Главная | Обратная связь

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, которой можно управлять, изменяя напряжение, температуру, освещенность и другие факторы. По способности проводить электрический ток полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Зависимость удельной проводимости металлов (1) и полупроводников (2) от температуры При повышении температуры удельная электрическая проводимость у полупроводников резко увеличивается

.Для появления свободных носителей заряда в полупроводниковом материале требуется внешняя энергия (тепловая, механическая нагрузка, облучение ядерными частицами, электрическое и магнитное поля и т.д.). Если носители заряда появились под действием тепла, то они называются равновесными. В результате воздействия на полупроводник других видов энергии образуются дополнительные неравновесные носители зарядов.

Полупроводники допускают обратное преобразование электрической энергии в тепловую, световую или механическую. Дополнительная энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи определяется шириной запретной зоны и называется энергией активации DW

Полупроводники образуют алмазоподобную модификацию гранецентрированной кубической решетки, в которой каждый атом, расположенный в узле кристаллической решетки, окружен четырьмя другими атомами и связан с ними ковалентнои связью. Так как при ковалентной связи каждый внешний электрон принадлежит одновременно двум атомам, то внешние оболочки атомов содержат по восемь электронов.

Грань кристалла с решеткой типа алмаза

При разрыве ковалентной связи освободившийся электрон под действием тепловой энергии хаотически движется по объему полупроводника. На месте оторвавшегося электрона остается положительно заряженная незаполненная связь с зарядом, который равен заряду электрона, называемая дыркой.

При этом сама дырка, в отличие от электрона, не перемещается по кристаллу. Ее движение связано с тем, что за счет энергии тепловых колебаний решетки электрон соседней ковалентной связи может заполнить свободную ковалентную связь в атоме с дыркой. В результате этого атом, у которого заполняются все связи, становится нейтральным, а в атоме, потерявшем электрон, образуется дырка. Таким образом создается впечатление движения дырок.

Процесс образования свободных отрицательно заряженных электронов проводимости и положительно заряженных дырок проводимости называют генерацией электронно-дырочных пар.

Собственная электропроводность полупроводника у складывается из электронной электропроводности и дырочной электропроводности : . Примесная проводимость полупроводников обусловлена несовершенством кристаллической структуры полупроводника. Дефекты в кристаллической решетке вызывают образование дополнительных энергетических уровней внутри запретной зоны. Благодаря этому для перехода электрона с дополнительного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень требуется энергия, меньше ширины запретной зоны DW.

Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными или n-типа (n - nigative - отрицательный). Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями. Дефекты, которые вызывают появление в полупроводнике дополнительных дырок проводимости, называют акцепторными, а электропроводность, обусловленную акцепторной примесью, - дырочной.

Соответственно полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными или p-типа (р - positive – положительный. В полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными - электроны.

Введение примесей в полупроводник приводит к появлению примесной электропроводности, возникающей в результате ионизации атомов примесей. Поэтому на характер зависимости электропроводности полупроводников от температуры основное влияние оказывает концентрация носителей заряда. При высоких температурах полупроводники по проводимости приближаются к проводникам. Повышение проводимости полупроводников с ростом температуры свидетельствует о том, что полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКr.

Собственная электрическая проводимость кремния и германия проявляется при сравнительно низких температурах, поэтому температурный диапазон большинства полупроводниковых приборов невелик (до 100...150°С).

При похождении света через полупроводник частицы света (фотоны*) частично отражаются, а частично поглощаются электронами и атомами кристаллической решетки. Степень поглощения электромагнитной энергии характеризуется коэффициентом поглощения a. Значение, обратное коэффициенту поглощения 1/a, равно толщине слоя полупроводника, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в е раз (е = 2,72). Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Максимальную длину волны, которую поглощает полупроводник, называют длинноволновой или красной границей.

Если электромагнитной энергии фотона достаточно для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, то такой переход называют прямым. Если поглощенной энергии фотона недостаточно для перехода электрона в зону проводимости и требуемую дополнительную энергию он получает за счет тепловых колебаний, то такой переход называют непрямым.

Проводимость, вызванную действием света, называют фотопроводимостью.

Зависимость электропроводности полупроводниковых материалов от освещения используют для создания фоточувствительных приборов, которые работают в широком диапазоне длин волн (от длинных инфракрасных до коротких ультрафиолетовых).

Реальная поверхность полупроводникового кристалла отличается не только от его модели, но и от объемной структуры реального кристалла. На реальной поверхности полупроводника присутствуют различные макро- и микроскопические дефекты. Наличие поверхностных дефектов приводит к тому, что свойства поверхности полупроводника могут значительно отличаться от его объемных свойств. Появление поверхностных зарядов ухудшает частотные свойства полупроводниковых материалов, поэтому для изготовления высокочастотных полупроводниковых приборов необходимо предъявлять жесткие требования к качеству поверхности используемых полупроводниковых материалов, ее чистоте и совершенству кристаллической структуры.

Контактные явления в полупроводниках возникают вокруг границы раздела контактного электрического поля. Воздействие его на поверхностные слои полупроводника аналогично воздействию некоторого внешнего электрического поля. Если одна область полупроводника обладает электронной проводимостью, а другая - дырочной, то границу между этими областями называют электронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Получить р-n -переход при механическом соприкосновении полупроводников с различным типом проводимости невозможно. Для получения р-n-перехода одну часть полупроводника легируют донорной, а другую - акцепторной примесью. В результате одна часть полупроводника обладает электронной электропроводностью, а другая - дырочной. При соприкосновении электроны диффундируют в p-область, где велика концентрация дырок, и рекомбинируют с дырками. Аналогично дырки диффундируют в n-область, где велика концентрация электронов. В результате этого у границы раздела n-области остаются нескомпенсированные ионы донорной примеси, которые создают объемный положительный заряд. У границы раздела p-области нескомпенсированные ионы акцепторов создают объемный отрицательный заряд. Таким образом, в области раздела полупроводников n-типа и p-типа образуется зона, содержащая свободные носители заряда. Эта область составляет толщину р-n -перехода. При этом образовавшийся положительный объемный заряд нескомпенсированных ионов донорной примеси препятствует дальнейшей диффузии дырок из р- области в n-область.

Отрицательный объемный заряд ионов акцепторной примеси препятствует диффузии электронов в p-область. Таким образом нескомпенсированные ионы примеси создают на границе раздела потенциальный барьер для основных носителей заряда. Для преодоления этого барьера основные носители должны обладать достаточной кинетической энергией. С помощью приложения внешнего поля высоту потенциального барьера можно увеличивать или уменьшать, меняя полярность.

Простыми называют такие полупроводники, основной состав которых образован атомами одного химического элемента. Германий Ge, Кремний Si, Селен Se, Теллур Te

Германий GeГерманий почти не имеет своих руд. Единственная руда германид содержит меди, железа и цинка гораздо больше, чем германия. В ничтожных количествах (0,01...0,5 %) германий содержится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде.

Получают германий в результате сложного технологического процесса из продуктов сгорания бурого угля. Использование монокристаллических слитков германия в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем связано с большими потерями материала при механической обработке. Поэтому широко применяют эпитаксиальные пленки германия, которые получают осаждением монокристаллического германия в виде монокристаллических пленок на подложки из различных материалов (германий, кремний, кварц, сапфир). эпитаксиальный - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки) (от греч. epi - на, над, сверх, при, после + taxis - расположение)

Монокристаллическую эпитаксиальную пленку германия получают в результате реакции диспропорционирования (реакция самоокисления - самовосстановления): 2GeI₂ Û GeI₄+Ge

Германий легируют нейтральными, донорными, акцепторными и создающими глубокие энергетические уровни примесями.

Кристаллический германий - твердый, хрупкий материал с характерным металлическим блеском - относится к IV группе Периодической системы. Кристаллизуется в виде кубической решетки типа алмаза с постоянной а = 0,566 Нм.

Ширина запретной зоны при комнатной температуре DW = 0,75 эВ, при температуре 300 DW = 0,67 эВ. Следовательно, рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия ниже, чем на основе кремния, и не превышает 80 °С. r=0,68 Ом × м.

При низких температурах (Т < 5,4 К) и высоких давлениях (Р> 11 ГПа) германий переходит в сверхпроводящее состояние.

Подвижность носителей заряда в слаболегированном германии при комнатной температуре сравнительно высока и составляет m_n = 0,39 м²/(В×с) для электронов и m_p =0,13 м²/(В×с) для дырок.

Это позволяет использовать его для изготовления высокочастотных диодов и транзисторов. Плотность при комнатной температуре D - 5,35 г/см³. Т_пл = 937°С.

На воздухе кристаллический германий устойчив до температуры 600 °С, при температуре выше 600 °С окисляется до двуокиси германия GeО₂;

Даже при нагревании до температуры 1500 °С германий не взаимодействует с кварцем, поэтому в полупроводниковом производстве широко используют графит и кварц для изготовления разнообразной технологической тары.

Маркировка германия ГЭС-3 имеет следующую расшифровку: Г - германий; Д или Э - тип проводимости (дырочный, электронный); третья буква обозначает легирующую примесь (С - сурьма, 3 - золото, Г - галлий); цифра, стоящая после букв, указывает удельное электрическое сопротивление.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. это вещества, у которых запретная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует. разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики. По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяют на твердые, жидкие и газообразные.

Особую группу составляют твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, а в процессе изготовления изоляции отверждаются и в период эксплуатации представляют собой твердые вещества, например компаунды, клеи, лаки и эмали.

По химической основе диэлектрические материалы подразделяют на органические и неорганические.

Электрические свойстваК ним диэлектриков относят поляризацию, электропроводность, диэлектрические потери и пробой. Диэлектрик, помещенный между электродами, к которым подводится электрическое напряжение, поляризуется.

Поляризация - это процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля.

Под действием внешнего электрического поля связанные электрические заряды в диэлектрике смещаются со своих равновесных положений: положительные в направлении вектора напряженности поля Е (к отрицательному электроду), а отрицательные - в обратном. Поляризация приводит к образованию в каждом элементарном объеме диэлектрика dV индуцированного (наведенного) электрического момента dp. Образование индуцированного электрического момента в диэлектрике и представляет собой явление поляризации.

Интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностьюР, которая равна отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда объем стремится к нулю: Р = dp/dV .

Относительная диэлектрическая проницаемость e представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q₀ вакуумного конденсатора тех же размеров, той же конфигурации электродов, при том же напряжении: e = Q/Q₀, где Q = Q₀+Q_д - заряд конденсатора, когда между обкладками находится диэлектрик; Q_д - заряд конденсатора, в котором диэлектриком является вакуум; Q - заряд, обусловленный поляризацией.

Таким образом Также

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра под действием внешнего электрического поля. Ионная поляризация - это смещение друг относительно друга из положения равновесия разноименно заряженных ионов на расстояние, меньшее постоянной кристаллической решетки, в веществах с ионными связями. Дипольная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Миграционная поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений и слоев с различной проводимостью. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация наблюдается у диэлектриков с доменным строением, когда до приложения внешнего электрического поля в таких материалах уже имеются небольшие поляризованные области. Материалы, обладающие таким видом поляризации, называются сегнетодиэлектриками (сегнетовая соль, титанат бария ВаТЮ2, титанат стронция SrTi03 и др.). Резонансная поляризация проявляется в области сверхвысоких частот у газов и твердых диэлектриков с дефектами в кристаллической структуре.

Полярные диэлектрики составляют группу материалов, содержащих постоянные электрические диполи, которые способны к переориентации во внешнем электрическом поле. Неполярные диэлектрики составляют группу материалов, не содержащих диэлектрические диполи, которые способны к переориентации во внешнем электрическом поле. Таким образом, ток, проходящий через диэлектрик, представляет собой сумму токов смещения, абсорбции и сквозного:

Удельное объемное электрическое сопротивление r_v численно равно сопротивлению образца материалов в виде кубика с ребром единичных размеров, когда напряжение прикладывается к двум его противоположным граням. Для плоских образцов где R_v - объемное сопротивление образца постоянному току, Ом; S- площадь электродов, контактирующих с испытуемым образцом, м²; b - толщина образцов, м.

Рассеянную часть поглощенной диэлектриком электрической энергии называют диэлектрическими потерями. В диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле с напряженностью Е и угловой частотой w, возникают ток смещения и ток проводимости (рис. 5.2). Угол d между векторами плотности переменного тока диэлектрика J и тока смещения J_см на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла является одним из важнейших параметров не только диэлектриков, но также конденсаторов, изоляторов и других электроизоляционных материалов.

Тангенс угла диэлектрических потерь определяет активную мощность, которая теряется в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Он выражается отношением плотности тока проводимости Jпр к плотности тока смещения Jсм: d - угол сдвига суммарного тока относительно тока идеального диэлектрика; g - угол сдвига фаз между током и напряжением; Jcм - плотность тока смещения; Jпр - плотность тока проводимости; J- плотность общего тока.

Пробой. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называют пробоем. Если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их, происходит полный пробой. Минимальное напряжение, приводящее к пробою диэлектрика, называют пробивным напряжением U .