Головна

Тема 4.1 Основні властивості напівпровідникових матеріалів. Напівпровідникові матеріали і їх параметри

  1.  G - фактор і його властивості
  2.  I. неметалічних матеріалів
  3.  I. Основні проблеми народонаселення Росії
  4.  II. 2. Показова функція і її властивості.
  5.  II. Основні завдання Гостехкомиссии Росії
  6.  II. Основні правила ведення бухгалтерського обліку
  7.  II. Основні принципи

Напівпровідники займають проміжне місце по електричної провідності між металевими провідниками і діелектриками. Електричний опір металевих провідників з підвищенням температури збільшується, а напівпровідників і діелектриків зменшується.

Провідники мають величезну кількість вільних електронів, спрямоване переміщення яких є струмом провідності, а в напівпровідниках вільних електронів трохи. Це пояснюється тим, що валентні електрони в напівпровідниках пов'язані зі своїми атомами, т. Е. Не є вільними. Струм в напівпровідниках може виникати і змінюватися в широких межах тільки під впливом зовнішніх впливів:
 нагрівання, опромінення або при введенні деяких домішок. Це збільшує енергію валентних електронів, дозволяє їм відриватися від своїх атомів і під дією прикладеної напруги направлено переміщатися, т. Е. Ставати носіями струму. Чим вище температура напівпровідника або чим інтенсивніше його опромінення, тим більше в ньому вільних електронів і тим більше струм.

Атоми напівпровідника, що втратили електрони, перетворюються в позитивно заряджені іони, які не можуть переміщатися. Місце на зовнішній оболонці атома, покинуте електроном, називають діркою. Цю дірку (вакансію) може зайняти інший електрон, який залишив своє місце в сусідньому атомі. В результаті на оболонці сусіднього атома теж з'явиться дірка, т. Е. Він перетвориться в позитивно заряджений іон.

Якщо до напівпровідника прикласти електричну напругу, то електрони будуть переміщатися від одних атомів до інших в одному напрямку, а дірки - в протилежному. Дірку прийнято вважати позитивно зарядженою часткою з зарядом, рівним заряду
 електрона. Позірна переміщення дірок в напрямку, протилежному переміщенню електронів, називають дірковим струмом.

Електропровідності напівпровідників, обумовлені рухом електронів і дірок, називають відповідно електронної та доречний. У чистому напівпровіднику концентрації електронів Nе і дірок N д однакові, і електропровідність такого напівпровідника називають власної (рис. 32).

 
 

 Малюнок 32 Схема руху електронів і дірок в напівпровіднику власної електропровідності

В цьому випадку загальний струм I складається з електронного Iе і діркового I д струмів:

Але так як рухливість електронів більше, ніж рухливість дірок, електричний струм більше діркового.

Для створення напівпровідникових приладів (наприклад, випрямних діодів) потрібні напівпровідникові матеріали, що володіють переважно електронною або доречний електропровідністю. Для отримання таких матеріалів в ретельно очищений напівпровідник вводять відповідну легирующую домішка.

Легуючі домішки, валентність яких вище валентності напівпровідника, постачають його вільними електронами і називаються донорними, або донорами. Домішки, що мають меншу валентність, ніж
 напівпровідник, мають здатність захоплювати і утримувати його електрони, на місці яких утворюються дірки. Такі домішки називають акцепторними, або акцепторами.

Щоб отримати напівпровідник, що володіє тільки електронною електропровідністю, в нього вводять атоми речовини, валентність якого на одиницю більше валентності атомів основного напівпровідника. Так, в
 германій Ge, що складається з чотирьох валентних атомів, вводять донорні домішки - сурму Sb або фосфор Р, що складається з п'ятивалентних атомів (рис. 33).

 
 

 Малюнок 33 Кристалічні ґрати германію з введеної в нього донорной домішкою (фосфором)

 
 

 Чотири електрона кожного з атомів введеної домішки встановлюють чотири ковалентні (парні) зв'язку з відповідними атомами напівпровідника. П'ятий залишається без такого зв'язку, отже, переходить у вільний стан і під дією прикладеної напруги бере участь в утворенні електричного струму.

Малюнок 34 Схема руху електронів і дірок в напівпровідниках з донорной домішкою

Як видно з рис. 34, основними носіями заряду в напівпровіднику з донорной домішкою є електрони, що становлять примесную електропровідність. Дві дірки і відповідні їм два електрона утворюються в результаті іонізації атомів германію. Ці носії заряду обумовлюють власну електропровідність напівпровідника. Загальний струм в напівпровіднику дорівнює сумі електронного та діркового струмів, але
 електричний струм у багато разів більше діркового. Такий напівпровідник називають електронним, або n-типу.

При введенні в германій акцепторной домішки, наприклад бору В, кожен з її атомів встановить три ковалентні зв'язки з сусідніми атомами германію. Але так як у бору всього три валентних електрони, вони можуть встановити зв'язки тільки з трьома найближчими атомами германію. Для зв'язку з четвертим атомом германію атом бору електрона не має. Таким чином, кілька атомів германію матимуть по одному електрону без ковалентного зв'язку. При цьому досить невеликих зовнішніх енергетичних впливів, щоб ці електрони покинули свої місця, утворивши дірки у атома германію (рис. 35).

 
 

Малюнок 35 Кристалічні ґрати германію з введеної в нього акцепторною домішкою (бором)

Вивільнені електрони 2, 4 і 6 атомів германію приєднаються до атомам бору і тому не можуть створити струм в напівпровіднику. Утворилися ж у атомів германію дірки 1,3 до 5 дозволяють перейти на них електронів від сусідніх атомів, де, в свою чергу, виникнуть нові дірки.

Таким чином, кожна виникає позитивно заряджена дірка буде переходити від одного атома германію до іншого, від нього - до наступного і т. Д. Під дією прикладеної напруги цей рух
 дірок впорядкується, т. е. в напівпровіднику виникне домішковий дірковий струм. Крім того, в напівпровіднику буде невелика кількість пар вільних електронів і дірок, обумовлених його власної електропровідністю. Загальний струм в напівпровіднику і раніше буде дорівнює сумі електронного та діркового струмів. Такий напівпровідник називають дірковим, або р-типу.

 
 

Малюнок 36 Схема руху дірок і електронів в напівпровіднику з акцепторною домішкою

Зі схеми руху дірок і електронів в напівпровіднику з акцепторною домішкою (рис. 36) видно, що позитивно заряджених частинок (дірок) в ньому значно більше, ніж електронів. Таким чином, ясно, що домішки значно збільшують електропровідність напівпровідників.

Під дією прикладеної напруги електрони і дірки при переміщенні в напівпровіднику, зустрічаючи різного роду перешкоди, втрачають частину енергії і відхиляються від свого шляху, т. Е. Відбувається розсіювання носіїв заряду, що викликається, головним чином, різними забруднюючими домішками. Чим чистіше напівпровідник, тим менше розсіювання носіїв заряду і вище рухливість електронів і дірок, а отже, більшою питомою провідністю у володіє
 напівпровідник.

З ростом температури провідність всіх напівпровідників збільшується (рис. 37).


Малюнок 37 Залежність питомої провідності напівпровідника від температури при малій (1) і великий (2) концентраціях легуючої домішки

Малюнок 38 Залежність струму і опору напівпровідника від прикладеної напруги

Відбувається це тим інтенсивніше, чим більше донорной або акцепторной
 домішки введено в напівпровідник. До температури Т1 в напівпровіднику спостерігається домішкова електропровідність, обумовлена ??рухом надлишкових зарядів. В інтервалі температур Т1 Т2 провідність
 напівпровідника дещо зменшується (крива 1). Це викликано інтенсивними тепловими коливаннями його атомів, які заважають переміщенню вільних електронів або дірок. При подальшому ж зростанні
 температури в напівпровіднику розвивається власна електропровідність. У зв'язку з цим утворюється велика кількість нових електронів і дірок, спрямоване переміщення яких створює дедалі більший струм в напівпровіднику, і його питома провідність
 різко зростає.

Крива 2 цієї статті не показує зменшення питомої провідності високолегованого напівпровідника в інтервалі температур Т1 - Т2. Це пояснюється великою кількістю вступників у напівпровідник домішкових електронів і дірок. Участь домішкових носіїв заряду цілком компенсує зростання опору напівпровідника в цьому інтервалі температур.

При температурі абсолютного нуля (- 273 ° С) електрони не володіють рухливістю, т. Е. Міцно пов'язані зі своїми атомами, внаслідок чого напівпровідники стають діелектриками.

Характерною властивістю напівпровідників є нелінійність залежності їх струму від прикладеної напруги (рис. 38), т. Е. Струм зростає значно швидше, ніж напруга. Одночасно з ростом струму
 різко зменшується електричний опір напівпровідника.

Це властивість використовують в вентильних полупроводпікових розрядниках, приєднуючи їх до проводів лінії електропередачі для захисту від великих струмів при ударі блискавки. При нормальному напрузі розрядник, володіючи дуже великим опором, не пропускає струм з лінії електропередачі на землю. При ударі блискавки дроти знаходяться під впливом дуже великої напруги, електричний опір вентильного розрядника різко зменшується і він відводить великий струм з лінії на землю. В результаті напруга лінії електропередачі знижується до нормального значення. Великий опір розрядники відновлюється і він знову не пропускає струм з лінії на землю.

Експериментально визначити характер електропровідності можна двома способами: за допомогою ефекту Холла і термічним способом. Сутність ефекту Холла полягає в тому, що при впливі поперечного постійного магнітного поля на платівку матеріалу, уздовж якої переміщаються носії заряду, відбувається зміщення так, що щільність носіїв в поперечному cеченіі стає нерівномірною. В результаті цього між бічними гранями пластинки виникає деяка різниця потенціалів - поперечна е. д. з. Холла. Залежно від типу електропровідності змінюється напрямок поперечної е. д. з. (Рис. 39).

 
 

Малюнок 39 Метод визначення типу електропровідності напівпровідників за допомогою ефекту Холла

Термічний спосіб, полягає в наступному, нагріванні кінця платівки з напівпровідникового матеріалу з електропровідністю типу р гарячий кінець з температурою tг буде заряджений позитивно у порівнянні з холодним кінцем, що має температуру tx. При з'єднанні обох кінців провідникової ланцюгом в ній виявиться струм відповідного напряму. При електропровідності пластинки типу n гарячий кінець буде заряджений негативно в порівнянні з холодним кінцем, що відіб'ється на напрямку струму в електричному ланцюзі, що з'єднує обидва кінці (рис. 40).

 
 

Малюнок 40 Термічний метод визначення типу електропровідності напівпровідників

«Напівпровідникові матеріали»

Серед великої кількості напівпровідникових матеріалів неорганічного і органічного походження монокристаллической і полікристалічний структури в електротехніці використовують в основному
 германій, кремній, селен і карбід кремнію, з яких виготовляють напівпровідникові прилади.

Кремній і германій відносяться до алмазоподібних напівпровідників, так як вони мають кристалічну структуру алмазу (рис. 41) -куб, в вершинах і в центрах граней якого розташовані атоми вуглецю. Крім того, атоми вуглецю знаходяться в центрах чотирьох (з восьми) малих кубів
 (Октантів), на які ділиться великий куб.

 
 

Малюнок 41 Кристалічна структура алмазного типу

Германій Ge-елемент четвертої групи періодичної системи Менделєєва. Вихідними сировинними матеріалами для отримання германію служать цинкові і сульфідні руди. В результаті складних хімічних
 процесів отримують злиток германію, який ще не можна застосовувати для виготовлення напівпровідникових приладів, так як він містить домішки і не є монокристалом. Спочатку цей злиток методом зонного плавлення звільняють від домішок, які в очищеному германии повинні складати не більше 5 · 10 - 9%.

Щоб отримати монокристаллический германій, його розплавляють в вакуумі або атмосфері інертного газу. Для отримання германію електропровідністю n- або p типу в розплав очищеного германію вводять відповідно Донорно або акцепторну домішка. Потім з розплаву витягають з певною швидкістю чистий монокристалічний германій у вигляді суцільного циліндра заданого діаметра.

Германій має яскраво-сріблястий колір, його щільність 5322 кг / м3, а температура плавлення 937,2 ° С. Всі сорти германію мають високу стійкість та крихкістю і легко зволожуються.

Германій широко застосовують для виготовлення діодів і фотоелементів.

Кремній Si є елементом четвертої групи періодичної системи Менделєєва. Широко поширений в природі у вигляді кремнезему Si02 служить одним з вихідних речовин для отримання технічних сортів кремнію.

В результаті очищення злитків кремнію методом зонного плавлення отримують в залежності від введених легуючих домішок монокристалічний кремній електропровідністю n- або р-типу. В очищеному кремнії домішки повинні складати не більше 10 -11%.

Зразки полірованого кремнію мають колір стали. Кремній, як і германій, являє собою крихкий матеріал. Основні характеристики очищеного нелегованого кремнію: щільність 2320 кг / м3, темпера
 туру плавлення 1420 ° С.

Кремній застосовують більш широко, ніж германій, так як верхня межа робочої температури напівпровідникових приладів на його основі 150 - 200 ° С, а на основі германію 70-80 ° С. Кремній використовують у виробництві інтегральних мікросхем.

Селен Se - елемент шостої групи періодичної системи Менделєєва. Вихідними матеріалами для його отримання є залишки, що утворюються при електролітичному рафінуванні міді. Твердий селен може мати аморфне або кристалічне будова. Чорний аморфний селен, що отримується з очищеного розплавленого селену при швидкому охолодженні його до кімнатної температури, являє собою діелектрик з питомим опором р = 10-11 Ом-м.

Сірий кристалічний селен отримують з розплавленого аморфного селену при повільному охолодженні його від температури плавлення (220 ° С) до кімнатної. Кристалічний селен є домішковим полупроводником р-типу, які мають полікристалічну структуру. Основні характеристики селену: щільність 4800 кг / м3, температура плавлення 217 ° С, Інтервал робочих температур селену в випрямлячах від - 60 до 75 ° С.

Селен застосовують для виготовлення селенових випрямлячів, фотоелементів і фоторезисторів.

Карбід кремнію SiC є крихкий матеріал полікристалічного будови з яскраво вираженою нелінійною залежністю між струмом і напругою. Карбід кремнію утворюється в результаті хімічної сполуки кремнію і вуглецю. Вихідними матеріалами для його отримання є чистий кварцовий пісок і кокс. Щоб отримати примесную електричну провідність того чи іншого типу, в початковий склад (шихту) вводять домішки - фосфор, сурму, вісмут, магній, алюміній і ін.
 Реакція освіти карбіду кремнію ведеться при кінцевій температурі приблизно 2000 ° С.

Карбід кремнію, легований фосфором, сурмою або вісмутом, має темно-зелене забарвлення і має електропровідність n-типу, а легований галієм, алюмінієм або бором, має темно-фіолетове забарвлення і має електричну провідність р-типу. Основні характеристики карбіду кремнію: щільність 3200 кг / м3, температура плавлення 2700 ° С. Як і кристалічний селен, карбід кремнію є домішковим полупроводником, але при температурі 1400 ° С і вище у нього
 з'являється власна електропровідність.

В основному найбільш чисті сорти карбіду кремнію застосовують у виробництві варисторів - резисторів, що володіють нелінійної симетричною вольт-амперної характеристикою і працюють в інтервалі температур від -50 до +80 ° С. Варистори використовують в пристроях автоматичного регулювання.

З полікристалічного карбіду кремнію методом сублімації в інертному газі отримують монокристали карбіду кремнію, що відрізняються хімічною чистотою, які широко використовують для виготовлення діодів і транзисторів на робочі температури до 700 ° С, а також для виробництва світлодіодів.




 Природні смоли. |  Шелак. |  Копали. |  Тверді органічні діелектрики. |  Полімеризації синтетичні полімери |  Поліконденсаційні синтетичні полімери. |  Тема 3.6 Пластмаси, плівкові матеріали |  Тема 3.7 Гуми |  Тема 3.8 Лаки, емалі, компаунди |  Тема 3.9 Волокнисті діелектрики |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати