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.

I_собств=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 С^о) 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 = 937^оС. 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 +80^оС. Отрицательная рабочая температура не ниже – 60^о.

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 = 1414^оС. 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 200^оС. 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. А^IVВ ^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 700^оС.

2.А^IIIВ^V

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. А^IIВ^VI

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)