Полупроводниковые материалы

Полупроводниками – называются твёрдые вещества, которые в чистом виде, при нормальной температуре по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (удельное сопротивление 10^-6…10^-7 Ом×м).

Электропроводность полупроводников сильно зависит от:

а) температуры;

б) освещённости;

в) напряжённости электрического поля;

г) дозы примесей постороннего вещества.

Основные полупроводники (Ge, Si) – четырёхвалентны.

Валентные электроны каждого атома связаны ковалентно с соседними по кристаллической решетке атомами, при этом все атомы имеют законченные 8-ми электронные внешние оболочки, и в чистом полупроводнике при температуре близкой к абсолютному нулю электропроводность отсутствует.

При повышении температуры, увеличивается энергия электронов и ковалентные связи могут разрываться. При этом возникают свободные электроны (-) и незаполненные связи – дырки, несущие условный положительный заряд (+). Появляется незначительная собственная проводимость полупроводника.

Для создания полупроводниковых приборов требуются материалы с преимущественно электронной или дырочной проводимостью. Их получают вводя в чистый полупроводник легирующие примеси:

а) при введении в 4 - х валентный полупроводник донорной (5-ти валентной) примеси (например в германий - мышьяк или сурьму), в п/п образуется избыток свободных электронов и возникает проводимость типа «n» - электронная;

б) при введении акцепторной (3 - х валентной) примеси ( например в германий- индий) в п/п образуются незаполненные ковалентные связи – дырки, и возникает проводимость типа «p» -дырочная.

Электронную и дырочную проводимости называют – примесными.

Основные полупроводниковые материалы:

а) чистые химические элементы: Ge, Si, Se, Te используют как основные полупроводники, а также химические элементы вводимые в виде активных примесей: P, As, B, Sn, In, Ga;

б) кристаллические окислы металлов: CuO, ZnO, KdO и др.;

в) бинарные и более сложные химические соединения: нитриды, фосфиды, арсениды, карбиды и др.;

г) органические полупроводники.

Германий -в природе встречается часто, но в очень малых количествах. В чистом виде серебристо - серого цвета , очень твёрдый и хрупкий. Плотность ~3,5 г/см³. Очищают Ge методом зонной плавки. Монокристаллы выращивают методом вытягивания из расплава.

Используют для диодов, транзисторов, датчиков и т.п. Рабочая температура до 80 ⁰С.

Кремний -один из самых распространённых химических элементов. Менее технологичен, чем германий. В чистом виде тёмно-серого цвета. Плотность ~ 2,3 г/см³. Используют аналогично. Рабочая температура до 180 ⁰С.

Селен -редкоземельный химический элемент. Для полупроводникового производства используют кристаллический серый селен. Основное назначение – выпрямители и фотоэлементы.

Карбид кремния (SiC) - используют в высокотемпературных полупроводниковых приборах. Рабочая температура до 700 ⁰С.

Арсенид галлия (GaAs) – применяется для ВЧ приборов, работающих при температуре 300 … 400 ⁰С.

Основным элементом полупроводниковых приборов являются «p-n» переходы, имеющие одностороннюю проводимость.

З.Р. – зона рекомбинации, в которой практически отсутствуют свободные носители тока

При приложении к «p-n» переходу электрического напряжения, возможны:

	а) прямое включение – через переход идёт значительный электрический ток
	б) обратное включение – переход заперт и через него проходит только малый обратный ток.

Виды п/п приборов:

1) Диоды (вентили, детекторы) – образованы одним «p-n» переходом и имеют одностороннюю проводимость.

По конструкции - точечные (маломощные) и плоскостные (вентили).

2) Транзисторы – содержат два «p-n» перехода. Бывают: прямой «p-n-p» и обратной «n-p-n» проводимости. Используются в усилителях, генераторах и других устройствах. Выпускают: малой, средней и большой мощности.

3) Тиристоры – имеют четырёхслойную структуру и характеризуются двумя устойчивыми состояниями: «открыт – закрыт». Различают:

а) диодные тиристоры (динисторы) - с двумя выводами, состояние «закрыт» или «открыт» определяется подводимым напряжением;

б) тринисторы – имеют управляющий электрод; подачей на него небольшого управляющего напряжения, можно регулировать большой проходящий ток;

в) симисторы – симметричные тиристоры, позволяющие регулировать оба полупериода проходящего тока.

2. 4Магнитные материалы

Все вещества в природе разделяются на:

1) Диамагнитные – ослабляют магнитное поле.

2) Парамагнитные – незначительно усиливают магнитное поле.

3) Ферромагнитные – способны намагничиваться и усиливать магнитное поле в десятки … сотни тысяч раз: Fe, Ni, Co и их сплавы.

Магнитные свойства характеризуют:

а) магнитным потоком Ф (Вб);

б) магнитной индукцией В (Тл), т.е. интенсивностью магнитного потока;

в) напряжённостью магнитного поля Н (А/м), т.е. интенсивностью поля в вакууме;

г) магнитной проницаемостью материала μ_а = μ_о× μ_r,

где μ_о = 4π×10^-7 Гн/м – магнитная постоянная, μ_r - относительная магнитная проницаемость. Для вакуума (воздуха) μ_r = 1.

У ферромагнетиков μа сильно зависит от Н.

Для них характерно также явление гистерезиса (т.е. отставание магнитной индукции от напряжённости поля), возникающее при намагничивании и перемагничивании ферромагнитного материала.

ОА – кривая начального намагничивания, А и А' – точки магнитного насыщения материала, Вr – остаточная магнитная индукция, Нс – коэрцитивная сила, т.е напряжённость поля необходимая для полного размагничивания сердечника.

Площадь петли гистерезиса построенная в масштабе, отображает потерю энергии на полный цикл перемагничивания ферромагнитного сердечника.

Материалы с малой Нс и малыми потерями на перемагничивание называют – магнитно-мягкими. Их используют для сердечников работающих в переменных магнитных полях (сердечники электрических машин, трансформаторов и др.).

Материалы с большими значениями Нс, Вr и широкой петлёй гистерезиса называют – магнитно-твёрдыми. Их используют для постоянных магнитов.

Каждый ферромагнетик имеет свою температуру Кюри, т.е. потери магнетизма. На магнитные свойства материалов сильно влияют их химический состав и технология изготовления.

Магнитно-мягкие материалы

а) технически чистое железо. Содержит не более 0,1 % примесей. В зависимости от технологии получения различают электролитическое и карбонильное железо (обычно выпускают в виде порошка, из которого прессуют сердечники для ВЧ полей);

б) электротехническая сталь – содержит до 0,05 % С и 0,7…4,8 % Si.

Кремний улучшает магнитные свойства, повышает электрическое сопротивление, но одновременно увеличивает хрупкость сплава, что затрудняет механическую обработку.

Выпускают в виде листов, рулонов и ленты, часто с нанесением электроизоляционного покрытия.

в) магнитно-мягкие сплавы:

- пермаллои – железо-никелевые сплавы, имеющие высокие магнитные характеристики. Применяются для малогабаритных сердечников;

- альсифер – сплав алюминия, кремния и железа. Очень твёрдый и хрупкий, детали выполняют отливкой или прессованием из порошка со связующим. Имеет близкие к пермаллоям магнитные свойства;

- ферриты – металлокерамика типа МеО×Fe₂O₃, где Ме – двухвалентный металл: Mn, Co, Mg, Ni, Zn. Очень твёрдые и хрупкие. Применяют для ВЧ сердечников и магнитных антенн.

2)Магнитно-твёрдые материалы

а) закалённые высокоуглеродистые стали: хромистые, вольфрамовые и кобальтовые. В настоящее время применяют ограниченно из-за высокой стоимости и сравнительно низких магнитных свойств;

б) специальные сплавы на основе Fe-Ni-Al, а также на основе Al-Ni-Co-Fe. Сплавы подвергают термомагнитной обработке;

в) металлокерамические магниты – получают спеканием порошков из сплавов Fe-Ni-Al-Co. Изделия закаливают, а затем отпускают. Применяют при массовом изготовлении небольших изделий сложной формы;

г) магнитотвердые ферриты. В основном используют феррит бария BaO×6Fe₂O₃. Имеет стабильные характеристики и значительно дешевле металлических магнитов.

Недостатки: высокая хрупкость и чувствительность к резким изменениям температуры.