Основные параметры полупроводников

Основные параметры полупроводников

11.3. Собственные и примесные полупроводники, типы носителей заряда. Собственная и примесная проводимости

11.4. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры

Полупроводники при комнатной температуре занимают по удельному сопротивлению(r=10^-6 – 10⁹ Ом^. м) промежуточное положение между металлами и диэлектриками. По ширине запрещенной зоны к полупроводникам относят вещества, ширина запрещенной зоны которых лежит в диапазоне 0.1 – 3.0 эВ. Приведенные данные следует считать ориентировочными, так как они относятся к нормальным условиям, но могут сильно отличаться в зависимости от температуры. Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит от вида и количества содержащихся в них примесей и дефектов. Для них характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному воздействию, давлению и др. В полупроводниках часто наблюдается смешанный тип химических связей: ковалентно-металлический, ионно-металлический и др. К ним относятся многие химические элементы и химические соединения:

– простые вещества: германий, кремний; селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк и др.;

– окислы и сульфиды многих металлов: NiO, Cu₂O, CuO, CdO, PbS и др.;

– тройные соединения: CuSbSr, CuFeSe₂, PbBiSe₃ и др.;

– твердые растворы GeSi, GaAs_1-x P_x и др.;

– органические красители и другие материалы: антрацен, фталоцианин, нафталин и другие.

Полупроводники могут быть жидкими или твердыми, кристаллическими или аморфными.

Из электрофизических параметров важнейшими являются: удельная электрическая проводимость (или величина обратная ей – удельное электрическое сопротивление), концентрация электронов и дырок, температурные коэффициенты удельного сопротивления, ширина запрещенной зоны, энергия активации примесей, работы выхода, коэффициента диффузии носителей заряда и другие. Для некоторых применений важны коэффициент термо-ЭДС и коэффициент термоэлектрического эффекта, коэффициент Холла и т.п. К фундаментальным параметрам относятся плотность, постоянная кристаллической решетки, коэффициент теплопроводности, температура плавления и др.

11.3. Собственные и примесные полупроводники, типы носителей

заряда. Собственная и примесная проводимости

Свободными носителями заряда в полупроводниках, как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы. На рисунке 3.1 показана атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника, в котором происходит процесс генерации носителей заряда. При абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны полностью заполнены. Под действием избыточной энергии W_o, появляющейся за счет повышенной температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д., некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Энергия W_o в случае беспримесного полупроводника, равна ширине запрещенной зоны и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой. Она имеет единичный положительный заряд.

При отсутствии электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотические колебания, при этом происходят и обратные переходы электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны (рекомбинация). Эти процессы условно показаны на рис. 3.2. Электропроводность, возникающая под действием электрического поля за счет движения электронов и в противоположном направлении такого же количества дырок, называется собственной. В удельную проводимость полупроводника дают вклад носители двух типов – электроны и дырки:

γ=e(n^. μ_n+p^.μ_p),

где n и μ_n концентрация и подвижность электронов; p и μ_p концентрация и подвижность дырок.

Для собственного полупроводника концентрация носителей определяется шириной запрещенной зоны и значением температуры по уравнению Больцмана

n=const EXP(–ΔW_o/2kT), 1/м³,

то есть при 0< kT <ΔW_o переброс через запрещенную зону возможен. В собственном полупроводнике концентрация электронов n_i равна концентрации дырок p_i, n_i = p_i, n_i + p_i = 2n_i. Подвижность носителей заряда представляет скорость, приобретаемую свободными электронами или ионами в электрическом поле единичной напряженности

μ=V/E, м²/(В^. с).

Подвижность дырок существенно меньше, чем подвижность электронов. Подвижность электронов и дырок в некоторых полупроводниках показана в табл. 11.1.

Таблица 11.1. Подвижность электронов и дырок некоторых

полупроводников

Полупроводники	Подвижность электронов, м^2/(В^.с)	Подвижность дырок, м^2/(В^.с)
Ge	0.380	0.180
Si	0.135	0.050
GaAs	0.820	0.040
InAs	3.000	0.020
InSb	7.000	0.400

Наибольшая подвижность была обнаружена в антимониде индия InSb и в арсениде индия InAs.

Примесная проводимость. Поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону может осуществляться за счет примесей, которые могут ионизоваться уже при низкой температуре. Энергия их активации значительно меньше энергии, необходимой для ионизации основных атомов вещества. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Примеси, захватывающие электроны из зоны проводимости, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными. На рис. 3.3 показаны энергетические диаграммы полупроводников, содержащих донорные и акцепторные примеси. Примеси с энергией W_o<0.1 эВ являются оптимальными. Их относят к "мелким" примесям. Мелкие уровни определяют электропроводность полупроводников в диапазоне температур 200-400 К, "глубокие" примеси ионизуются при повышенных температурах. "Глубокие" примеси, влияя на процессы рекомбинации, определяют фотоэлектрические свойства полупроводников. С помощью "глубоких" примесей можно компенсировать "мелкие" и получить материал с высоким удельным сопротивлением. Например, "глубокими" акцепторами можно полностью компенсировать влияние "мелких" донорных примесей.

В примесном полупроводнике взаимосвязь между количеством электронов и дырок подчиняется закону действующих масс n^. p=n_i², где n_i собственная концентрация. Таким образом, чем больше вводится электронов, тем меньше концентрация дырок. На рис.3.4 на энергетической диаграмме (по Ш.Я. Коровскому) показаны донорные и акцепторные уровни различных примесей в германии и кремнии. Общее выражение для удельной электрической проводимости полупроводника с примесями можно записать как

γ=γ _oEXP (–ΔW_o/2kT) + γ₁EXP(–ΔW_o/2kT),

где первое слагаемое определяет собственную, а второе примесную проводимости.

11.4. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры

Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры, так как тепловое хаотическое колебание частиц мешает упорядоченному движению. Основные причины, влияющие на температурную зависимость подвижности это рассеяние на:

– тепловых колебаниях атомов или ионов кристаллической решетки;

– на атомах или ионах примесей;

– на дефектах решетки (пустых узлах, искажениях, связанных с внедрением изовалентных ионов, дислокациями, трещинами и т.д.).

При низких температурах преобладает рассеяние на примесях и подвижность изменяется согласно выражению

μ=а^. Т^3/2,

где а - параметр полупроводника.

При высоких температурах преобладает рассеяние на тепловых колебаниях решетки

μ=в^. Т^3/2,

где в - параметр полупроводника.

В примесном полупроводнике имеет место как одна, так и другая составляющая в зависимости μ(Т), определяемая выражением

.

Характер изменения μ от температуры для собственного и примесного полупроводников показан на рис.3.5. Для собственного полупроводника концентрация свободных носителей заряда в зависимости от температуры определяется выражением

n=A^. EXP(-ΔW_o/2kT),

где n – концентрация носителей заряда; W_o – ширина запрещенной зоны; k–постоянная Больцмана; A–константа, зависящая от температуры;

Для примесных полупроводников

n₁=B^. EXP(ΔW_п/2kT),

где W_п–энергия ионизации примеси; В–константа, не зависящая от температуры.

При увеличении концентрации носителей заряда в полупроводниках выше определенного предела она практически перестает зависеть от температуры. Для электронов критическая концентрация имеет порядок 10²⁵м^-3. Такие полупроводники называются вырожденными.

Зависимость концентрации носителей заряда от температуры при разном содержании примесей показана на рис.3.6. Увеличением концентрации примесей с низкой подвижностью в данном примесном полупроводнике можно добиться увеличения его удельного сопротивления. Так, используя глубокий акцептор хром можно получить арсенид галлия с удельным сопротивлением до 10⁶ Ом^.м. Такие полупроводники относятся к высокоомным компенсированным.

Лекция 12. Характеристики полупроводников. Основные эффекты в

полупроводниках

План лекции

12.1. Зависимость удельной проводимости от температуры

12.2. Время жизни носителей заряда и диффузионная длина

12.3. Основные эффекты в полупроводниках и их применение

12.3.1. Эффект выпрямления

12.3.2. Эффект Холла

12.3.3. Эффект Ганна

12.3.4. Фотоэлектрический эффект

12.3.5. Термо-ЭДС в полупроводниках

12.1. Зависимость удельной проводимости от температуры

Характер этой зависимости в полулогарифмических координатах показан на рис. 3.7.. В области собственной проводимости удельная проводимость полупроводника зависит от температуры согласно выражению:

.

В области примесной электропроводности удельная проводимость определяется выражением:

.

Уменьшение удельной проводимости на участке 2 приведенной зависимости связано с истощением примесных уровней и рассеянием носителей на фононах (тепловых колебаниях решетки) и дефектах решетки при увеличении температуры. Приведенные уравнения можно использовать для определения ширины запрещенной зоны полупроводника. Так, для области собственной проводимости при температурах Т₁ и Т₂ для удельных проводимостей γ₁ и γ₂ справедливы формулы

lnγ₁ = lnγ_o - ΔW_o/2kT₁;

lnγ₂ = lnγ_o - ΔW_o/2kT₂,

из которых получим

ΔW_o = 2k(lnγ₁ - lnγ₂)/(1/T₂ - 1/T₁).

Аналогично можно определить энергию активации на примесном участке электропроводности.

12.2. Время жизни носителей заряда и диффузионная длина

В каждом полупроводнике носители имеют некоторое среднее время жизни, так как генерируемые носители заряда могут рекомбинировать, встречаясь между собой и с различными дефектами решетки. Время жизни носителей заряда τ характеризует время жизни неосновных (и неравновесных) носителей заряда, появляющихся, например, при воздействии на образец светом (условие равновесия np=n_i²). Время жизни определяется по формуле

τ= 1/(V_T N S),

где V_T–тепловая скорость носителей заряда; S–сечение захвата; N–концентрация ловушек.

Значения τ_n и τ_p могут находиться в зависимости от типа полупроводника, носителей, температуры и других факторов в диапазоне от 10 ^-16 до 10 ^-2 с. Избыточные носители, диффундируя от места генерации за время жизни, преодолевают некоторое расстояние L до тех пор, пока их концентрация уменьшится в "е" раз. Это расстояние называется диффузионной длиной. Она определяется по формуле

L = Dτ,

где D - коэффициент диффузии.

Диффузией изготовляются p-n переходы. Предельно высокое значение τ требуется для фотоприемников, излучательных и других приборов.

12.3. Основные эффекты в полупроводниках и их применение

С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический.

12.3.1. Эффект выпрямления. Электронно-дыцрочный p-n переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рис. 3.8 показан нерезкий p-n переход для разомкнутой цепи. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель. На рис. 3.9 показана вольт-амперная характеристика p-n перехода, которая описывается выражением

J=J_s^. (e^qU/kT-1),

где J_s – ток насыщения (при обратном включении p–n перехода этот ток равен обратному току); U – приложенное напряжение; q/kT=40 В^-1 при комнатной температуре.

12.3.2. Эффект Холла. Заключается в возникновении ЭДС Холла на гранях полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле. Величина ЭДС Холла определяется векторным произведением тока I и магнитной индукции B. На рис. 3.10 изображен случай дырочного полупроводника. Знак ЭДС Холла легко определить по правилу левой руки. Отогнув в сторону большой палец, найдем направление смещения основных носителей заряда для данного типа полупроводника. Рассчитывается ЭДС Холла согласно выражению

U_x=R_x(IB/b),

где R_x – постоянная Холла. R=–A/(nq) – для n-полупроводника, R=B/(pq) – для p–полупроводника, n и p концентрации электронов и дырок); A и B – коэффициенты, значения которых от 0.5 до 2.0 для различных образцов. В сильных полях или для вырожденных полупроводников A=B=1.0. Для монокристаллических образцов с совершенной структурой A=B=3π/8.

Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида и теллурида ртути (HgTe,HgSe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов в виде тонких пленок или пластинок. С их помощью возможно измерение магнитной индукции или напряженности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактам переменных напряжений – и преобразование сигналов. По измерению ЭДС Холла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию и подвижность.

12.3.3. Эффект Ганна. Относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности. Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие частоты в диапазоне до сотен гигагерц.

12.3.4. Фотоэлектрический эффект. При облучении полупроводников светом в них можно возбудить проводимость. Фототок с энергией hν большей или равной ширине запрещенной зоны ΔW_o переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара электрон–дырка является свободной и участвует в создании проводимости. На рис. 3.11–3.13 показаны схемы образования фотоносителей в собственном, донорном и акцепторном полупроводниках. Таким образом, если hν<ΔW_o – для собственных полупроводников, hν<ΔW_п – для примесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и проводимость повышается. Эта добавочная проводимость называется фотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называется темновой проводимостью. Из приведенных формул можно определить минимальную частоту ν_о или максимальную длину волны λ_о, при которой свет возбуждает фотопроводимость

λ_о = c h / ΔW_o и λ_о = c h / ΔW_п.

Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовляются из сернистого кадмия (CdS) и сернистого свинца (PbS). Используются и другие полупроводниковые материалы. Единственным материалом для интегральных датчиков является кремний.

Полупроводники используются в том числе и в оптоэлектронных устройствах: светодиодах, лазерах, фотодетекторах (датчиках), солнечных батареях, фильтрах.

12.3.5. Термо-ЭДС в полупроводниках. Как и в металлах возникает под действием разности температуры. Основой преобразователей тепловой энергии в электрическую являются термоэлементы, составленные из последовательно включенных полупроводников p и n-типов. Большая термо-ЭДС полупроводников позволяет использовать их в качестве эффективных преобразователей тепловой энергии в электрическую.

Лекция 13. Полупроводниковые материалы

План лекции

13.1. Простые полупроводники

13.1.1. Германий Ge

13.1.2. Кремний Si

13.1.3. Селен Se

13.1.4. Теллур Те

13.2. Полупроводниковые соединения

13.2.1. Сложные полупроводники типа А^IVB^IV

13.1. Простые полупроводники

Простыми называют такие полупроводники, основной состав которых образован атомами одного химического элемента. Большинство полупроводниковых материалов представляют собой кристаллические твердые вещества с упорядоченной периодической структурой. Большинство полупроводниковых материалов после кристаллизации имеют решетку тапа алмаза, которая представляет собой модификацию гранецентрированной кубической решетки.

13.1.1. Германий Ge. В 1870 г. существование германия и его основные свойства были предсказаны Д.И. Менделеевым в описании элемента эка-силиция. Это предсказание подтвердил в 1886 г. немецкий химик К. Винклер, обнаружил эка-силиций в минеральном сырье и назвав его германием в честь своей родины. В земной коре содержание германия невелико и составляет примерно 0,001%. Получают германий в результате сложного технологического процесса из продуктов сгорания бурого угля. Окончательным продуктом этого процесса является монокристаллический германий в виде слитков.

Кристаллический германий – твердый, хрупкий материал с характерным металлическим блеском – относится к IV группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Кристаллизуется в виде кубической решетки типа алмаза с постоянной α=0,566 Нм. Он обладает следующими свойствами. Атомная масса m=72,59б, число атомов в единице объема составляет 4,45·10²⁸ м^-3. Ширина запретной зоны при комнатной температуре ΔW=0,75 эВ, при температуре 300 К ΔW₀=0,67 эВ. Следовательно, рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия ниже, чем на основе кремния, и не превышает 80⁰С. Концентрация собственных носителей заряда n_i=2,5·10¹⁹ м^-3. Собственное удельное электрическое сопротивление ρ=0,68 Ом·м. Электропроводность германия зависит от температуры. При низких температурах (Т<5,4 К) и высоких давлениях (P>11 ГПа) германий переходит в сверхпроводящее состояние. Подвижность носителей заряда в слаболегированном германии при комнатной температуре сравнительно высока и составляет μ_n=0,39 м³/(В·с) для электронов и μ_р=0,13 м³/(В·с) для дырок. Это позволяет использовать его для изготвления высокочастотных диодов и транзисторов.

13.1.2. Кремний Si. Кремний является элементом IV группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. После кислорода это самый распространенный элемент в земной коре. Он составляет примерно 1/4 массы земной коры. Однако в свободном состоянии в природе от не встречается. Его соединениями являются такие распространенные природные материалы, как кремнезем и силикаты. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Из соединений кремний получают несколькими способами. Чаще всего используют метод восстановления четыреххлористого кремния SiCl₄ парами цинка или водорода. Слитки в виде стержней большого диаметра (до d=100 мм) используют для мерных загрузок в тигли при выращивании монокристаллического кремния по методу Чохральского. Слитки диаметром до d=40 мм используют в качестве заготовок для бестигельной зонной плавки. Полученный поликристаллический кремний содержит 1…5% примесей. Такой кремний не пригоден для использования в полупроводниковом производстве, поэтому он подвергается дополнительной очистке.

Кристаллический кремний – темно-серое твердое и хрупкое вещество с металлическим блеском, химически довольно инертное Как и германий, он кристаллизуется в сложную кубическую пространственную решетку типа алмаза, в которой все атомы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга с постоянной решетки α=0,542 Нм. На внешней валентной оболочке атома кремния расположены четыре электрона. Кремний обладает следующими свойствами. Атомная масса m=28,08. Число атомов кремния в единице объема 5·10²⁸ в 1 м³. Основной параметр полупроводниковых приборов – ширина запретной зоны при температуре 20⁰С ΔW=1,12 эВ. Это позволяет создавать кремниевые полупроводниковые приборы с относительно высокой рабочей температурой. Верхний температурный предел кремниевых приборов достигает 200⁰С. Концентрация собственных носителей зарядов при комнатной температуре n_i=3·10⁶ м^-3. Удельное электрическое сопротивление кремния ρ с собственной электропроводностью ρ≈2,3·10³ Ом·м, резко уменьшается при увеличении концентрации примесей. При низких температурах (Т<6,7К) и высоких давлениях (P>12 ГПа) кремний переходит в сверхпроводящее состояние, т.е. удельное электрическое сопротивление ρ кремния уменьшается до нуля. Подвижность носителей заряда μ в слаболегированном кремнии составляет μ_р=0,045 м²/(В·с) для дырок. Сравнительно невысокая подвижность носителей заряда практически не отражается на параметрах микросхем, так как их частотные свойства определяются в основном такими технологическими параметрами, как размеры и форма p-n-переходов, вид легирующих примесей, дефекты кристаллической структуры и т.д. Кремний применяют для изготовления диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла, тензометров.

13.1.3. Селен Se. Селен – элемент IV группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, ставший одним из первых полупроводниковых материалов. Широко распространен в земной коре, но в малых концентрациях. Его содержание в земной коре составляет 6·10^-5% (по массе) и примерно равно содержанию в земной коре сурьмы, кадмия, серебра. Собственных руд промышленного типа минералы селена не образуют, поэтому его относят к числу редких рассеянных элементов. Селен – составной элемент сульфидных руд тяжелых цветных металлов. Основными источниками их получения служат анодные шлаки медных и никелевых электролитных производств.

Селен обладает следующими свойствами. Существует несколько разновидностей селена разных цветов аморфного и кристаллического строения. При нагревании все аллотропические формы превращаются в гексагональную кристаллическую модификацию. Атомная масса m=78,96; температура плавления Т_пл=220⁰С; температура кипения Т_кип=685⁰С; по химическим свойствам близок к сере, но менее активен. В зависимости от способа получения, а также режима проведения процесса селен может существовать в стеклообразной, аморфной, моноклинной и гексагональной аллотропических формах. В качестве полупроводникового материала используется гексагональный селен, который получил название серого селена. Он обладает следующими свойствами. Структура имеет вид зигзагообразных винтовых цепей. Плотность твердого серого селена D=4б81 г/см³, жидкого – D=4,06 г/см³. В отличие от других полупроводниковых материалов этот селен обладает аномальной температурной зависимостью концентрации свободных носителей заряда: с ростом температуры концентрация свободных носителей заряда уменьшается, а их подвижность при этом возрастает. При плавлении объем увеличивается примерно на 15%, ширина запретной ΔW=1,8 эВ, подвижность дырок при комнатной температуре очень мала и составляет μ_р=1 см²/(В·с). Чистый селен по удельному электрическому сопротивлению близок к изоляторам (ρ до 10¹² Ом·см); электрическое сопротивление зависит от способа получения, характера структуры, типа и количества примесей; снижение удельного электрического сопротивления достигается благодаря введению акцепторной примеси – хлора, бора, йода. Температурный интервал работы селеновых выпрямителей от –60 до +75⁰С. Содержание неконтролируемых примесей селена, пригодного для изготовления выпрямителей, может составлять до 8·10^-3%.

Селен применяют для изготовления фоторезисторов и фотоэлементов, так как спектральные характеристики селеновых фотоэлектрических приборов почти полностью совпадают со спектральной характеристикой глаза. Применение селена в качестве фильтров и защитных покрытий в приборах инфракрасного диапазона связано с тем, что он почти прозрачен в инфракрасном спектре.

13.1.4. Теллур Те. Теллур относится к VI группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Поликристаллический слиток теллура получают при медленном охлаждении расплавленного в открытом тигле теллура. Из такого слитка вырезают несколько монокристаллов. Очистку теллура от примесей производят многократной перегонкой. Теллур обладает следующими свойствами: ширина запретной зоны ΔW=0,35 эВ; температура плавления Т_пл=451⁰С; температура кипения при атмосферном давлении Т_кип=500⁰С; давление паров при температуре 500⁰С составляет P=67 Па; легко испаряется; удельное электрическое сопротивление чистого теллура при комнатной температуре ρ=29·10^-4 Ом·м; концентрация собственных носителей заряда n_i=9,3·10²¹ м^-3; подвижность электронов μ_n=0,17 м²/(В·с), дырок μ_р=0,12 м²/(В·с). Технический теллур применяют в виде сплавов с висмутом, сурьмой и свинцом, которые используют для изготовления термоэлектрических генераторов.

13.2. Полупроводниковые соединения

Простые полупроводники не всегда отвечают требованиям современного производства полупроводниковых приборов. Для создания материалов с различными свойствами широко используют сложные неорганические и органические полупроводниковые соединения. Структура сложных полупроводников образована атомами различных химических элементов. К этой группе относят соединения типа , где верхние индексы m и n обозначают номер группы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, а нижние x и y – число атомов этого элемента в соединении. Наиболее широкое применение нашли неорганические полупроводники.

13.2.1. Сложные полупроводники типа А^IVB^IV

Единственным двойным соединением элементов IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева в твердой фазе является соединение кремния с углеродом – карбид кремния SiC. Карбид кремния в природе встречается крайне редко в ограниченных количествах. Существует в двух модификациях: кубической β-SiC и гексагональной α-SiC. В полупроводниковом производстве получил применение лишь α-карбид кремния. Кристаллы α-SiC получают методом сублимации, при котором кристаллы выращивают из газовой фазы в графитовых тиглях в атмосфере инертного газа при температуре 2500⁰С. В результате получают монокристаллы обоих типов электропроводности размером до 30 мм с остаточной концентрацией неконтролируемых примесей до 10²² м^-3. Карбид кремния имеет довольно сложную структуру энергетических зон. Для различных политипов α-модификаций ширина запретной зоны ΔW=2,72…3,34 эВ. Такое большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния полупроводниковые приборы, которые сохраняют работоспособность при температурах до 700⁰С. Эти приборы необходимы для контроля высокотемпературных процессов в доменных печах, реактивных турбинах и др. Собственная электропроводность карбида кремния из-за большой ширины запретной зоны наблюдается начиная с температуры 1400⁰С. Подвижность носителей заряда в карбиде кремния низкая, для электронов не превышает μ_n=0,1 м²/(В·с) и для дырок μ_р=0,02 м²/(В·с). Благодаря очень большой энергии связи атомов карбид кремния обладает исключительно высокой прочностью, по твердости он немного уступает алмазу. Диффузию примесей в карбид кремния ведут в закрытом объеме при температуре 1800…2200⁰С. Вводя методом диффузии различные акцепторные примеси, создают инжекторные светодиоды, максимум излучения которых находится в различных частях видимой области спектра. Важнейшим и широко используемым свойством карбида кремния является его способность к люминесценции в видимой части спектра. Из смеси порошка карбида кремния, элементарного кремния и углерода обжигом в атмосфере азота получают силит, который применяют для изготовления высокотемпературных нагревателей. Карбид кремния применяют также для серийного выпуска варисторов, светодиодов, выпрямительных и туннельных диодов. На основе карбида кремния получают различные материалы. Например, при обжиге карбида кремния с глинистой связкой получают нелинейный материал тирит, а при обжиге его с ультрафарфоровой связкой получают нелинейный материал лэтин.

Лекция 14. Полупроводниковые материалы. Полупроводниковые

соединения

План лекции

14.1. Сложные полупроводники типа А^IIIB^V

14.1.1. Арсенид галлия GaAs

14.1.2. Антимонид галлия GaSb

14.1.3. Фосфид галлия GaP

14.1.4. Арсенид индия InAs

14.1.5. Антимонид индия InSb

14.1.6. Фосфид индия InP

14.2. Сложные полупроводники типа А^IIB^VI

14.2.1. Халькогениды цинка

14.2.2. Халькогениды кадмия

14.1.Сложные полупроводники типа А^IIIB^V

Сложные полупроводники типа А^IIIB^V представляют собой химические соединения металлов III группы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (бор, индий, галлий, алюминий) с элементами V группы (азот, фосфор, сурьма, мышьяк). Все полупроводниковые соединения этого типа имеют структуру типа цинковой обманки или сфалерита. Все полупроводниковые соединения этого типа имеют структуру типа цинковой обманки или сфалерита. Такая структура аналогична кристаллической решетки кремния и германия, в которой каждый атом связан с четырьмя другими атомами ковалентными связями. Отличие состоит в том, что в узлах кристаллической решетки соединений А^IIIB^V находятся не нейтральные атомы, а поочередно расположенные положительные заряженные ионы В^V и отрицательно заряженные ионы А^III. Такой вид связи называют донорно-акцепторным. Ширина запретной зоны ΔW изменяется в широких пределах: от 0,18 эВ для антимонидов до 2,45 эВ для фосфида алюминия. Высокая подвижность электронов позволяет создавать на основе соединений А^IIIB^V высокочастотные полупроводниковые приборы. В полупроводниковом производстве широко используют эпитаксиальные слои соединений А^IIIB^V. Преимуществом эпитаксиальных методом является возможность получения многослойных структур и простота управления процессом роста эпитаксиальных слоев.

14.1.1. Арсенид галлия GaAs. Занимает среди соединений А^IIIB^V особое место. Он обладает следующими свойствами: кристаллизуется в структуру сфалерита; молекулярная масса m=164,63; плотность D=5,4 г/см³; плотность жидкого арсенида галлия D=5,9 г/см³; ширина запретной зоны ΔW=1,4 эВ; подвижность электронов при температуре 300 К μ_n=0,85 м²/(В·с); температура плавления стехиометрического состава Т_пл≈1237⁰С при давлении паров мышьяка примерно 760 мм рт. ст.; показатель преломления 3,2; диэлектрическая проницаемость ε=11,1; рабочая температура p-n- переходов, изготовленных на основе арсенида галлия, достигает Т_раб=400⁰С; при комнатной температуре не взаимодействует с водой; при нагревании до температуры 300⁰С не окисляется кислородом воздуха; при комнатной температуре взаимодействует с кислотами с выделением сильно токсичного вещества арсина AsH₃.

Нелегированный арсенид галлия имеет электронный тип проводимости с концентрацией носителей заряда n=5·10¹⁵ см^-3 и подвижностью электронов μ_n=8000 м²/(В·с). При легировании цинком образует арсенид галлия дырочного типа проводимости с концентрацией носителей заряда 10¹⁷…10²⁰ см^-3 и подвижностью дырок μ_p=200 м²/(В·с). Для получения арсенида галлия с высоким удельным электрическим сопротивлением (от ρ=10⁴ до 10⁹ Ом·см) расплав легируют железом или хромом до концентрации носителей n=10¹⁷ см^-3.

Арсенид галлия монокристаллический получают методом Чохральского и применяют для выращивания эпитаксиальных структур. Арсенид галлия является основным материалом для производства полупроводниковых лазеров с длиной волны излучения 0,83…0,92 мкм. Его широко используют для изготовления туннельных диодов, генераторов СВЧ- колебаний с частотой генерации до 100 ГГц, первичных преобразователей света, датчиков низких температур, а также при изготовлении некоторых типов интегральных микросхем.

14.1.2. Антимонид галлия GaSb. Относится к материалам с признаками нестехиометрической природы соединения, так как технологическими приемами концентрацию акцепторной примеси в нем не удается снизить меньше, чем на 1,5·10²³ м^-3. Антимонид галлия обладает следующими свойствами: кристаллизуется в кубическую гранецентрированную решетку; молекулярная масса m=191,48; постоянная решетки 0,6 Нм; плотность D=5,61 г/см³; температура плавления Т_пл=712⁰С; диэлектрическая проницаемость ε=14,8; показатель преломления 3,9; ширина запретной зоны при температуре 300 К ΔW=0,67…0,72 эВ; подвижность электронов при температуре 300⁰С μ_n=0,4 м²/(В·с). Антимонид галлия чрезвычайно чувствителен к механическим напряжениям. При воздействии давления 4·10⁸ Па удельное электрическое сопротивление увеличивается в два раза. Монокристаллические слитки антимонида галлия получают из поликристаллического материала стехиометрического состава выращиванием из расплава. Благодаря высокой чувствительности к деформациям антимонид галлия применяют для изготовления тензометров. Он находит применение в производстве туннельных диодов и микроволновых детекторов.

14.1.3. Фосфид галлия GaP. Относится к полупроводникам с непрямыми переходами. Длина волны его электромагнитного излучения зависит от энергетических уровней центров излучательной рекомбинации. Для светодиодов из фосфида галлия, испускающих красное свечение, такие уровни создают легированием цинком и кислородом или кадмием и кислородом. Свечение в зеленой области получают при легировании фосфида галлия азотом, который можно ввести в фосфид галлия в большом количестве без изменения концентрации свободных носителей заряда. Фосфид галлия обладает следующими свойствами: кристаллизуется в структуру сфалерита; параметр решетки 0,54 Нм; молекулярная масса m=100,7; плотность в твердом состоянии D=4,1 г/см³, в жидком D=4,6 г/см³; температура плавления стехиометрического состава при давлении паров фосфора P≈2,8·10⁶ Па Т_пл=1500⁰С; рабочая температура p-n-перехода Т_раб=500⁰С; ширина запретной зоны ΔW=2,24 эВ. Нелегированные кристаллы обладают дырочной электропроводностью; в качестве основного акцептора используют цинк, в качестве донорных примесей – теллур и серу. Фосфид галлия поликристаллический получают в результате синтеза исходных веществ в двухзонной печи при температуре 1500⁰С. Поликристаллический фосфид галлия служит исходным материалом для получения монокристаллического материала. Фосфид галлия монокристаллический получают методом Чохральского из-под слоя флюса. В следствие большой ширины запретной зоны излучательные переходы в фосфиде галлия приходятся на видимую часть спектра, что определяет основную область их применения – производство светодиодов. Благодаря большой термо- и радиационной стойкости фосфид галлия применяют для изготовления солнечных батарей. Подложки из полуизолированного фосфида галлия используют для получения гетероэпитаксильных (по-разному ориентированных) слоев.

14.1.4. Арсенид индия InAs. По свойствам аналогичен антимониду индия. Он обладает следующими свойствами: кристаллизуется в кубическую гранецентрированную решетку; молекулярная масса m=189,67; параметр решетки α=0,6 Нм; плотность D=5,56 г/см³; температура плавления Т_пл=943⁰С; показатель преломления 3,9; микротвердость 4·10⁹ Н/м²; lдиэлектрическая проницаемость ε=14; ширина запретной зоны при температуре 300 К ΔW=0,36 эВ; подвижность электронов μ_n=3,3 м²/(В·с); подвижность дырок μ_р=0,046 м²/(В·с). Наиболее чистый арсенид индия имеет концентрацию электронов n_i=2·10²¹ м^-3. Давление паров в точке плавления P=0,3·10⁵ Па не создает технологических трудностей. Монокристаллические слитки арсенида индия получают методом Чохральского или горизонтальной направленной кристаллизацией. Арсенид индия применяют для изготовления датчиков Холла, фотодиодов, лазеров, а также приборов с гальваномагнитными эффектами.

14.1.5. Антимонид индия InSb. Является наиболее изученным их всех соединений A^IIIB^V, что объясняется простотой его получения. Он обладает следующими свойствами: кристаллизуется в кубическую гранецентрированную решетку; постоянная решетки 0,64 Нм; молекулярная масса m=263,58; плотность D=5,77 г/см³; температура плавления Т_пл=525⁰С; показатель преломления 3,75; микротвердость 2,5·10⁹ Н/м². Из-за малой ширины запретной зоны ΔW=0,18 эВ при температуре ниже комнатной антимонид индия становится вырожденным полупроводником. По этой же причине электропроводность антимонида индия при комнатной температуре становится не примесной, а собственной. Подвижность электронов превышает при низких температурах 10²/(В·с); фотопроводимость охватывает область, которая лежит в инфракрасной части спектра с максимумом фотопроводности, соответствующим длине волны 6,7 мкм. Получают антимонид индия сплавлением в атмосфере водорода в стехиометрическом соотношении высокочистых индия и сурьмы. Затем выращивают монокристаллические слитки методом Чохральского с последующей очисткой методом зонной плавки. Промышленность выпускает монокристаллический антимонид индия в виде слитков и пластин с электронной и дырочной электропроводностью с концентрацией носителей заряда 10²⁰…10²⁴ м^-3. Для легирования используют теллур, цинк, германий. Антимонид индия применяют для изготовления датчиков Холла, оптических фильтров и термоэлектрических генераторов и холодильников. Очень высокую фоточувствительность антимонида индия используют для изготовления детекторов длинноволнового инфракрасного излучения (при охлаждении до 1,5 К), а также фоторезисторов.

14.1.6. Фосфид индия InP. Относится к полупроводниковым структурам A^IIIB^V, получение которых связано с технологическими трудностями. Он обладает следующими свойствами: температура плавления Т_пл=1062⁰С; концентрация электронов в наиболее чистом фосфиде индия n=10²¹ м^-3; ширина запретной зоны ΔW=1,29 эВ; диэлектрическая проницаемость ε=14.

Технологические трудности выращивания монокристаллов фосфида индия связаны с высоким давлением паров (P=21·10⁵ Па) в точке плавления. Применяют фосфид индия для изготовления лазеров.

14.2. Сложные полупроводники типа А^IIB^VI.

Группу полупроводниковых материалов типа А^IIB^VI составляют двойные соединения халькогенов с металлами II группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева цинком, кадмием, ртутью. К халькогенам относят серу S, селен Se и теллур Te, а соединения с этими элементами (сульфиды, селениды, теллуриды) называют халькогенидами. Халькогениды типа А^IIB^VI кристаллизуются в структуры двух типов: кубическую типа сфалерита, образующуюся при низких температурах, и гексагональную. Каждый атом в решетках связан с четырьмя соседними, два из которых имеют ковалентный характер, а два других – ионный. Прочность связи атомов в кристаллической решетке внутри каждой группы (сульфидов, селенидов, теллуридов) уменьшается при увеличении суммарного атомного номера. Халькогениды различаются между собой шириной запретной зоны ΔW, которая составляет от 3,7 эВ для ZnS до 0,02 эВ для HgTe. Температура плавления от 1830 до 670⁰С. Все халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, ярко проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства. В зависимости от соотношения компонентов могут обладать электронной и дырочной проводимостью: избыток металла А^II приводит к появлению электронной электропроводности, а избыток халькогена В^VI – к появлению дырочной электропроводности. Технология получения соединений типа А^IIB^VI довольно проста. Поликристаллические сульфиды и теллуриды получают чаще всего осаждением из водных растворов солей с серной кислотой Н₂S. Для получения теллурида кадмия и селенидов используют непосредственное сплавление исходных компонентов.

14.2.1. Халькогениды цинка. Сульфид цинка ZnS обладает следующими свойствами: плотность D=4,08 г/см³; температура плавления Т_пл=1830⁰С; ширина запретной зоны ΔW=3,7 эВ; подвижность электронов μ_n=140 см²/(В·с); подвижность дырок μ_р=5 см²/(В·с); удельное электрическое сопротивление ρ составляет 10⁶…10¹² Ом·м; электронная проводимость у нелегированных кристаллов; для получения дырочной электропроводности используют легирование элементами I группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. В виде кристаллического порошка (реже в виде пленок) сульфид цинка применяют для изготовления люминофоров различных приборов: осциллографических и телевизионных электронно-лучевых трубок, люминесцентных осветительных и цифровых ламп. В качестве активаторов используют серебро, медь, марганец в количестве 0,001…3%. Введение избыточного цинка позволяет получать очень малое время послесвечения. Монокристаллы сульфида цинка используют в качестве оптического материала, прозрачного в инфракрасной области спектра, для создания лазеров с длиной волны λ=0,32 мкм, а также для пьезоусилителей акустических колебаний.

Селенид цинка ZnSe. Обладает следующими свойствами: плотность D=5,26 г/см³; температура плавления Т_пл=1515⁰С; ширина запретной зоны ΔW=2,7 эВ; подвижность электронов μ_n=700 см²/(В·с); подвижность дырок μ_р=28 см²/(В·с). Селенид цинка во многом похож на сульфид цинка, но его свойствами легче управлять. Применяют в качестве люминофора и фоторезистора.

Теллурид цинка ZnTe. Обладает следующими свойствами: плотность D=5,7 г/см³; температура плавления Т_пл=1295⁰С; ширина запретной зоны ΔW=2,2 эВ; подвижность электронов μ_n=1540 см²/(В·с); подвижность дырок μ_р=300 см²/(В·с); электронная электропроводность из-за избытка атомов теллура; удельное электрическое сопротивление ρ составляет 10²…10⁴ Ом·м. Применяют в качестве электролюминофора и фоторезистора.

14.2.2. Халькогениды кадмия. Сульфид кадмия CdS обладает следующими свойствами: плотность D=7,6 г/см³; температура плавления Т_пл=1114⁰С; теплопроводность λ=0,03 Вт/(см·⁰С); показатель преломления 4,19; ширина запретной зоны ΔW=0,4 эВ; подвижность электронов μ_n=600 см²/(В·с); подвижность дырок μ_р=400 см²/(В·с); всегда обладает электронной проводимостью из-за недостатка серы относительно стехиометрического состава; удельное электрическое сопротивление ρ под влиянием примесей, температуры, излучения изменяется от 0,1 до 10⁷ Ом·м; самый чувствительный фоторезист в видимой части спектра.

Сульфид кадмия применяют в качестве люминофора, а также для изготовления дозиметров ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, счетчиков частиц и т.д.

Селенид и теллурид кадмия получают теми же методами, что и сульфид кадмия.

5.2.4. Сложные полупроводники типа А^IVB^VI (халькогениды свинца). Группу полупроводников типа А^IVB^VI представляют сульфид свинца PbS, селенид свинца PbSe и теллурид свинца PbTe. Халькогениды свинца кристаллизуются в кубическую решетку. Характер химической связи атомов близок к ковалентному. Они чувствительны к нарушению стехиометрического состава: избыток свинца 0,003% приводит к появлению электронной электропроводности, такой же избыток халькогена приводит к появлению к появлению дырочной электропроводности. Акцепторными примесями являются металлы I группы (серебро, медь, калий, натрий), замещающие атомы свинца; донорными примесями являются элементы II группы, замещающие атомы свинца, и галогены VI группы, замещающие атомы халькогена; примесные энергетические уровни не являются дискретными даже при низких температурах. При низких температурах проявляется излучательная рекомбинация носителей заряда, что позволяет использовать халькогениды свинца для создания лазеров инфракрасного диапазона; обладают фоторезистивными свойствами.

Поликристаллы халькогенидов свинца получают сплавлением компонентов в вакууме в кварцевых ампулах или осаждением из растворов. Вследствие высокой летучести халькогенов необходимо контролировать давление пара над жидкой фазой при кристаллизации из расплава. Монокристаллы получают направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава по методу Чохральского из-под слоя флюса. Тонкие пленки получают методом осаждения из паровой фазы в вакууме, методом химического осаждения и эпитаксиального наращивания.

Сульфид свинца PbS существует в виде минералов галенита, которые являются одной из самых распространенных руд свинца. Бывают большие монокристаллы минерала, которые по полупроводниковым свойствам не уступают лучшим материалам, полученным в лабораторных условиях. Сульфид свинца обладает следующими свойствами: молекулярная масса m=120; постоянная решетки 0,594 Нм; плотность D=7,6 г/м³; температура плавления Т_пл=1114⁰С; теплопроводность λ=0,03 Вт/(см·⁰С); показатель преломления 4,19; ширина запретной зоны ΔW=0,4 эВ; подвижность электронов μ_n=600 см²/(В·с); подвижность дырок μ_р=400 см²/(В·с).

Селенид свинца PbSe существует в виде минерала клаусталита, который в природе обнаруживают редко. Селенид свинца обладает следующими свойствами: молекулярная масса m=143; постоянная решетки 0,612 Нм; плотность D=8,15 г/м³; температура плавления Т_пл=1065⁰С; теплопроводность λ=0,017 Вт(см·⁰С); показатель преломления 4,54; ширина запретной зоны ΔW=0,3 эВ; подвижность электронов μ_n=900 см²/(В·с); подвижность дырок μ_p=500 см²/(В·с).

Теллурид свинца PbTe содержится в природном минерале алтаите, который также встречается редко. Теллурид свинца обладает следующими свойствами: молекулярная масса m=168; постоянная решетки 0,65 Нм; плотность D=8,16 г/м³; температура плавления Т_пл=910⁰С; теплопроводность λ=0,017 Вт(см·⁰С); показатель преломления 5,48; ширина запретной зоны ΔW=0,3 эВ; подвижность электронов μ_n=300 см²/(В·с); подвижность дырок μ_р=200 см²/(В·с).

Теллурид свинца обладает высоким коэффициентом термоЭДС и малой теплопроводностью, поэтому является эффективным материалом для создания полупроводниковых термоэлементов, работающих при температурах 300…700⁰С.

Лекция 15. Полупроводниковые материалы. Полупроводниковые

соединения

План лекции

15.1. Сложные полупроводники типа

15.2. Оксидные полупроводники

15.2.1. Закись меди Cu₂O

15.2.2. Оксид цинка ZnO

15.2.3. Двуокись титана TiO₂

15.2.4. Оксид железа Fe₂O₃

15.2.5. Оксид никеля NiO₂

15.3. Стеклообразные полупроводники

15.4. Органические полупроводники

15.1. Сложные полупроводники типа

Эту группу полупроводниковых материалов представляют сульфид сурьмы Sb₂S₃, селенид висмута Bi₂Se₃ и теллурид висмута Bi₂Te₃. Эти материалы кристаллизуются в ромбическую и ромбоэдрическую структуры, обладающие низкой симметрией. Они обладают сильной анизотропией свойств даже в пленочных образцах, а также электропроводностью, очень чувствительной к отклонениям от стехиометрического состава. Халькогениды соединений типа синтезируют сплавлением исходных компонентов при пониженном давлении в запаянных кварцевых ампулах. Монокристаллы получают методом направленной кристаллизации. Благодаря высокой фоточувствительности сульфид сурьмы используют для изготовления фотопроводящих мишеней передающих телевизионных трубок.

15.2. Оксидные полупроводники

Оксидными полупроводниками принято называть бинарные соединения полярного типа, в которых ясно различаются металлический и неметаллический компоненты и которые могут рассматриваться как ионные соединения. Полупроводниковыми свойствами обладают некоторые оксиды металлов, в которых ион металла относится к элементу переходного ряда Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Ti). Наибольшее применение получили закись меди Cu₂O, оксид цинка ZnO, двуокись титана TiO₂, оксид железа Fe₂O₃, оксид никеля NiO₂.

15.2.1. Закись меди Cu₂O. Представляет собой типичный дырочный сложный полупроводниковый материал желтого или красного цвета, который обладает следующими свойствами: молекулярная масса m=143; плавится при температуре Т_пл=1230⁰С без разложения; разложение начинается при температуре 1800⁰С; ширина запретной зоны ΔW=1,9 эВ; дырочная электропроводность за счет избытка кислорода относительно стехиометрического состава; для получения оксида меди с электронной проводимостью применяют диффузию меди; подвижность дырок μ_р=8·10^-3 м²/(В·с). Удельное электрическое сопротивление ρ на несколько порядков меньше совершенного изолятора из окиси магния. Закись меди используют для изготовления купоросных выпрямителей.

15.2.2. Оксид цинка ZnO. Обладает следующими свойствами: m=41; температура плавления Т_пл=1975⁰С; ширина запретной зоны ΔW=3,2 эВ; электронная проводимость благодаря избыточному цинку, который всегда присутствует в окиси цинка; подвижность электронов μ_n=1000 м²/(В·с).

15.2.3. Двуокись титана TiO₂. Обладает шириной запретной зоны ΔW=3,0 эВ. Создавая избыток титана в процессе восстановления двуокиси титана, добываются снижением удельного электрического сопротивления ρ образцов и получают в них электронную электропроводность.

15.2.4. Оксид железа Fe₂O₃. Обладает следующими свойствами: молекулярная масса m=160; температура плавления Т_пл=1500⁰С; ширина запретной зоны ΔW=2,2 эВ.

15.2.5. Оксид никеля NiO₂. Обладает следующими свойствами: молекулярная масса m=75; температура плавления Т_пл=1700⁰С; ширина запретной зоны ΔW=1,2 эВ.

В оксидах железа Fe₂O₃ и никеля NiO₂ удельное электрическое сопротивление ρ снижается не только из-за отклонения от стехиометрии, но и благодаря переменной валентности ионов металла. Преимущество оксидных полупроводников состоит в том, что технология их изготовления сравнительно проста. В производстве применяют поликристаллические оксиды в виде спеченных образцов, которые легко получают методами керамической технологии. Смеси оксидов используют для изготовления терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления ТКρ, фоторезисторов, варисторов, сопротивление которых сильно зависит от приложенного напряжения.

15.3. Стеклообразные полупроводники

Стеклообразные полупроводники характеризуются разориентированностью структуры и ненасыщенными химическими связями. В пространственной решетке таких материалов кроме ковалентно связанных атомов имеются полярные группировки ионов и связь между атомами осуществляется за счет короткодействующих ковалентных сил Ван-дер-Ваальса. Полупроводниковыми свойствами обладают как кислородосодержащие стекла, так и бескислородные халькогенидные стекла. Кислородосодержащие стекла получают сплавлением окислов металлов, например ванадий-фосфатные стекла типа V₂O₅ – P₂O₅ – ZnO. Бескислородные халькогенидные стекла получают сплавлением халькогенов (серы, селена, теллура) с элементами II, IV и V групп Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, например As₂Se₃ – AsJ₃. Стеклообразные полупроводниковые материалы пока еще мало изучены и не нашли широкого промышленного применения.

15.4. Органические полупроводники

Полупроводниковые свойства у органических соединений были открыты в 1906 г. Вначале была обнаружена фотопроводимость красителей. Затем было установлено, что органические полупроводники имеют такую же зависимость проводимости от повышения температуры, как и неорганические полупроводники. Подвижность носителей заряда на несколько порядков ниже, чем у германия. У многих соединений при низких температурах не наблюдается выраженной примесной проводимости. Полупроводниковые свойства сочетаются с эластичностью, способностью к образованию пленок и волокон. Органические полупроводники – высокопрочные материалы. Процесс проводимости определяется движением носителей заряда внутри молекулы вещества и их переходами от молекулы к молекуле. При комнатной температуре для низкотемпературных соединений удельное электрическое сопротивление ρ=10¹⁰…10¹⁶ Ом·см, для высокотемпературных ρ=10⁵…10⁹ Ом·см.

Молекулярные кристаллы представляют собой полициклические низкомолекулярные ароматические соединения. Они отличаются кристалличностью и наличием ароматических колец с системой сопряженных двойных связей. К молекулярным кристаллам относятся антрацен C₁₄H₁₀, нафталин C₁₀H₈, фенантрен, перилен, коронен, виолантрен, изовиолантрен и фталоцианы. Они обладают дырочной проводимостью у большинства из материалов этого класса, энергией активации примерно 1…3 эВ, низкой подвижностью носителей заряда μ=0,5…1,0 м²/(В·с), удельным электрическим сопротивлением ρ от 7 до 10¹⁵ Ом·см.

Молекулярные комплексы представляют собой полициклические низкомолекулярные соединения с электронным взаимодействием между молекулами вещества. Они обладают дырочно-акцепторной проводимостью: одна молекула способна отдать электрон, а другая – присоединить; при передаче заряда возникает ионная связь между молекулами. Электропроводность больше, чем у молекулярных кристаллов. По структуре молекулярные комплексы бывают однородные и слоистые со слоями n- и p-типов. Однородное строение имеют галогенароматические комплексы. Типичным однородным молекулярным комплексом является виолантрен–йод, в котором виолантрен обладает свойствами донора, а йод – акцептора. При увеличении концентрации йода ширина запретной зоны изменяется от 0,18 до 0,45 эВ. Этот материал обладает дырочной проводимостью. Слоистым молекулярным комплексом является изовиолантрен–калий.

Металлоорганические комплексы представляют собой низкомолекулярные вещества, молекула которых содержит в центре атом металла. Такие материалы имеют энергию активации носителей заряда более 1 эВ, относительно высокую подвижность носителей заряда (примерно 10 м²/(В·с)). Основными носителями заряда являются дырки. Металлоорганические комплексы способны к полимеризации и имеют удельное электрическое сопротивление ρ от 10⁹ до 10¹³ Ом·см. Примером металлоорганических комплексов является фталецианин меди.

Полимерные полупроводники представляют собой материалы с длинными цепями сопряжения и сложными физико-химическим строением.

Пигменты представляют собой красители, обладающие полупроводниковыми свойствами. Для них характерны высокая энергия запретной зоны и низкая электропроводность. К полимерным пигментам относят индиго, эозин, пинацианол, радофлавин, родамин, трипафлавин и др. К природным пигментам относят хлорофилл, каротин и др. Пигменты бывают полупроводниками электронными с проводимостью n-типа и дырочные с проводимостью p-типа.

Основным критерием использования органических полупроводников является их чистота. Для очистки органических материалов используют кристаллизацию из раствора, возгонку, хроматографию из раствора или пара и зонную очистку. Органические полупроводники применяют для изготовления терморезисторов с высокой температурной стабильностью пъезоэлемента, резонансных контуров в интегральных схемах, радиационных дозиметров, детекторов инфракрасного излучения, фоторезисторов, квантовых генераторов, тензодатчиков с высокой чувствительностью. Приборы, изготовленные на основе органических полупроводников, отличаются высокой механической и климатической устойчивостью в условиях тропического климата и при повышенных вибрационных и ударных нагрузках. Например, радиационные дозиметры используют в атомных реакторах, терморезисторы – для контроля температурных режимов в вибрационных установках.

Лекция 16. Магнитные материалы. Общие сведения

План лекции

16.1. Основные характеристики магнитных материалов

16.1.1. Петля гистерезиса

16.1.2. Кривая намагничивания

16.1.3. Магнитная проницаемость

16.1.4. Потери энергии при перемагничивании

16.2. Классификация магнитных материалов

16.1. Основные характеристики магнитных материалов

Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнитного поля. Магнитные свойства материалов характеризуются петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

16.1.1. Петля гистерезиса. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до + Н, от + Н до — Н и снова от — Н до + Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой — петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис. 3.1). При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую промежуточных петель гистерезиса. Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль направления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщен

Дата добавления: 2014-01-07