » | 5,8688 | 1060 | 25 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| II—VI | CdS | 2,42 | 2,56 | 300 | 50 | типа | 4,16 (по | 1750 | |
| | | | | | | вюртцита | оси a) | | |
| | | | | | | | 6,756 (по | | |
| | | | | | | | оси с) | | |
| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |
| | CdSe | 1,7 | 1,85 | 800 | | типа | 6,05 | 1258 | |
| | | | | | | сфалерита | | | |
| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |
| | ZnO | 3,2 | | 200 | | кубич. | 4,58 | 1975 | |
| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |
| | ZnS | 3,6 | 3,7 | 165 | | типа | 3,82 (по | 1700 | |
| | | | | | | вюртцита | оси a) 6,26 | | |
| | | | | | | | (по оси с) | | |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| IV—VI | PbS | 0,41 | 0,34 | 600 | 700 | кубич. | 5,935 | 1103 | |
| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |
| | PbTe | 0,32 | 0,24 | 6000 | 4000 | то же | 6,460 | 917 | |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
П. м. в широких пределах изменяют свои свойства с изменением температуры, а также под влиянием электрических и магнитных полей, механических напряжений, облучения и др. воздействий. Этим пользуются для создания различного рода Датчиков.
П. м. характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик П. м., например ширина запрещенной зоны и эффективная масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации химических примесей и степени совершенства кристаллической решётки. Но многие параметры практически полностью определяются концентрацией и природой химических примесей и структурных дефектов. Некоторые физические свойства важнейших П. м. приведены в таблице.
В электронных приборах П. м. используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических слоев (толщиной от долей мкм до нескольких сотен мкм), нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки (см. Микроэлектроника). В таких устройствах П. м. должны обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств П. м. в пределах монокристалла или слоя, а также степень совершенства их кристаллической структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству структуры П. м. технология их производства весьма сложна и требует высокой стабильности технологических режимов (постоянства температуры, расхода газовой смеси, продолжительности процесса и т.д.) и соблюдения специальных условий, в частности т. н. полупроводниковой чистоты аппаратуры и помещений (не более 4 пылинок размером свыше 0,5 мкм в 1 л воздуха). Продолжительность процесса выращивания монокристаллов в зависимости от их размеров и вида П. м. составляет от нескольких десятков мин до нескольких сут. При обработке П. м. в промышленных условиях используют процессы резания П. м. алмазным инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами, термической обработки, травления щелочами и кислотами.
Контроль качества П. м. весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры П. м.: химический состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава П. м. обычно пользуются оптическими, спектральными, масс-спектроскопическими и активационными методами. Электрофизические характеристики измеряют т. н. зондовыми методами или используют Холла эффект. Совершенство структуры монокристаллов исследуют методами рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Толщину слоев измеряют либо бесконтактными оптическими методами, либо методами сошлифовки слоя.Лит.: Технология полупроводниковых материалов, пер. с англ., М., 1961; Родо М., Полупроводниковые материалы, пер. с франц., М., 1971; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973; Палатник А. С., Сорокин В. К., Основы пленочного полупроводникового материаловедения, М., 1973; Кристаллохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ, М., 1973.
Ю. Н. Кузнецов, А. Ю. Малинин.
dic.academic.ru
Полупроводниковые материалы
Электроника Полупроводниковые материалы
просмотров - 120
Вводная часть
Организационная часть занятия (2мин.).
Занятие 1. Полупроводниковые материалы, и их применение, диоды их свойства и применение
Изучаемые вопросы:
1. Организационная часть занятия (2 мин.).
2. Полупроводниковые материалы(15 мин.).
3. Р-n переход(10мин.).
4.Полупроводниковые диоды (15 мин.)
5. Заключительная часть занятия (3 мин.).
1. проверить количество курсантов;
2. довести краткие сведения о полупроводниковых материалах и приборах, их применении в современной технике.
Полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. Сегодня почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности.
Начало активной разработки полупроводниковых приборов относится к 40-м годам прошлого столетия, когда впервые при экспериментальных исследованиях точечных диодов были обнаружены усилительные свойства некоторых полупроводниковых конструкций. Дальнейшее исследования позволили выяснить электрофизические процессы происходящие при этом и использовать их в технике.
Для уяснения принципа работы полупроводниковых приборов рассмотрим основные электрофизические явления в полупроводниковых материалах.
Учитывая зависимость отпроводимости все вещества делятся на: проводники (металлы), диэлектрики (непроводники), и полупроводники. Электрические свойства твердых тел определяется расположение электронных уровней.
Электроны в атоме обладают различной энергией. Набор всевозможных значений электронов данного атома представляют с помощью схемы (диаграммы энергетических уровней). В молекулах следствии взаимодействия между атомами отдельные энергетические уровни расщепляются, в кристаллах взаимодействие настолько сильное, что уровни вырождаются в зоны. Области между зонами соответствуют значениям энергии которыми электроны обладать не могут, и называются запрещенными зонами.
Любая разрешенная энергетическая зона состоит из большого числа близкорасположенных энергетических уровней, на каждом из которых может находиться по два электрона с противоположными спинами. В энергетических зонах с полностью занятыми уровнями электроны не могут свободно перемещаться, создавая проводимость. Последняя из заполненных энергетических зон принято называть валентной.
Электрическая проводимость обусловлена свободно движущимися электронами. Их энергетические уровни располагаются выше в незаполненной разрешенной зоне, которая принято называть зоной проводимости.
Различие между проводниками полупроводниками и диэлектриками объясняется шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны может быть так же равна нулю. В этом случае валентная зона и зона проводимости перекрываются.
В металлах имеется очень много свободных электронов. На каждые 1-10 атомов приходится один свободный электрон, который может свободно перемещаться между атомами. Совокупность свободных электронов принято называть электронным газом. Приложенное к проводнику напряжение создает электрическое поле, под действием которого возникает направленное движение электронов.
При 0 К полупроводники не содержат свободных электронов и в связи с этим представляют собой диэлектрики. При этом в отличие от диэлектриков у полупроводников при повышении температуры возникает проводимость. Техническое применение это свойство полупроводников находит в термисторах и сопротивлениях с отрицательным температурным коэффициентом.
В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и пустых мест (дырок) движется в противоположных направлениях, проводимость возрастает с повышением температуры.
Проводимость полупроводника можно увеличить добавлением атомов других элементов (легированием). При введении в решетку полупроводника примесей возникает примесная проводимость. К примеру при легировании четырехвалентного германия пятивалентным мышьяком (или сурьмой, фосфором) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. Один атом примеси приходится на 105 – 106 атомов решетки полупроводника. Примеси приводящие к появлению свободных электронов называются донорными. При этом происходит увеличение свободных электронов примерно в 103, электроны в данном случае являются основными носителями, а сам полупроводник с электронной проводимостью или n-типа.
Проводимость проводника можно увеличить легируя его элементами с меньшей валентностью. При введении в решетку четырехвалентного германия трехвалентного индия (либо бора, галлия), то в месте введения атома примеси возникает лишняя дырка, такие примеси уменьшают количество свободных электронов, и их называют акцепторными. Такой полупроводник принято называть дырочным полупроводником, или полупроводником р-типа.
Читайте также
Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании. По... [читать подробенее]
Из большого количества полупроводниковых материалов неорганичес-кого и органического происхождения монокристаллической и поликристал-лической структуры в радиоэлектронике применяют главным образом герма- ний, кремний, селен, карбид кремния и арсенид галлия. Эти... [читать подробенее]
К редким металлам обычно относят 36 химических элементов, которые нашли широкое применение в промышленности только во второй половине XX в. Редкие металлы принято делить на четыре группы: легкие (литий, рубидий, стронций, бериллий, цезий), рассеянные (галлий, индий, таллий,... [читать подробенее]
Полупроводниковые свойства обусловлены особым состоянием электронов в кристаллической решетке полупроводников. Каждый атом в кристаллах кремния и германия связан с другим атомом ковалентной связью. Валентные электроны при нагревании или облучении, при приложении... [читать подробенее]
Полупроводниковые свойства обусловлены особым состоянием электронов в кристаллической решетке полупроводников. Каждый атом в кристаллах кремния и германия связан с другим атомом ковалентной связью. Валентные электроны при нагревании или облучении, при приложении... [читать подробенее]
Вводная часть Организационная часть занятия (2мин.). Занятие 1. Полупроводниковые материалы, и их применение, диоды их свойства и применение Изучаемые вопросы: 1. Организационная часть занятия (2 мин.). 2. Полупроводниковые материалы(15 мин.). 3. Р-n... [читать подробенее]
Технологии микроэлектроники Концептуальная диаграмма физической микроэлектроники Концептуальная диаграмма полупроводниковой электроники И ФИЗИЧЕСКОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ДИАГРАММЫ ЭЛЕКТРОНИКИ, МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Четкое... [читать подробенее]
Ток может быть переменным и постоянным Переме&... [читать подробенее]
Ток может быть переменным и постоянным Переме&... [читать подробенее]
Сплавы для термопар Константан Манганин 86% Cu, 12% Mn, 2% Ni &... [читать подробенее]
oplib.ru
Видеоматериалы
Опыт пилотных регионов, где соцнормы на электроэнергию уже введены, показывает: граждане платить стали меньше
Подробнее...С начала года из ветхого и аварийного жилья в республике были переселены десятки семей
Подробнее...Более 10-ти миллионов рублей направлено на капитальный ремонт многоквартирных домов в Лескенском районе
Подробнее...Актуальные темы
ОТЧЕТ о деятельности министерства энергетики, ЖКХ и тарифной политики Кабардино-Балкарской Республики в сфере государственного регулирования и контроля цен и тарифов в 2012 году и об основных задачах на 2013 год
Подробнее...Предложения организаций, осуществляющих регулируемую деятельность о размере подлежащих государственному регулированию цен (тарифов) на 2013 год
Подробнее...
КОНТАКТЫ
360051, КБР, г. Нальчик
ул. Горького, 4
тел: 8 (8662) 40-93-82
факс: 8 (8662) 47-31-81
e-mail:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
