Пьезоэлектрические материалы ((Изучить самостоятельно)
Сегнетоэлектрические материалы. (Изучить самостоятельно)
Полупроводниковые материалы.
Полупроводники– это материалы с удельным сопротивлением r=10-5 – 106.
Полупроводники должны обладать высокой степенью чистоты, т.к. их свойства зависят от очень малого количества примесей (их должно быть не более 10-8%).
К особенностям полупроводников относятся:
1. В чистых полупроводниках практически нет свободных зарядов, т.к. они связаны прочными ковалентными связями.
2. Электрический ток в полупроводниках может возникать и изменяться в широком диапазоне под влиянием внешних воздействий (эл. напряжение,
температура, интенсивность освещения).
Перемещение электронов в одном направлении (Iэ) и дырок в другом (Iд) определяют собственную электропроводность в полупроводнике.
Iсобств=Iэ + Iд, следовательно Iэ = Iд,
Т.к. собственный ток в полупроводниках очень мал, для получения свободных зарядов в чистый полупроводник вводят легирующие примеси:
1.Донорные примеси. Обеспечивают полупроводник свободными электронами для получения электронной проводимости
Валентность донорных примесей должна быть больше валентности основного материала. Так в 4х валентный германий или кремний вводят 5ти валентные мышьяк, сурьму, фосфор. Получаем
Iэ >> Iд.
2. Акцепторные примеси. Обеспечивают дырочную проводимость. Валентность примесей должна быть меньше валентности основного материала.
Так в 4х валентный германий или кремний вводят 3х валентные бор, индий, галий, алюминий. Получаем
Iэ << Iд.
На величину тока в полупроводниках влияет:
1. Температура. При повышении температуры проводимость всех полупроводников увеличивается. Рост происходит тем интенсивнее, чем больше донорных или акцепторных примесей введено в полупроводник.
При температуре близкой к абсолютному 0 (-273 Со) полупроводники становятся диэлектриками.
2. Приложенное напряжение. В полупроводниках наблюдается нелинейная зависимость тока от напряжения, т.к. при повышении величины приложенного напряжения сопротивление полупроводника уменьшается. При изменении
полярности приложенного
напряжения, ток также меняет свое направление.
 | |||
 |
Свойства полупроводников.
Свойства полупроводников определяются следующими параметрами:
1. Удельное электрическое сопротивление r= 
.
2. Удельная электропроводность полупроводника
g= 
, где
е – величина заряда электрона,
n - концентрация электронов,
u – подвижность электронов.
3. Подвижность носителей заряда (u) – это скорость перемещения электрона в направленном электрическом поле при разности потенциала в 1 вольт.
Подвижность зависит от температуры, от концентрации примесей и дефектов кристаллической решетки.
4.
5. Ширина запрещенной зоны Е (эВ) – это энергия, которую необходимо сообщить собственному электрону, чтобы он преодолел силу притяжения и стал свободным носителем заряда. Зависит от температуры.
Ширина запрещенной зоны больше у тех материалов, которые имеют более высокую температуру плавления.
6. Концентрация собственных носителей зарядов. Зависит только от температуры.
7. Концентрация примесных носителей зарядов. Зависит от количества примесей и температуры.
8. Время жизни носителей заряда – это время существования электрона с момента его отрыва до момента рекомбинации или потери энергии.
9. ТК удельного сопротивления.
В производстве полупроводниковых приборов используют следующие виды полупроводниковых материалов:
Простые полупроводники.
Простыми называют п/п, основной состав которых образован атомами одного и того же элемента. Большинство п/п материалов являются твердыми кристаллическими веществами с решеткой типа алмаза. К простым п/п относятся:
1. Германий – элемент IV группы. Плотность – 5,35 г/м3 . Температура плавления = 937оС. Собственное удельное сопротивление r = 0,68 Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 0,75 эВ. Т.к. ширина запретной зоны невелика, поэтому рабочая температура п/п приборов на основе германия не более +80оС. Отрицательная рабочая температура не ниже – 60о.
Все сорта германия обладают высокой твердостью и хрупкостью.
Для использования в производстве п/п элементов легируют донорными и акцепторными примесями.
Применяется для изготовления диодов и транзисторов различного назначения. Также применяют в производстве фотодиодов, фототранзисторов, варикапов и т.д.
Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов выпускают в виде слитков диаметром около 30мм. Маркируется германий следующим образом:
ГЭС-15, где Г- германий; Э – тип проводимости(электронная); С – легированный сурьмой;
Цифра обозначает удельное сопротивление, т.е. r = 15 ом*см.
ГДГ-7,5; германий с дырочной проводимостью, легированный галием, r=7,5 ом*см.
2. Кремний – элемент IV группы. Плотность – 2,32 г/см3. Температура плавления = 1414оС. Собственное удельное сопротивление r = 2,3 * 103Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 1,12 эВ. Большая, чем у германия, величина запретной зоны позволяет создавать п/п приборы с верхним температурным пределом около 200оС. Кремний является базовым материалом для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Также из кремния выпускают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, биполярные транзисторы различной мощности.
Монокристаллический кремний маркируется следующим образом:
КЭФ-3/2, где К – кремний; Э- электронная проводимость; Ф – легирован фосфором; r = 3 ом*см; 2 – время жизни заряда в мксек.
3. Селен – элемент VI группы. Может существовать как в аморфной, так и в кристаллической модификации. Аморфный селен является диэлектриком его удельное сопротивление r = 1012 ом*см., кристаллический – полупроводником, удельное сопротивление которого уменьшается за счет введения примесей.
Для получения электронной проводимости вводят элементы VII группы - бром, хлор, йод.
Для получения дырочной проводимости вводят элементы V группы – фосфор, сурьма, мышьяк.
Из селена изготавливают выпрямители, фоторезисторы, фильтры в приборах инфракрасного диапазона.
4.3 Сложные полупроводники.
Их основной состав образован двумя или более элементами. Наиболее широко в производстве РЭА применяются двойные соединения следующих типов:
1. АIVВ IV
Единственным соединением такого типа является карбид кремния - SiC. Является очень прочным, твердым материалом с повышенной термостойкостью. Ширина запретной зоны составляет DW=3,2эВ. Большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния п/п элементы рабочая температура которых достигает 700оС.
2.АIIIВV
Это соединение бора, индия, галлия, алюминия (III гр.) с азотом, фосфором, сурьмой, мышьяком (Vгр.). Широко используются следующие материалы:
2.1 арсенид галлия GaAs. DW=1,4эВ. Применяется в производстве туннельных, импульсных, ВЧ- диодов, полевых транзисторов, элементов микросхемотехники.
2.2 фосфид галлия GaР DW=2,24эВ. Применяется в производстве мощных выходных транзисторов, светодиодов, солнечных батарей.
2.3 антимонид индия InSb. Обладает свойством изменять свое сопротивление при воздействии магнитного поля и обладает фоточувствительностью. Используют в датчиках магнитного излучения и в производстве магниторезисторов.
3. АIIВVI
Это соединения цинка, кадмия, ртути (II гр) с серой селеном и теллуром (VIгр). Такие соединения называются халькогенидами. Все халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства. Широко применяются халькогениды цинка (сульфид, теллурид, селенид). Самым чувствительным фоторезистом в видимой части спектра сульфид кадмия.
Применяется в качестве люминофора, для изготовления дозиметров различного излучения, счетчиков частиц и т. д.
Магнитные материалы
5.1 Магнитомягкие материалы (Изучить самостоятельно)
5.2 Магнитотвердые материалы (Изучить самостоятельно)
5.3 Магнитные материалы специального назначения (Изучить самостоятельно)