Некоторые специальные показатели

7. Коэффициент термо ЭДС: α_т=(10²…10⁴) мкВ/К, т.е. α на 2-4 порядка выше, чем у проводников.

Рис12.

Полупроводниковый материал определенных типов проводимости при помещении его концов в условия с различным t=0° может служить термогенератором. По знаку термоэдс можно определить тип проводимости полупроводника ( термозонд)

Появление ЭДС между местами полупроводников с различной t° - эффект Зеебека

α – коэффициент Зеебека (Коэффициент термоэдс)

α – соответствует напряжению ΔU при изменении t° ΔT=1°K. Применяется для создания термодатчиков

Эффект Пельтье – выделение или поглощение теплоты в месте контакта полупроводников (из за разной работы выхода) при прохождение через контакт электрического тока. Один из контактов нагревается, другой охлаждается.

– количество теплоты, выделенное или поглощённое за единицу времени при единичном токе. П – коэффициент Пельтье. q- заряд, протекающий через контакт.

Используется в термостатах, холодильниках, термоэлектрических генераторах

Эффективность использования в термоэлектрических устройствах характеризуется

Z - коэффициент термоэлектрической эффективности (Коэффициент Иоффе)

γ - Проводимость

λ – Коэффициент теплопроводности

при Z=3*10^-3 °K^-1 , К.П.Д.=30%

8. Коэффициент Холла

При протекании тока через полупроводник, помещенный в магнитное поле, появляется ЭДС ε_Холла.

Рис.13.

Сила Лоренца υ-скорость носителей заряда.

Тип определяется по правилу левой руки. Знак левого потенциала соответствует типу проводимости.

– p-тип; – n-типа; А=1..2 для вырожденных полупроводников.

9. Эффект Ганна (Генератор Ганна)

Рис.14.

В полупроводниках при достижении критической напряженности электрического поля (сотни кВ/м) возбуждаются электрические колебания высокой частоты. Используются для усиления и генерации маломощных колебаний на частотах от 0,1 до 100 ГГц (Гига – 10⁹)

Частота зависит от геометрических размеров проводника. Наблюдается в GaAs, GaP, и InP.

Пороговая напряженность Е: GaAs – 0.3 МВ/м

InP – 0.6 МB/м

Наличие эффекта связано с особой энергетической диаграммой арсенида галлия(фосфида индия)

Лекция 4

Германий(Ge)

ΔЭ=0,7 эВ. Подвижность концентрация носителей заряда n₀=2.5*10¹⁹м^-3; A_вых=4.8 эВ

Исторически первый полупроводниковый материал, предсказан в 1870 году Менделеевым, получен в 1886 году в чистом виде немецким ученым Винклером. Широко используется с 1948 года, когда был изобретен полупроводник - транзистор, содержание в земной коре – невелико ~ 7*10^-4% Сильно рассеян в различных минералах.

Получают из тетрахлорида Ge: GeCl₄, который сначала переводят в диоксид GeO₂, а затем в водородной печи восстанавливают Ge при t=650÷700 °C

Серый порошок Ge который используется в качестве исходного материала для получения особо чистого Ge.

Для очистки – метод зонной плавки.

Рис.15.

Ge нагревается до t_пл=936°C

Примеси обладают большей растворимостью в жидкой фазе чем в твердой, поэтому они последовательно переходят в растворимую фазу и концентрируется у одного конца. Затем загрязненный конец слитка (2-2,5 см) образуется и отправляется на переплавку. Контроль чистоты ведут по удельному сопротивлению ( Далее идет получение монокристалла по методу вытягивания из расплава поликристалла. ( метод Чохральского)

Рис.16.

Давление в рабочем пространстве ≈10^-5 мм.рт.ст.

В расплав медленно вводится затравка, ориентированная в определенном кристаллическом направлении монокристалов. После того как затравка оплавится, ее медленно поднимают. За ней за счет поверхностного натяжения вытягивается столбик расплава. Попадая в область низких температур над поверхностью тигля, расплав кристаллизуется. Диаметр кристалла зависит от температуры расплава (чем больше t°, тем меньше Ø) получаемые диаметры слитков достигают 150 мм. На дне остаются примеси которые подлежат дополнительной очистке.

При вытягивании в кристалл вводят (сплавляют) в строго контролируемом количестве примеси для получения p- или n- типа проводимости (In-p; As-n) потом слитки распиливают на заготовки.

Применение.

Изготовление выпрямителей, транзисторов, преобразователей Холла, счетчиков ядерных частиц, оптические свойства (max фотопроводимости в инфракрасном диапазоне при λ=1,5 мкм) используются при изготовлении фототранзисторов и фоторезисторов.

Недостатки.

Низкий температурный диапазон – до 70°С (выше значительно возрастает обратный ток), сложный технологический цикл, необходимость в защитной пленке, т.к. не окисляется. Удельная проводимости n- типа и p-типа отличаются, следовательно, не создать комплементарные пары.

Марки: ГЭС – Ge электронной проводимости, легированной сурьмой; ГП1- Ge поликристаллический; ГДГ – Ge с дырочной проводимостью, легированный галлием

Кремний (Si);

ΔЭ=1, 12 эВ

м^-3

Обладает уникальным набором физико-химических свойств, что позволило за короткое время создать современную технологию изготовления интегральных схем.

Преимущества

1. T_раб=180-200°С (для Si приборов)

2. Обладает защитной окисной пленкой SiO_{2 ,}которая является одновременно хорошим диэлектриком и защитой от агрессивных сред. Благодаря пленке SiO_2, создавалась планарная (плоская, поверхностная) технология, которая предусматривает изготовление в единичном технологическом цикле одинаковых элементов большой серии. [При планарной технологии на входе имеется подложка (пластины) с кристаллической структурой, кристаллографическая ориентация которой, вплоть до межатомных расстояний, строго контролируется. В приповерхностном слое создаются области с различным типом проводимости. Выше - слой (маска) проводящего материала, чередующегося с диэлектриком. Т. о. формируется структура полупроводникового прибора, или МС.]

3. Изменение удельной проводимости в зависимости от различных факторов, полупроводников p-типа и n-типа одинаковы, следовательно, существует возможность создания комплементарных транзисторных пар (сходные по абсолютному значению параметров пара транзисторов, имеющих разные типы проводимости)

4. Распространен в земной коре ≈30% Si

5. Технология проще.

Технологический Si ( ̴1% примеси) получают в электрических печах восстановлением его оксидов, углеродосодержащим веществом (коксом)

Выращивание объемных монокристаллов осуществляется методом вытягивания из расплавов зонной плавки. T_плSi=1414°С. Зонную плавку ведут без графитовой лодочки и кварцевого стекла (Т_{пл.кв.ст} ≈1700°С), т.к. из них в Si могут попасть C₂ и O₂ , в камерах из тугоплавкого металла. При вертикальном расположение стержней Si узкая расплавленная зона удерживается вследствие большого поверхностного натяжения и малой плотности.

Si (2.3 T/м³, а у Ge – 5.3 T/м³)

6. Обладает высоким (собственная проводимость) и очень сильно зависит от примесей (1…10⁷ Ом*м)

Применение: Основной материал для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых микросхем.

Селен Se;

ΔЭ=1,7-1,9 эВ; В Земле 4*10^-5%; Т_пл=221°С; d=4,8 T/м³

VI группа

Получают при электро очистке меди. Существует в кристаллах и в аморфном виде. ρ изменяется в очень широких пределах:1-10¹¹ Ом*м и зависит от рода и концентрации примесей, температуры, освещенности. Обычно полупроводник p-типа; Т_пл=200°С – низкий температурный диапазон.

Применяется для изготовления фотоэлементов и выпрямителей (высоковольтных), плазменных лазеров с колоссальный (около 10¹²) усилением в ультрафиолете.

В последнее время применение существенно сократилось.

Применяется для изготовления фотоэлементов и выпрямителей(высоковольтных), плазменный лазер с колоссальный (около 10¹²) усилением в ультрафиолете.

Бинарные полупроводниковые соединения A^lll B^V

Элементы с меньшим порядковым № таблицы Менделеева обозначаются А, а с большим В.

Такие соединения являются ближайшими аналогами Si

lll группа (Br,Al,Ga,In)

V группа(N,P,As,Sb)

N- нитриды;

P-фосфиды;

As-арсениды;

Sb-антимониды;

Все они имеют кристаллическую структуру

Классифицируются по металлоидному элементу

Параметры	GaAs	GaP	InAs	InSb	SiC
t°C плавления
рабочая t°C			низкая	низкая	>600
Подвижность дырок м2/(В*с)	0.045	7.5*10-3	0.045	0,75	6*10-3
Подвижность электронов м2/(В*с)	0.95	0.019	3.3	7,8	10-1…10-2
Коэффициент теплопроводности Вт/(м*К)			-	-	0.05
Ш33 при 300°К, эВ	1.43	2.26	0.36	0,18	2.4…3.3
Диэлектрическая проницаемость, ε	10.9	13.3			6.7

SiC- карбид кремния

ΔЭ = (2,8…3,1)эВ

В природе это муассанит - редкий минерал стехиометрический состав которого содержит 70%Si и 30%C получается восстановлением из диоксида Si(SiO₂) кварцевого песка углеродом

После размола получается порошок с зубчатыми зернами различной величины (40…300мкм)

Электропроводность порошка SiC зависит:

· От проводимости γ зерен исходного материала

· От крупности помола (при увеличении зерна, проводимость уменьшается)

Рис.17.

· Степени сжатия частиц

· Напряженности Е электрического поля

· Температуры t°C среды

Вследствие всех этих факторов проводимость носит нелинейный характер, это используется в варисторах.

Рис.18.

0 до V₁ – ток идет через запирающие слои на контактирующих поверхностях зерен.

V₁ до V₂ - пробиваются оксидные пленки

V₂ до V₃ – микро нагрев контактов между отдельными зернами карбида кремния (появление дополнительных носителей заряда)

Эквивалентная схема варистора имеет вид

Рис.19.

В реальном варисторе таких параллельных цепочек очень много, следовательно, ВАХ – не ломаная, а плавная кривая.

Наряду с варисторами карбид кремния используется в вентильных разрядниках.

Рис.20.

Связующим веществом, скрепляющим зерна SiC, могут быть глины – такой материал называется тирит, если связующее вещество – жидкое стекло , то материал – вилит.

Арсенид галлия(GaAs)

Один из самых перспективных: ΔЭ=1,43 эВ это больше, чем у Si и Ge

Акцепторами могут быть Zn, Cu, Cd;

Донорами S,Se;

T_пл=1826°С;

Полупроводниковые приборы из GaAs превосходят по быстродействию приборы из (Si и Ge), благодаря большей подвижности электронов, а по рабочей t°C (до 450°C) даже Si.

Использование: дозиметры рентгеновского излучения, полупроводниковые лазеры, изготовление полевых транзисторов с барьерами Шоттки, генераторы Ганна – очень выгоден в оптоэлектронике (фото-, светодиоды, солнечные батареи)

Недостатки: токсичность, дороговизна.

Антимонид индия (InSb)

T_пл=1070°С

Самая высокая подвижность электронов и дырок, следовательно, самое высокое быстродействие. Ширина запрещенной зоны мала. ΔЭ=0,18 эВ. Даже при t = 20°С существует собственная проводимость.

Ярко выраженная фотопроводимость. Охватывает широкую область инфракрасного спектра, доходя до λ=8 мкм (I_фmax →6.7 мкм)

Применение: фотоэлементы высокой чувствительности, датчики Холла, термоэлектрические генераторы и холодильники.

Бинарные полупроводники используются для изготовления светодиодов.

Фосфид галлия(GaP)

Большая ΔЭ=2,3 эВ

Используется для светодиодов с красным и зеленым свечением.

Сложные полупроводники.

Сложные полупроводники вида , где А,В – III группа (Ga, Al,In), , С – V группа (P,As)

(Ga_xAl_1-xAs) Известные давно, но не удается добиться повторяемости свойств.

ΔЭ и ξ очень сильно зависят от х

– термоэлектроника