Основы материаловедения

Вещество – совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул.

Материал – один из видов вещества, который идёт на изготовление изделия и представляет собой промежуточный продукт переработки вещества в изделие. Этот продукт, как правило, отвечает потребностям конкретного производственного процесса, имеет сложный химический состав и (или) наперёд заданную внутреннюю структуру и внешнюю форму.

Пример.

Вещество – железо, медь, кремний, полиэтилен, глинозём

Материал – сталь (стальной прокат), медная фольга, полиэтиленовая плёнка, корундовая керамика.

В физике используют понятие твёрдое тело, понимая под этим вещество в твёрдом состоянии.

Содержание предмета материаловедение можно отразить общей формулой:

состав – структура – свойства

Состав

Все простые вещества в соответствии с положением в периодической таблице элементов Менделеева делятся на металлы (80 элементов), полуметаллы и неметаллы.

Лишь немногие из металлов применяются в технике в элементарном виде.

Например, для реализации электропроводности (в порядке уменьшения сопротивления): серебро Ag, медьCu, золотоAu, платинаPt, палладийPd.

В основном, металлы используются в виде сплавов. Их количество огромно, свойства разнообразны, вследствие чего, создание новых сплавов является актуальной задачей.

Среди полуметаллов особое значение имеют элементарные полупроводники (13 элементов), такие как кремний Si, германийGe, селенSe, серое оловоSn, углеродC.

Неметаллы (12 элементов) в элементарном виде практически не используются. 9 элементов из них – газы , 1 (Br) – жидкость, 2 (S,I) – летучие плавкие элементы.

Однако, значение неметаллов огромно, так как в соединениях с металлами они образуют всё многообразие простых и сложных неорганических химических соединений с новыми, неприсущими исходным веществам, свойствами, которые и являются материалами РЭС.

Существует 4 типа связи:

Ионная

Ковалентная

Металлическая

Молекулярная (Вандерваальса)

Ионная отличается присвоением одним их элементов химического соединения валентных электронов второго.

Ковалентная характеризуется равномерным распределением валентных электронов между атомарными остовами веществ, составляющих соединение.

Металлическая характеризуется наиболее полным обобществлением валентных электронов. У металлов кристаллические решётки «погружены» в электронный газ.

Молекулярная является наиболее слабой. Она обусловлена кулоновским взаимодействием между положительно заряженным ядром первого атома и отрицательно заряженной электронной оболочкой второго.

В чистом виде химические связи практически не встречаются. Наблюдаются смешанные: ионно-ковалентная, ковалентно-металлическая.

Структура

Понятие структура имеет 4 аспекта:

1. Степень упорядоченности в расположении микрочастиц.

2. Особенности их взаимного расположения.

3. Вид и концентрация кристаллических дефектов (дефектоструктура).

4. Состав и строение фаз.

По степени упорядоченностиразличают тела кристаллические и аморфные.

Кристалл – твёрдое тело, имеющее трёхмерное периодически правильное пространственное расположение микрочастиц, то есть дальний порядок.

Аморфное тело – тело, не располагающее дальним порядком. Однако, считать аморфные тела хаотическими, неструктурированными – не правильно. В них наблюдается ближний порядок в расположении микрочастиц.

Границей, условно разделяющей кристаллические и аморфные тела принято считать метод исследования упорядоченности структуры.

Существует рентгеноструктурный анализ, позволяющий засечь (найти) кристаллиты (упорядоченные области) в структуре материала размером 100 нм. Поэтому, применив этот метод, и не найдя признаков упорядоченности, говорят, что данное тело рентгеноаморфно.

Монокристалл – единичный относительно крупный кристалл с совершенной структурой, заданными свойствами и полученный, как правило, искусственным путём.

Поликристалл – совокупность неориентированных относительно друг друга зёрен кристаллитов. При этом кристаллиты не являются монокристаллами, так как они не единичны, малы, их структура, как правило, искажена.

Свойства монокристалла в основном определяются природой вещества, а свойства поликристалла, помимо этого, зависят от размера кристаллитов, состава и структуры границ зёрен.

Граница зёрен – нарушение периодичности расположения микрочастиц, сопровождающееся появлением оборванных, ненасыщенных связей, которые сильно влияют на механические, химические и физические свойства материалов, в том числе и на электропроводность.

Порядки величин удельного сопротивления:

ρ_{монокристалла}– 1 Ом·м, ρ_{поликристалла}– 10 Ом·м, ρ_{аморфного тела}– 100 Ом·м

Особенности взаимного расположения микрочастиц

Эти особенности изучает предмет кристаллография.

Минимальный повторяющийся объём кристаллический структуры называется элементарной ячейкой. Размер элементарной ячейки (период повторения) называется параметром элементарной ячейки.

Установлено 14 типов элементарных ячеек, которые различаются размерами рёбер, углами между рёбрами и т.д.

Доказано, что другие геометрические тела не могут обеспечить полного заполнения.

Все типы пространственных решёток разбиты на 7 сингоний. Наиболее распространенной в природе является кубическая сингония. Она распадается на 3 различных вида, представленных на рисунке 1.

Рисунок 1 - Виды кубических решёток

а) – простая;

б) - гранецентрированная (ГЦК);

в) - объёмноцентрированная (ОЦК)

Рисунок 2. Гексогональная кристаллическая решётка

Рисунок 3. Тригональная кристаллическая решётка

Примеры:

Ag,Al,Au,Pt,Pb,Cu, некоторые сложные полупроводниковые соединения (GaAs)– ГЦК;

Sn– ОЦК;

элементарные полупроводники (Si,Ge) – алмазоподобная кубическая решётка.

Если кристалл имеет форму естественного правильного многогранника, легко установить, что свойства различных граней неодинаковы, то есть имеет место анизотропия.

В кубической кристаллической решётке простыми (синголярными) гранями являются представленные на рисунке 4.

Рисунок 4

Вполне очевидно, что плотность расположения атомов даже на простых синголярных гранях различна. В порядке убывания плотности: (1;1;1); (1;0;0); (1;1;0).

Дефектоструктура

До сих пор речь шла об идеальной решётке. На практике можно утверждать: идеальных кристаллов не существует ни в природе ни в технике.

Всё многообразие существующих дефектов структур можно разбить на два класса:

IДинамические (временные) дефекты. Оказывают существенное влияние, на них нельзя повлиять. Пример: фононы – кванты тепловой энергии – элементарное колебание атома в решётке. Отсутствие данного дефекта возможно только при 0° К.

IIСтатические (постоянные) дефекты. Их классифицируют по геометрическому признаку:

1. Точечные, 0-мерные. Являются самыми маленькими и распространёнными (вакансии, междоузельные атомы, примесные атомы)

2. Линейные, 1-мерные. К ним относят различные виды дислокаций: винтовые, сдвиговые, несовпадения и другие. Вследствие возникновения внутри кристаллической решётки протяжённого ряда атомов с оборванными связями образуется дислокационная пора, пронизывающая весь кристалл (рисунок 5).

Рисунок 5. Сдвиговая дислокация

3. Плоскостные, 2-мерные. Наиболее большим дефектом кристалла является его поверхность. Также к плоскостным дефектам относятся границы зёрен в поликристаллической структуре вещества (рисунок 6). Возможно возникновение границы двойникования, при переходе через которую наблюдается зеркальное отображение структуры кристаллической решётки (рисунок 7).

Рисунок 6

Рисунок 7

4. Объёмные, 3-мерные. К ним относятся трещины, сколы, макропустоты, макровключения иной фазы.

Практически все статические дефекты сопровождаются оборванными связями, которые стремятся к завершению. Таким образом, дефекты оказывают существенное влияние на движение носителей заряда, так как фактически представляют собой своего рода микро- и наноконденсаторы, накапливающие заряд и разряжающиеся при смене полярности. Это приводит к увеличению времени быстродействия переходных процессов и, соответственно, к ограничению быстродействия.

Состав и строение фаз

Элементы теории сплавов

Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более исходных веществ (компонентов) преимущественно металлических. Помимо сплавления сплавы получают спеканием, электролизом и другими методами.

При кристаллизации сплавов могут образовываться следующие твёрдые фазы: твёрдый раствор, химическое соединение, механическая смесь.

Твёрдые растворы – наиболее распространённая форма существования сплава. Характерная особенность – сохранение типа кристаллической решётки растворителя (доминирующего компонента). Различают два варианта образования твёрдых растворов:

1. Твёрдые растворы замещения

2. Твёрдые растворы внедрения

В твёрдых растворах замещения атомы растворяемого компонента встроены в кристаллическую решётку растворителя. Существуют сплавы с ограниченной и неограниченной растворимостью. В случае ограниченной растворимости количество растворяемого компонента, вводимого в объём растворителя, как правило не велико. При превышении определённого количества происходит выделение растворяемого компонента в виде включения иной фазы. Неограниченная растворимость возможна в том случае, если решётки растворяемого компонента и растворителя изоморфны, что подразумевает схожесть кристаллического строения, близость атомарных радиусов, рассогласование не более 8-13%, близость физико-химических свойств. Причём перечисленные условия являются необходимыми, но не достаточными, так как на практике такое совпадение маловероятно. Наиболее приближенный вариант – в сплаве решётка одного компонента плавно переходит в решётку другого, замещает.

Твёрдые растворы внедрения образуются внедрением атомов в поры кристаллической решётки растворителя. Это возможно, когда внедряемые атомы имеют малые размеры (атомы водорода, углерода, азота, бора). Их атомы проникают в объем, но не встраиваются.

Химические соединения

Характерными особенностями химических соединений являются:

1. Постоянство свойств и состава, которое может быть выражено химической формулой.

2. Образуется новый тип кристаллической решетки, отличной, как правило, от решеток исходных компонентов.

3. Постоянство температуры кристаллизации – как у чистых компонентов.

Все химические соединения делятся на 2 группы:

1. Соединения типичных металлов с типичными неметаллами (оксиды, сульфиды, хлориды и т.д.)

2. Металлические химические соединения отличаются разнообразием типов химических связей с доминирующей металлической. Их отличает наличие металлического блеска, электропроводности и т.д. (сплавы металлов с углеродом – карбиды, с азотом – нитриды, с водородом – гидриды, с бором – бориды и т.д.).

3. Механические смеси. Образуются при сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и электрохимических свойств. Их взаимная растворимость очень мала, из чего следует, что при кристаллизации образуется чисто механическая смесь кристаллитов исходных компонентов. Например, сплавы свинца с сурьмой, цинка и оловом.

Конструкционные материалы приборостроения

Конструкционные стали

Сталь – сплав на основе железа Feс углеродом С – основной материал для изготовления приборов и РЭС.

Достоинства:

1. Высокий модуль упругости, обуславливающий жёсткость

2. Высокая прочность

3. Регулируемая вязкость

4. Хорошие технологические характеристики.

Конструкционные стали подразделяются на углеродистые стали обыкновенного качества, качественные углеродистые стали, низколегированные (содержание примеси не превышает 2%), среднелегированные (примесь составляет 2-5%) и высоколегированные (содержание примеси превышает 5%) конструкционные стали.

Свойства конструкционных сталей сильна изменяются в результате термической и других видов обработки. Вследствие этого оптимальный выбор марки стали и её последующей обработки считается весьма сложной задачей. Низкое качество деталей машин чаще всего является следствием неправильного решения этой задачи.

В углеродистых сталях обыкновенного качества количество вредных примесей повышенное по сравнению с другими видами: содержание серы S– 0,06%, фосфора Р – 0,08%).

Качественные углеродистые стали содержат меньшее количество примесей: S≤0,04%, Р≤0,035%)

Стали обыкновенного качества находят разнообразное применение в малоответственных конструкциях, редко подвергаемых термическому упрочнению. Они наиболее часто применяются при изготовлении РЭС.

Маркировка сталей данного типа имеет структуру: на первом месте ставится буква, обозначающая группу стали (Б, В), затем комбинация букв СТ и номер от 1 до 6. Чем он больше, тем твёрже сталь. Иногда в маркировку вводятся сведения о режимах выплавки: ПС – полуспокойная, СП – спокойная, КП – кипящая.

Качественные конструкционные стали

Маркируются буквами СТ и двузначным номером от 08 до 85, который показывает среднее содержание углерода в стали, измеряемое в сотых долях процента. Например стали марки СТ40 содержит 0,4% углерода.

К качественным сталям относят стали, с повышенным содержанием марганца: от 0,7 до 1%. Такие стали в конце марки имеют букву Г.

Качественные конструкционные стали делятся на низкоуглеродистые (содержание углерода не более 0,3%, высокопластичные, малопрочные,), среднеуглеродистые (содержание углерода 0,3-0,55%, с увеличением концентрации С прочность тоже увеличивается) и углеродистые (содержание углерода 0,3-0,55%, высокопрочные, износостойкие).

В целом, обо всех сталях можно сказать: они не дефицитны, относительно дёшевы, технологичны.

Главные недостатки:

1. Малая коррозийная устойчивость

2. Слабая прокалиевомость

3. Сильная чувствительность к перегреву или неправильной термической обработке.

Легированные конструкционные стали

Их положительные свойства обнаруживаются в термически обработанном состоянии, из чего следует, что из них изготавливают детали, обязательно подвергаемые термообработке.

В термически обработанном состоянии все легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям, чем углеродистые стали (при равном содержании углерода).

Большинство легирующих элементов используется для стабилизации аустенита, то есть увеличивают устойчивость свойств при нагревании, следовательно, прокалиевамость легированных сталей выше, чем углеродистых, что даёт возможность изготовления нагружаемых деталей большего сечения.

Использование более мягких охладителей при закалке (например, масла) приводит к снижению количества закалочных дефектов.

Недостатки:

1. Многие легированные стали подвержены обратимой отпускной хрупкостью

2. В высоколегированных сталях после закалки появляется сопротивление усталости, снижающее твёрдость

3. Неравномерность распределения легирующих примесей приводит к анизотропии свойств формируемых деталей

4. Легированные стали дороже углеродистых, так как содержат дефицитные компоненты: хром Cr, борB, никельNi, марганецMn, титанTi, молибденMo, вольфрамW, ванадийV.

Влияние некоторых примесей на свойства стали: хром повышает твёрдость; бор – прокалиевомость; никель – и прочность и прокалиевомость, снижает температуру хладноломкости; титан уменьшает размер зёрен; молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность; кремний – вязкость и температурный запас вязкости.

Цветные металлы и сплавы

Сплавы на основе титана Ti, алюминияAl, магнияMg

Все они обладают достаточной механической прочностью и значительно легче стали.

В настоящее время эти сплавы широко распространены в технике и РЭ.

Титан Ti

Обладает ценными свойствами:

• небольшая плотность

• высокая удельная прочность

• коррозионная стойкость

Недостатки:

• при повышении температуры активно реагирует с газами

• имеет малые антифрикционные свойства

• плохая обрабатываемость

• высокая стоимость

Титан является достаточно активным элементом, но на воздухе он покрывается оксидной плёнкой TiO, что придаёт ему высокую стойкость в атмосфере, вожже, кислотах (кроме плавиковойHF, серной, азотной).

Примеси – упрочнители: алюминий Al, кремнийSi, железоFe, марганецMn, молибденMo, хромCr, ванадийV.

Практически все сплавы титана содержат алюминий. Фактически он выполняет роль углерода в стали: увеличивает прочность, жаростойкость.

Кроме радиоэлектроники применяется в авиации, ракетостроении, химической промышленности, оборудовании для обработки ядерного топлива, морском и речном судостроении, криогенной технике (выдерживает 20 К).

Алюминий Al

Лёгкий металл, сально активен, но защищён оксидной плёнкой Al₂O₃.

По техническим свойствам алюминиевые сплавы делятся на 2 группы:

1. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой (зерновая структура).

2. Деформируемы сплавы, упрочняемые термической обработкой.

3. Литейные сплавы.

Методами порошковой металлургии изготавливаются так называемые спеченые алюминиевые сплавы (САС) и спеченые алюминиевые порошковые сплавы (САП).

К первой группе относятся сплавы алюминия с марганцем – АМЦ; с магнием – АМГ. Это мягкие, гибкие сплавы, хорошо обрабатываются давлением, обладают повышенной коррозионной устойчивостью, свариваются.

Ко второй группе относятся: дюралумины – сложные многокомпонентные сплавы: Al-Cu-Mg;Al-Mg-Zn-Cu.

Эти сплавы по сравнению с предыдущими обладают меньшей коррозийной стойкостью, для увеличения которой нередко к ним добавляют марганец. Жёсткие, плохо обрабатываются давлением и после изготовления детали подвергаются закалке при 500°С, что способствует их упрочнению. Суть упрочнения сводится к образованию под действием тепла так называемых s-фазы (Al₂CuMg) иt-фазы (Al₂Mg₃Zn₃)/

К третьей группе относятся сплавы алюминия с кремнием – силумины. Они очень жёсткие, практически не обрабатываемые механическим образом, допускают только шлифовку, но при этом хрупкие. Для увеличения прочности добавляют магний Mg, медьCu. Маркируются АЛ2…20.

Неметаллические конструкционные материалы

(Материал по данному разделу рассеян по всему курсу лекций)

Свойства радиоматериалов

Выбор материала для конкретной задачи в первую очередь определяется совокупностью его электрических, механических, магнитных и физико-химических свойств. Количественно эти свойства оценивают с помощью величин, называемых характеристиками материала.

Механические (прочностные) свойства определяются механическими характеристиками:

• - предел прочности на растяжение, Н/м²;

• - предел прочности на сжатие, Н/м²;

• - предел прочности при статическом изгибе, Н/м²;

• - относительное удлинение при растяжении, %;

• а– ударная вязкость, Дж/м².

Электрические свойства определяются электрическими характеристиками:

• ρ– удельное сопротивление, Ом·м;

• ТКρ– температурный коэффициент удельного сопротивления, ед.

;

• γ – удельная проводимость, См/м

;

• ε – диэлектрическая проницаемость, ед.;

• ТКε – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, 1/град;

• tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь, ед.;

• Е_ПР– электрическая проницаемость, В/м.

Тепловые свойства определяются тепловыми характеристиками:

• Т_ПЛ– температура плавления, °С, К;

• температура размягчения;

• ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения, 1/град;

• λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м·град;

• теплостойкость (статическая характеристика);

• нагревостойкость (динамическая характеристика);

• холостойкость (характеристики определяются в пределах каких-либо температур).

Физико-химические свойства определяются физико-химическими характеристиками:

• ω – водопоглощаемасть, г/дм²;

• υ – гигроскопичность, г/дм³;

• тропическая стойкость (устойчивость к комплексному воздействию высоких температур, влажности, биологическому, химическому составу атмосферы);

• радиационная стойкость.

Числовые значения перечисленных выше характеристик представляет собой комплекс свойств данного материала и служат основой для его выбора.

Согласно электрическим и магнитным характеристикам все радиоматериалы можно разделить на 4 группы:

Проводники (ρ < 10^-5Ом·м)

Полупроводники (10^-5< ρ <10⁷Ом·м)

Диэлектрики (ρ > 10⁷Ом·м)

магнитные материалы

Но отнесение материала к той или иной группе на основании численного значения какого-либо параметра (ρ, например) будет неверным, так как при этом не учитывается физическая природа электропроводности материала (вид носителей заряд, реакция материала на внешние воздействия и т.д.).

В зависимости от структуры и внешних условий удельное сопротивление может меняться. Например, слоистая аллотропная модификация углерода (графит) – проводник, природная алмазная модификация – диэлектрик, искусственная – полупроводник. Классические полупроводники кремний и германий при комнатной температуре – полупроводники, при 0 по Кельвину – стопроцентные диэлектрики, а в сумме с механическим давлением – сверхпроводники.

Проводники– материалы (чаще всего металлы), обладающие высокой электропроводностью, которая обусловлена большим количеством свободных электронов и характеризующиеся отрицательной реакцией удельной проводимости на повышение температуры.

Полупроводники– материалы, с электронной проводимостью, обладающие меньшей электронной проводимостью, чем проводники, при этом характерна сильная положительная зависимость электропроводности от воздействия внешних энергонесущих факторов.

Диэлектрики– вещества, обладающие весьма малой электронной проводимостью вследствие большой энергии ионизации атомов. Для них также характерна положительная реакция электропроводности на воздействие внешних энергонесущих факторов, но мало заметная.

Магнитные материалы– вещества, которые под воздействием внешнего магнитного поля способны намагничиваться (то есть приобретать магнитные свойства), при этом магнитными материалами могут быть и проводники, и полупроводники, и диэлектрики.

Общие закономерности токопрохождения в радиоэлектронных материалах

Основы зонной теории твёрдых тел

Сущность зонной теории сводится к тому, что каждый электрон в одиночном возбужденном атоме находится на определённом дискретном энергетическом уровне, так как энергия квантована.

Электроны располагаются вокруг атома в оболочках, которые состоят из электронов с близкими энергиями. Чем дальше от ядра атома оболочка, тем энергия электрона больше. Самая удалённая оболочка атома называется валентной: в ней находятся электроны, имеющие максимально возможную для данного атома энергию (для связанных электронов). Электроны могут изменять свой энергетический статус: приобретать и терять энергию, переходя при этом из одной электронной оболочки в другую. Электроны могут иметь энергию и большую, чем в валентной оболочке, но при этом они становятся свободными от влияния ядра атома и способными к перемещению в объёме вещества.

Рисунок 8.

Постулаты зонной теории

IСвязанные электроны находятся в потенциальной яме атома.

IIЭлектроны имеют дискретный спектр энергий.

IIIНа каждом энергетическом уровне может одновременно находиться не более двух электронов с разными спиновыми моментами.

Картина, представленная на рисунке 8, деформируется при объединении атомов в кристалл.

Рисунок 9

После сближения отдельных атомов на расстояние межатомного взаимодействия образуется потенциальная диаграмма со слитыми и пониженными границами потенциальной энергии между соседними атомами.

Если температура кристалла не рана 0 К, то расстояние между атомами постоянно изменяется, то есть, атомы колеблются. Поэтому в каждый фиксированный момент времени немного отклоняется от изображённой на рисунке 9. При сближении атомов энергия потенциального барьера между ними понижается, а при удалении – повышается. При образовании кластера, состоящего из двух атомов, электронные оболочки этих атомов взаимодействуют между собой, частично перекрываются, при этом фактически возникает ситуация, когда в одной точке пространства находятся уже не 2, а 4 электрона с одинаковой энергией, что противоречит постулату III. Следовательно, при образовании кластера каждый энергетический уровень расщепляется на 2 близко лежащих по оси энергии подуровня. При присоединении третьего – на 3, и так далее. Если мы имеем 1 см³кристаллического вещества, то каждый энергетический уровень будет расщеплён 10²²– 10²³подуровней (по числу атомов), расстояние между ними находится в пределах 10^-16– 10^-25эВ.

[ 1 электрон-вольт – энергия, необходимая для перемещения 1 электрона в электрическом поле с напряжённостью 1 вольт]

Энергия 10^-25эВ пренебрежимо мала, поэтому считается, что в кристалл каждый энергетический уровень расщепляется в квазисплошную разрешённую для пребывания электронов энергетическую зону.

Рисунок 10.

Рисунок 11.

Условия возникновения и понятие об активационном характере токопрохождения

Существует две причины возникновения макротоков в материалах:

1. Градиент потенциала ;

2. Градиент концентрации .

В соответствии с этими причинами электрический ток, возникающий под действием градиента потенциала называется дрейфовым, по действием концентрации – диффузионный.

Условия, необходимые для возникновения макротоков:

1. Наличие свободных носителей заряда: электронов, ионов, активных в зарядовом отношении радикалов.

2. Способность носителей заряда к перемещению, то есть подвижность.

Как для образования свободного носителя заряда, так и для начала его движения требуется какая-то энергия, причём всегда. Принято различать эти энергии: энергия, необходимая для образования одного свободного носителя заряда – энергия активации носителя заряда; энергия, необходимая для перемещения – энергия активации подвижности.

В том случае, если величина этих энергий пренебрежимо мала, говорят, что имеет место безактивационный механизм образования носителей заряда и подвижности (электропроводности)

Материалы	Механизм образования	Механизм подвижности
Металлы	безактивационный	безактивационный
Полупроводники	активационный	безактивационный
Диэлектрики	активационный	активационный
Электролиты	безактивационный	активационный

Чисто безактивациооный механизм электропроводности имеют только металлы. Остальные классы веществ имеют электропроводность активационного типа.

Не вдаваясь в механизм движения носителей заряда, очевидно 6электрический ток равен произведению числа носителей заряда на их подвижность: .

Подвижность носителей заряда.

В соответствии с существующими причинами возникновения электрического тока, различают дрейфовую и диффузионную подвижности.

- дрейфовая подвижность – скорость направленного движения носителя заряда в результате воздействия на него внешнего электрического поля с напряжённостью 1В/см. Размерность.

- диффузионная подвижность – скорость направленного движения носителя заряда под действием единичного градиента концентрации. Размерность.

Рассмотрим, как зависит подвижность от атомарной структуры вещества (материала) и характера токопрохождения. Для описания дрейфовой подвижности применимы две модели: пролётная и прыжковая.

Пролётная модель применима к веществам, для которых существует понятие длины свободного пробега. Графически можно представить

Рисунок 12.

В движении электронов при наличии Е≠0 возникает отклонение от прямолинейности движения – параболическая траектория движения. При этом очевидно, что направленность всему движению придаёт именно это отклонение в сторону действия электрического поля.

Для дальнейшего изучения нам потребуются следующие понятия:

• длина свободного пробега λ;

• средняя скорость теплового движения

• средняя скорость направленного движения

Допущение: энергия направленного движения носителя заряда гораздо меньше тепловой энергии:

.

Следовательно , то есть мы говорим о слабых электрических полях.

Согласно допущению очевидно, что

,

то есть приращение скорости, обусловленное действием электрического поля, незначительно.

Для расчёта подвижности необходимо оценить расстояние, которое носитель заряда проходит за одну секунду.

Среднее время пролёта между соударениями

.

Тогда количество соударений в 1 секунду

.

За время свободного пролёта носитель под действием электрического поля направленно смещается на расстояние N₁:

, где а – коэффициент,.

.

Учитывая элементарных перемещений в одну секунду можно сказать, что

,

,

,.

Поскольку

,

итоговое выражение для подвижности примет вид:

.

Из него следует два вывода:

1. Дрейфовая подвижность не зависит от величины напряжённости электрического поля.

2. Истинная скорость носителя заряда при любых напряжённостях может быть определена по формуле:

.

Данное выражение является проявлением закона Ома для микромира.

Прыжковая модель

Применима для описания движения носителей заряда, при котором теряет смысл понятие длина свободного пробега.

Рисунок 13.

Как и в предыдущей модели, введём ограничение:

, что говорит о том, что модель справедлива лишь для малых электрических потерь.

1. Электрическое поле не способно непосредственно перенести носитель заряда из одного положения в другое.

2. Электрическое поле только нарушает симметрию потенциальных диаграмм. Следовательно, вероятности нахождения заряда в различных положениях различны.

3. Носитель заряда совершает колебательные движения в положении равновесия с частотой и только благодаря тепловой флуктуации способен приобрести энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера, то есть для перехода из одного равновесного состояние в другое.

4. Направленное движение будет обусловлено неодинаковой частотой прыжков вправо и влево, что обусловлено разной высотой энергетических барьеров.

Влево: , вправо:. Из этого следует, что скорости перемещения вправо и влевоибудут различными и очевидно, что скорость направленного движения будет представлять собой сумму этих скоростей:

.

Оценим её величину. Носитель заряда совершает колебаний в одну секунду, то есть принимаетпопыток преодолеть барьер. Обозначими- число удачных попыток преодолеть соответственно правый или левый барьер.

;

.

Тогда разница определит количество элементарных шагов направленного движения носителя в единицу времени:

.

Необходимо разложить полученное выражение в ряд. Используем допущение, которое мы приняли в начале – о малости энергии электрического поля и разложим экспоненты в ряд с ограничением двумя членами разложения:

.

Поскольку величина каждого шага составляет b, то скорость насителя

.

.

Из полученной зависимости можно сделать выводы:

1. Скорость направленного движения (подвижность) не зависит от напряжённости электрического поля.

2. Истинная скорость вычисляется по формуле:

.

Диффузионная подвижность носителей заряда.

Предположим, что в материале искусственно поддерживается градиент концентрации вида:

Рисунок 14.

Возникает поток Z.

,

где D– коэффициент диффузии,. Знак минус в выражении говорит о том, что диффузия идёт в сторону уменьшения концентрации.

Отсечём на графике слой вещества с толщиной 1см и со средней концентрацией носителей заряда Nи введём понятие средней диффузионной скорости носителя:

;

;

;

.

Из полученной зависимости можно сделать вывод:

В отличии от дрейфовой подвижности, диффузионная зависит от причины, вызывающей направленное перемещение носителей заряда, то есть от концентрации. Чем меньше концентрация, тем скорость диффузионного движения больше.

Количество носителей заряда.

Для безактивационного механизма образования носителей заряда, который имеет место в металлах и электролитах. Энергия, необходимая для активации, мала (10^-19эВ). Поэтому в них число носителей заряда определяется в основном количеством атомов в единице объёма.

Что касается активационного механизма образования носителей заряда, то здесь существует другая система подсчёта, которая опирается на квантовую статистику. Предположим, что для образования носителей необходимо затратить энергию . Количество нейтральных атомов и молекул, которые могут быть превращены в ионы составляетN₀в 1см³. Тогда без учёта процесса гибели носителей заряда число атомов, которые могут претерпеть акт ионизацииNбудет определяться:

, где А – коэффициент пропорциональности, зависит от материала (1…3).

;

.

Рисунок 15.

Возьмём на этой прямой 2 точки

;

;;

.

Зависимость изменения концентрации носителей заряда от температуры, построенная в логарифмических координатах, определяет величину энергии ионизации данного материала через угол наклона данной прямой.

[Для полупроводников - ширина запрещённой зоны]

Вывод основного уравнения электропроводности вещества.

Макроскопический подход

Рассмотрим опыт по схеме, изображённой на рисунке 16.

Рисунок 16.

, гдеR– коэффициент пропорциональности сопротивления цепи.

Из опыта известно:

, где- коэффициент пропорциональности, удельное сопротивление.

Введём искусственно ещё одну величину:

- удельная проводимость.

Вывод: R,и- экспериментально измеряемые величины опыта, которые не дают представления о природе токопрохождения и не раскрывают взаимосвязь между величиной тока и структурой вещества.

.

Микроскопический подход

Рассмотрим процесс прохождения тока с молекулярно-атомарной позиции.

Рисунок 17

Предположим, что в 1 см³данного проводника находитсяNносителей заряда. Они перемещаются по проводнику со средней скоростью направленного движения. При этом очевидно, что в течении одной секунды через любое сечение проводника пройдёт количество зарядов, находящееся с объёме между двумя сечениями, отстоящими друг от друга на расстояние, равное.

.

Согласно результатам, полученным в разделе, посвящённом подвижности, -

- основное уравнение электропроводности вещества.

В этом случае, если в материале имеется не один тип носителей заряда, а n–

.

Материалы электронной техники.

Проводящие материалы (проводники)

В настоящее время не существует общепринятой классификации проводниковых материалов. В физике, химии и технике проводящие материалы (как и все другие) классифицируются по различным признаками.

Приведём одну из возможных классификаций по нескольким признакам: состав, функции, проводимость.

Далее эти группы можно разбить на более мелкие, используя другие признаки классификации.

Механизм прохождения тока по поверхности проводника обусловлен движением собственных электронов (для металлов), следовательно, проводники являются материалами с электронной проводимостью (первого рода). Проводниками второго рода называются электролиты, представляющие собой растворы кислот и щелочей.

Электропроводность металлов обусловлена наличием большого числа свободных электронов. Согласно классической теории Друде-Лоренца, электроны в металлах обобществлены в некий единый электронный газ. Данная теория хорошо действует в диапазоне нормальных температур, однако, при температурах, близких к 0 К, она не работает: описывая поведение электронов газовыми законами, теория утверждает, что все электроны должны лишиться своей энергии, а металлы при этом перестанут проводить электрический ток, что не верно. Поэтому в настоящее время электропроводность металлов принято описывать по законам квантовой статистики Ферми-Дирака, которая утверждает:

,

где е – заряд электрона;

n- концентрация электронов;

- длина свободного пробега;

h– постоянная Планка.

С точки зрения зонной теории твёрдого тела металлы представляют собой вещества, у которых валентная зона смыкается с зоной проводимости (может быть перекрывается), то есть запрещенная зона отсутствует, что обуславливает лёгкость возникновения свободных носителей заряда.

В зонной диаграмме металла присутствует уровень Ферми, но для металлов он определяется как верхний заполненный энергетический уровень при абсолютном нуле по кельвину (то есть электроны теряют свою энергию, но они не падают на нулевой энергетический уровень, а занимают низшие энергетические уровни). Электроны как наиболее подвижные элементарные частицы в материале являются главными носителями энергии, причём не только электрической но и тепловой. Следовательно, чем больше электронов и чем выше электропроводность материала, тем выше теплопроводность, что подтверждается законом Лоренца:

,

где - удельная теплопроводность,

- число Лоренца (является постоянной для материала).

Температурная зависимость электропроводности металла.

Рисунок 18

Iзона. Пунктиром обозначена кривая для идеального металла. На практике:

1. Металл приобретает постоянную и весьма малую величину удельного сопротивления

2. Металл переходит в состояние сверхпроводимости при Т_СВ.

IIзона. Нелинейность характеристики выражается уравнением

~,n=1…5

IIIзона – линейный участок, зона эксплуатационных температур.

IVзона располагается вблизи температуры плавления Т_ПЛ. Большая часть металлов резко скачком увеличивает своё удельное сопротивление. Однако некоторые (висмутVi, галлийGa) – уменьшают. Это связано с особенностями кристаллической решётки.

Vзона для большинства металлов характерна увеличением удельного сопротивления.

, где- удельное сопротивление при нормальных условиях (Т=0°С, р=765 мм рт. ст.)

Материалы высокой проводимости

К ним принято относить проводники с удельным сопротивлением в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м. Наибольшее применение в микроэлектронике находят медь Cu, алюминийAl, сереброAg, золотоAu. Рассмотрим их подробнее.

Медь Cu.

Обладает преимуществами:

1. Малое удельное сопротивление (занимает второе место после серебра);

2. Достаточновысокая механическая прочность;

3. Удовлетворительнаястойкость к коррозии;

4. Хорошая обрабатываемость, высокая технологичность;

5. Относительнаялёгкость пайки и сварки, слабая растворимость в припое.

Способ получения меди сводится к последовательной серии плавок из руды типа сульфида меди с интенсивным кислородным дутьём.

Марки меди: МТ – медь твёрдая, негартованная; ММ – медь мягкая, гартованная.

Стандартная меди имеет удельное сопротивление =0,01724 мкОм·м.

В качестве проводников в России используется медь марок М1 (99,9% Сu, не более 0,08% кислорода), М0 (99,95%Cu, не более 0,02% кислорода) и М00 (99,99%Cu).

Удельная проводимость меди весьма чувствительна к примеси:

0,5% Zn,Cd,Ag– уменьшает проводимость на 5%

0,5% Ni,Al,Sn– уменьшает проводимость на 25-40%

0,5% Be,As,Fe,P,Si– уменьшает проводимость более чем на 55%.

Однако многие примеси, оказывая столь негативное воздействие на проводимость, увеличивают механическую прочность.

Недостатком является подверженность атмосферной коррозии.

Применение. Медь – основной проводящий материал электроники. Из неё изготавливают провода, кабели, шины, экраны, детали магнетронов, фольгированный текстолит, гетенакс. Порошок меди используют для проводящих паст и для создания скользящих меднографитовых контактов.

Алюминий Al.

Основное преимущество: не смотря на то, что алюминий имеет существенно большее удельное сопротивление (), он в 3,5 раза легче, следовательнона единицу массы удельная проводимость алюминия в 2 раза выше.

Алюминий чаще встречается в природе и значительно более дёшев.

Недостатки:

1. Низкая (относительно меди) механическая прочность, высокая ломкость;

2. Плохая технологичность пайки и сварки.

Получают из глинозёма Al₂O₃в расплаве криолитаNa₃AlF₆при Т=900°С с использованием большого количества электричества.

Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты, содержащий 0,5% примеси марки АЕ, удельное сопротивление =0,028 мкОм·м;

А97 содержит 0,03% примеси, применяется для изготовления фольги, электродов и корпусов конденсаторов.

А999 содержит 0,001% примеси, используется в микроэлектронике для металлизации микросхем.

Примеси так же сильно сказываются на электропроводности алюминия.

0,5% Ni,Si,Zn,Fe,As– уменьшает проводимость на 2-3%;

0,5% , Cu,Ag,Mg– уменьшает проводимость на 5-10%;

0,5% V,Ti,Mn– уменьшает проводимость очень сильно.

Алюминий химически очень активный металл. Пленка Al₂O₃, препятствующая взаимодействию со средой, имеет как положительное так и отрицательное влияние: затрудняет пайку и сварку, но может выполнять функции природной электрической изоляции. При толщине плёнки 0,03 мм пробивное напряжение составляет 100В, 0,04мм – 250В.

Золото Au и серебро Ag

Обладают массой достоинств:

1. Низкое удельное сопротивление;

2. Высокая химическая стойкость;

3. Очень высокая технологичность: хорошо паяются, свариваются; пластичны.

Недостатки:

1. Высокая стоимость;

2. Оба (особенно золото) обладают низким сопротивлением абразивному воздействию;

3. Высокая пористость в тонких слоях ,что обуславливает невозможность использования в качестве проводников в микроэлектронике;

4. Золото сильно растворяется в припое ПОС.

Несмотря на всё это, золото находит применение и в микроэлектронике, и в электронике как материал неподвижных контактов. Серебро применяется как материал подвижных контактов.

На основе этих металлов изготавливают проводящие пасты, припои: серебряный ПСр Тпл=400°С; SAC(оловоSn, золотоAu, медьCu).

Явление сверхпроводимости.

У многих металлов и сплавов при температуре, близкой к 0К, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления не до 0, но до очень малой величины. Измерить в настоящее время её невозможно, но оценочное значение составляет 10^-25Ом·м.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется температурой сверхпроводимости. Впервые сверхпроводящее состояние было получено у ртути Hgпри Тсв=4,2К. Все сверхпроводники, имеющие Тсв<4,2К называются сверхпроводниками первого рода, а Тсв>4,2К – второго.

Большинство металлов, переходящих в сверхпроводящее состояние, являются сверхпроводниками первого рода, что для практического использования не пригодно.

Хорошие проводники при комнатной температуре - медь, алюминий, золото - никогда не переходят в состояние сверхпроводимости.

Среди сверхпроводников второго рода 13 элементов периодической системы: германий, теллур, селен, кремний под воздействием высокого давления, интерметаллические соединения и сплавы (около 2000 соединений). Среди сплавов наиболее высокой Тсв обладают соединения ниобия (Nb₃Ge– Тсв=24K). Наиболее распространёнными являются сверхпроводники керамического типа – хрупкие неметаллические материалы, которые промышленностью выпускаются в виде некой гибкой основы (ленты, проволоки) из хорошего проводника с покрытием.

Применяются в физике сильных магнитных полей, в синхрофазотронах, ускорителях частиц, МГД-генераторах, криотронной вычислительной технике.

Теория сверхпроводимости (Бардин, Купер, Шиффер, США)

Теория БШК.

Предположим, что по объёму кристаллического тела движется электрон. При высоких температурах электрон совершает хаотичное движение, сопровождающееся частыми столкновениями с ионами кристаллической решётки. При низких температурах число столкновений существенно уменьшается, однако взаимодействие электрона с кристаллической решёткой не механическое, а электромагнитное (кулоновское). Поэтому электрон, перемещаясь в решётке, вызывает фонон. Атомы за счёт притяжения ядра к электрону пусть очень незначительно, но смещаются от положения равновесия.

Рисунок 19.

При низких температурах электроны перестают быть «индивидуалистами»: они объединяются в куперовские пары, двигаясь строго друг за другом. Между ними нет непосредственной связи, но есть косвенная. Первый электрон порождает фонон, возбуждая кристаллическую решётку, а второй, двигаясь вслед за первым, поглощают энергию этого фонона. Таки образом суммарное воздействие движения электронов на кристаллическую решётку равно нулю.

Проводниковые материалы высокого сопротивления

К ним относятся металлы и сплавы, у которых значение удельного сопротивления в нормальных условиях составляет не менее 0,3 мкОм·м.

Основная область применения – создание резисторов.

Функции резисторов: регулирование и распределение электроэнергии между цепями и элементами схем. Кроме того огромное количество резисторов служит для преобразования неэлектрических величин в электрические: термо-, фото-, мензорезисторы.

Требования к резистивным материалам весьма различны. Можно выделить ряд общих требований, которые характерны для большинства резистивных материалов:

1. Высокое удельное сопротивление;

2. Малое по величине ТКρ;

3. Материал должен обладать стабильностью, то есть минимальным дрейфом удельного сопротивления под действием различных факторов, а так же во времени;

4. Материал должен обладать совместимостью с другими конструктивными и электротехническими материалами;

5. Химическая устойчивость;

6. Технологичность.

Углерод С

Используется в дискретных резисторах в виде тонких плёнок на керамическом основании. Получают путём термического разложения тяжёлого углеводорода (гептан С₇Н₁₆). При температуре около 1400К происходит разложение с выделением пиралитического углерода, который близок к графиту: ρ=1 мОм·см, ТКρ=(-2…-4)10^-41/К. Обладает высокой стабильностью, низким ТКρ и низкой стоимостью. Но номинал таких резисторов не превышает 100 кОм.

Стабильность ТКρ повысить путём легирования бором (2-5%). Боруглеродистые резисторы являются прецизионными с отклонением номинала 0,5%.

Ограничение применения: углерод никогда не используют в качестве материала интегральных резисторов, так как он обладает низкой адгезией: даже при очень высоких температурах давление собственных паров в вакууме мало.

Только с появлением углеродистых паст он вернулся в толстоплёночную технологию (чип-резисторы).

Тантал Та

Тугоплавкий переходный металл в чистом виде обладающий низким удельным сопротивлением. Удельное сопротивление тантала резко повышается при его насыщении азотом и может достигать 250 Ом·см. Немаловажно, что ТКρ≤10^-51/К.

При окислении тантала получим отличный диэлектрик Та₂О₅.

В микроэлектронике тантал довольно часто применяется в комплексной танталовой технологии.

Хром Cr

Главное достоинство – высокие адгезионные характеристики. Обладает одним из самых высоких удельным сопротивлением для чистых металлов, химически стоек, широко распространён в природе.

Хром - основной резистивный материал для изготовления низкоомных резисторов в микроэлектронике.

Плёнки хрома получают путём вакуумного испарения из вольфрамовых и молибденовых лодочек.

Ом/□ [Ом делённый на квадрат].

Образует сплошную плёнку толщиной 0,1-0,5 мкм.

ТКρ≤10^-41/К.

Хромсилицидные сплавы и композиции

Повышенным удельным сопротивлением обладают сплавы, которые образуют между компонентами интерметаллические соединения. Среди них особое место занимают силициды – сплавы металлов с кремнием (около 60 металлов) Наиболее высокое сопротивление имеют силициды хрома и железа: CrSi,FeSi₂. Именно они используются в качестве высокоомных резистивных материалов.

В технологии микроэлектроники предпочтительно использовать один резистивный материал на всю микросхему. Однако зачастую это невозможно (если разброс номиналов слишком велик). Нередко используют два, реже более двух, материала: в качестве низкоомного – хром, высокоомного – силицид хрома.

Промышленность выпускает около 15 силицидов. Наибольшее распространение получили три из них:

РС3001 30% Cr, 1%Fe, остальное –Si;

РС3710 37% Cr, 10%Ni, остальное –Si;

Сплав №3 17% Cr, 14%Fe, остальное –Si;

Удельное поверхностное сопротивление этих сплавов

Ом/□;

ТКρ<10^-41/К.

В технологии силицидов большое значение приобретает кислород: кремний относительно легко взаимодействует с кислородом, образует SiO₂– диэлектрическую плёнку на границах зёрен. Это приводит к повышению удельного сопротивления и к существенному изменению ТКρ. Во избежание этого, необходимо быстро изолировать готовые плёнки.

Силицидные сплавы наносят на основание (подложку) методом взрывного испарения: гранула 40-70 мкм силицида падает на нагретый до высокой температуры испаритель и происходит мгновенное испарение.

Если резистивным материалам необходимо работать при повышенной температуре, то нередко используют сплавы на основе меди.

Манганин

86% Cu, 12%Mn, 2%Ni

ρ≤0,48 мкОм∙м

ТКρ в рабочем диапазоне температур (-100…200˚С) составляет 5∙10^-61/К.

Это сплав с желтоватым оттенком хорошо обрабатываемый механически: можно вытянуть в проволоку диаметром до 0,02 мм.

Для стабилизации параметров его подвергают обжигу после изготовления в вакууме.

Является основным материалом для изготовления катушек стрелочных измерительных приборов, прецизионных проволочных резисторов.

Константан

60% Cu, 40%Ni

ρ ≤ 0,52 мкОм∙м

ТКρ в рабочем диапазоне температур (до 500˚С) составляет - 5∙10^-61/К.

Содержание никеля соответствует примерно максимуму ρ и минимуму ТКρ.

Хорошо обрабатывается, так же пластичен как манганин.

ТКρ имеет низкое значение и знак «-» (так как не чистый металл, а сплав).

Применяется для изготовления реостатов, как материал в особо нагруженных резисторах

На поверхности константана при нагреве образуется оксидная плёнка, обладающая электроизоляционными свойствами.

Ещё большую рабочую температуру имеют сплавы никеля и хрома – нихромы.

Марка Х20Н80 содержит 20-23% Cr, 75-78%Ni, 1,5%Mn, небольшой процентFe. Рабочая температура достигает 1100˚С. Область применения – электронагревательные приборы.

Сплавы для термопар

Копель	56% Cu,	44% Ni
Алюмель	95% Ni,	+Al, Si, Mn
Хромель	90% Ni,	10% Cr
Платинородий	90% Pt,	10% Rh

Для различных температур применяются разные пары материалов:

платинородий-платина	до 1600˚С
хромель-алюмель	до 900-1000˚С
железо-константан, железо-копель, хромель-копель	до 600˚С
медь-константан, медь-копель	до 350˚С

Температура плавления не является главным фактором применения сплава.

Главными же являются:

1. Изменение параметров сплава, перераспределение компонентов внутри сплава (миграция).

2. Химическая активность.

3. Коэффициент термоэдс (чем он больше для пары, тем ниже температура испарения).

Преимущества использования термопар при измерении температуры: простота; точность, независящая ни от чего, несмотря на то, что состав сплава сильно влияет на коэффициент термоэдс. Любую термопару градуируют, а затем используют эту кривую.

Недостаток – контактный способ измерения (погрешность зависит от размера термопары).

Полупроводниковые материалы

Полупроводники – материалы с электронной проводимостью, удельное сопротивление которых лежит в пределах между удельными сопротивлениями металлов и диэлектриков. Главным определяющим фактором при отнесении материала к разряду полупроводников является сильная положительная зависимость от внешних энергонесущих факторов (температура, освещённость, давление, радиация), сильная зависимость удельного сопротивления от степени легирования.

С точки зрения зонной теории твёрдого тела, полупроводника имеют неширокую зону запрещённой энергии между валентной зоной и зоной проводимости. Эта запрещённая зона оказывает значительное влияние на свойства полупроводников. Условно можно сказать: запрещённая зона составляет 0,3 – 3 эВ при комнатной температуре (ширина запрещённой зоны слегка изменяется в зависимости от температуры).

Электропроводность полупроводниковых материалов

Собственными полупроводниками называют вещества, в которых при данной температуреможно пренебречь влиянием примеси.

Полупроводник при температуре близкой к 0 К ведёт себя как абсолютный диэлектрик, так как все электроны находятся в валентной Зое, намертво привязанные к атому кристаллической решётки, и, следовательно, не способны к перемещению. Однако при повышении температуры существует статистическая вероятность того, что за счёт тепловых колебаний решётки появятся электроны, приобретшие энергию, достаточную для отрыва от атома, то есть для перехода через запрещённую зону, при этом возникает пара свободных носителей заряда, способных к перемещению.

Дырка не элементарная частица, а некая физико-математическая модель, применяемая для описания отсутствия электрона возле атома. Так же как и электроны, дырки под действием электрического поля могут перемещаться по объёму материала

Рисунок 20.

За счёт явления «лёгкого обменного взаимодействия», обусловленного перекрытием электронных оболочек соседних атомов, электрон может от одного атома перейти к другому на вакантное место без приобретения дополнительной энергии, то есть связанный электрон без перехода в зону проводимости переходит от одного атома к другому.

В данном случае перемещение дырки представляет собой перемещение электронов, только связанных.

Движение свободного электрона подчиняется законам, описываемым с помощью понятия длина свободного пробега (>b). В тоже время, перемещение связанного электрона (дырки) за каждый элементарный шаг осуществляется на межатомное расстояниеb. Следовательно,.

.

Это говорит о том, что параметры движения электрона и дырки различны, и мы вынуждены рассматривать их как разные носители заряда.

Параллельно с процессом генерации в материале идёт процесс рекомбинации.

Рекомбинация – процесс потери электроном энергии и переход его в связанное состояние.

Генерация и рекомбинация происходят параллельно только в том случае, если речь идёт о большом количестве носителей заряда.

В результате протекания этих двух конкурирующих процессов, один из которых приводит к увеличению числа носителей заряда, а другой к уменьшению, в материале возникает равновесная концентрация носителей заряда, характеризующаяся равенством скоростей генерации и рекомбинации.

Равновесная концентрация – концентрация, которая соответствует условиям, в которых находится материал.

В случае изменения условий окружающей среды, в момент изменения концентрации.

Пока существует переходный процесс от одной равновесной концентрации к другой, в материале имеет место неравновесная концентрация.

Рисунок 21.

Собственный полупроводник имеет примерно равное число электронов в зоне проводимости числу дырок, образующихся в валентной зоне.

Поскольку мы вынуждены рассматривать дырки и электроны как самостоятельные и разные носители заряда, то мы фактически считаем, что общее число носителей, образовавшихся под воздействием тепла, будет равно удвоенному числу свободных электронов.

Считая, что электроны в материале подчинены в квантовой физике статистике Ферми – Дирака:

,

где и- эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно;

- концентрация атомов в единице объёма;

А – коэффициент, определяющий число возможных оторванных электронов;

- энергия, необходимая для отрыва электрона (для собственных полупроводников она равна ширине запрещённой зоны).

Эта же формула определяет температурную зависимость концентрации носителей заряда и проводимости:

Рисунок 22.

Примесные полупроводники

Примесными называют полупроводники, электрофизические параметры которых определяются наличием примеси.

Примеси бывают либо примесями внедрения (атомы внедряются в междоузлия и поры кристаллической решётки), либо замещения (атомы занимают места в узлах решётки, образуя связи с атомами основного материала).

И те и другие примеси влияют на величину электропроводности полупроводников. Однако тип проводимости изменяют только примеси замещения. Для полупроводников из примесей замещения выделяются донорные и акцепторные примеси.

Донорнолегированные полупроводники

Донорные примеси – примеси с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, следовательно, они имеют большее число электронов в валентной зоне и при образовании связей с атомами полупроводника один из этих электронов (валентный) окажется незадействованным, следовательно, его легко можно оторвать от полупроводника.

С точки зрения зонной теории, донорная примесь, как и любой дефект кристаллической решетки, создаёт в запрещенной зоне разрешенный для пребывания электронов уровень. При этом примесный уровень располагается вблизи дна зоны проводимости.

Рисунок 23

;

- число электронов в зоне проводимости намного больше числа дырок в валентной зоне.

Суммарный заряд донорнолегированных полупроводников по прежнему равен нулю. Однако, когда мы берём неравенство , мы подразумеваем те носители заряда, которые способны перемещаться по объёму полупроводника. Дырки, формирующиеся на донорном уровне, не участвуют в процессе переноса, поскольку обменное взаимодействие между атомом примеси и соседним атомом полупроводника невозможно. Положительный заряд ионов примеси компенсируется отрицательным зарядом свободных электронов. Если эти электроны убрать из объёма полупроводника, то в возникшей обеднённой зоне мы увидим положительный заряд ионов примеси.

Акцепторнолегированные полупроводники

Акцепторные примеси имеют валентность меньшую, чем собственный полупроводник.

Встраиваясь в кристаллическую решётку и образуя связи, эти примеси захватывают недостающий для образования связи электрон у полупроводника. Таким образом, сами атомы примеси заряжаются отрицательно, то есть превращаются в отрицательно заряженные ионы.

С точки зрения зонной теории акцепторная примесь образует акцепторный уровень вблизи потолка валентной зоны и, следовательно, электронам гораздо легче перейти на этот уровень.

Рисунок 24.

;

Электроны, попавшие на примесный уровень, не принимают участия в электропроводности по той же причине, что и дырки в предыдущем случае, а ионы примеси в обеднённой зоне образуют область отрицательного пространственного заряда.

Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесных полупроводниках

Рисунок 25

Степени легирования подчиняются неравенству:

.

На участке 1–2 концентрация носителей заряда растёт за счёт примеси – участок работы примеси.

2–3 область истощения примеси, когда она отдала все свои электроны.

3–4 участок собственной проводимости полупроводника, концентрация носителей заряда растёт за счёт атомов полупроводника.

В сильно легированных полупроводниках область истощения примеси не присутствует на графике. По достижении определённой температуры прирост концентрации будет происходить интенсивнее за счёт самого полупроводника.

На участке работы примеси угол наклона прямой определяется энергией, необходимой для перехода с примесного уровня в зону проводимости.

На участке 3 – 4 угол наклона будет определяться шириной запрещённой зоны.

Таком образом:

• даже сильно легированные полупроводники при определённой температуре начинают вести себя как собственные;

• все полупроводники, используемые в электронных приборах, за исключением вырожденных, работают на участке эксплуатационных температур .

Классификация полупроводников

А – первый элемент в химическом соединении,

В – второй элемент,

I,II, …,VI– валентность.

Германий Ge

Широко распространённый, но сильно рассеянный элемент.

В настоящее время получают при побочной переработке материалов других производств: при выплавке медно-свинцово-цинковых руд, из отходов коксования углей. Из исходного сырья получают тетрахлорид германия GeCl₄, который подвергают гидролизу по схеме:

GeCl₄+2H₂O → GeO₂+4HCl;

GeO₂+2H₂ →Ge+2H₂O.

Процесс восстановления производится в электрических печах при температуре около 700˚С с использованием графитовых тиглей. Получают порошок германия, плавят его и подвергают кристаллизации. Чистый германий характеризуется металлическим блеском, высокой твёрдостью и хрупкостью.

При комнатной температуре германий химически устойчив. При 650˚С образуется оксид GeO₂, который хорошо растворим в воде.

T_пл = 936˚С;

= 0,47Ом·м;

= 0,665 эВ;

= 0,39 м²/В·с;

= 0,19 м²/В·с

(все характеристики кроме температуры плавления даны для Т = 300К)

Легирование германия производится элементами IIIиVгрупп.

Собственные полупроводниковые свойства при комнатной температуре германий проявляет при содержании примеси в количестве ~ 10^-19на 1 м³, что при современном уровне технологии невозможно. Таким образом, при комнатной температуре германий всегда примесный.

Германий применяется относительно редко, на смотры на то, что приборы, изготовленные из него, обладают рядом очевидных преимуществ. Германиевые транзисторы, диоды (в том числе и выпрямительные), лавинопролётные, туннельные, варикапы, датчики высокочастотны (это связано с малой шириной запрещённой зоны).

Не применяется в основном по 2 причинам:

1. Узкий рабочий диапазон температур: -60…+70˚С;

2. Технологическая причина: маскирующий материал для кремния – его оксид SiO₂, а для германияGeO₂ не может служить маской.

Помимо этого, германий дороже кремния.

Кремний Si

Самый распространённый элемент земной коры (29%).

В 1911 году впервые получен в элементарном виде. Природное месторождение находится в Малайзии.

Получают восстановлением из оксид SiO₂по схеме:

SiO₂+СSi+CО₂.

Для очистки полученный порошок кремния превращают в легколетучее и легковосстановимое вещество – трихлорсиллан SiHCl₃– жидкость, внешне похожая на воду, температура кипения 32˚С. Её испаряют, затем конденсируют, тем самым производя физическую очистку от примесей:

SiHCl₃+Н2Si+3HCl.

Кремний осаждают на нагретом стержне.

Рисунок 26

Свойства чистого кремния

Кремний обладает алмазоподобной кубической решёткой, высокой твёрдостью и хрупкостью, более широкой запрещённой зоной, чем у германия:=1,12 эВ. При температуре 300 К:

= 2 кОм·м;

= 0,14 м²/В·с;

= 0,05 м²/В·с.

В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре относительно инертное вещество. Хорошо растворяется лишь в смесь кислот – азотной и плавиковой HF. На воздухе устойчив при температуре до 900˚С, при повышении интенсивно окисляется с образованиемSiO₂. С рядом металлов при сплавлении образует силициды. С углеродов образует очень прочное соединение – карбид кремнияSiC– перспективный полупроводник.

В нормальных условиях чистый кремний прозрачен для электромагнитного излучения с длиной волны λ > 1,1мкм (тепловой диапазон).

Для наблюдения собственных электропроводящих свойств необходима чистота 10¹⁶/м³.

Легируется элементами IIIиVгрупп.

Применение. Кремний является базовым материалов для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Освоение планарной технологии кремниевых приборов вызвало качественный скачок в полупроводниковом производстве. Кремниевые приборы нашли широкое применение в приёмно-усилительной аппаратуре и вычислительной технике.

Из кремния изготавливают выпрямители, импульсные и СВЧ-диоды, низко-, высокочастотные, мощные, маломощные транзисторы, приборы с зарядовой связью, стабисторы, фоточувствительные приборы.

Рабочие частоты – десятки ГГц;

Выпрямительные диоды рассчитаны на напряжения 1,5 тысячи В, токи 1,5 тысячи А;

Напряжение стабилизации для стабилитронов 3…4 В;

Температурный диапазон работы – до 200°С

Выращивание полупроводниковых монокристаллов

1. Метод Чохральского (Чохральского-Степанова).

2. Метод зонной плавки.

3. Метод эпитаксии (для получения квазимонокристаллических слоёв).

Метод Чохральского

Позволяет выращивать большие (диаметром до 250 мм, длиной до 2м) кристаллы полупроводников путём вытягивания монокристалла из расплава. Полученные монокристаллы обладают достаточно совершенной структурой, но и относительно низким удельным сопротивлением – порядка 2,5 Ом·м. В процессе выращивания монокристалл загрязняется примесью кислорода из тигля.

Рисунок 27

1. установка (рабочая камера) [ процесс протекает либо в вакууме, либо в инертной среде]

2. затравка, погружаемая в расплав монокристаллического полупроводника;

3. растущий монокристалл (бульба);

4. расплав кремния Si;

5. графитовый тигель с кварцевым вкладышем, изолирующий кремний от углерода;

6. ВЧ индуктор для нагревания тигля;

7. тепловой экран.

Главный недостаток метода – загрязнение в процессе получения.

Метод зонной плавки

Используется для получения существенно более чистых монокристаллов, но гораздо меньших размеров: диаметром до 150 мм, длиной до 1 м.

Технически этот способ похож на предыдущий, но исходным материалом служит не расплав кремния, а стержень поликристалла.

Рисунок 28

В очень узкой зоне ВЧ индуктором стержень расплавляется. При этом расплав кремния удерживается в этой зоне силами поверхностного натяжения. Расплавленная зона перемещается по всей длине стержня. Растущий монокристалл и поликристаллический стержень вращаются относительно друг друга со скоростью и, при этом скорости равны и составляют 30 об/мин.

Достоинства:

• Расплавляемый материал не контактирует ни с каким другим, который может служить источником примеси;

• Примеси, которые имеются в объёме материала, попадают в расплав и мигрируют вместе с ним;

• Используется как способ очистки материала;

• Удельное сопротивление получаемых монокристаллов превышает 200 Ом·м.

Эпитаксия

«ориентированный рост»

Это технологический процесс ориентированного наращивания слоя материала на ориентирующем основании.

Существует две разновидности эпитаксии:

1. Автоэпитаксия – растущий слой состоит из того же материала, что и основание;

2. Гетероэпитаксия – материал растущего слоя отличается от материала основания.

Все технологические процессы по принципу их эксплуатации делятся на 2 группы:

1. Со средой-носителем (жидкофазная, газофазная);

2. Без среды-носителя (молекулярно-лучевая).

Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ)

Процесс ориентированного наращивания слоя материала из среды, которая носит название раствор-расплав, представляющий собой двухкомпонентный расплав (один из компонентов – тугоплавкий осаждаемый [Si], второй – легкоплавкий металл-растворитель[V,Ga]).

Суммарная температура плавления раствора существенно ниже температуры плавления тугоплавкого компонента, но всё же значительно выше, чем у металла-растворителя. Поэтому при введении в раствор-расплав центра кристаллизации на нём будет выделяться тугоплавкий компонент. Подложка при этом будет оказывать ориентирующее воздействие для оседающих на неё атомов тугоплавкого компонента.

Рисунок 29.

Основные достоинства:

1. Техническая простота;

2. Процесс массовый;

3. Одинаковые слои → повторяемость;

4. Хорошее качество слоёв при автоэпитаксиальном наращивании;

5. Подложка может быть очищена в процессе осаждения (её можно слегка растворить);

Недостатки:

1. Процесс грязный (происходит легирование металлом-растворителем);

2. Ограниченная (близка к нулю) возможность наращивания гетероэпитаксиальных покрытий;

3. Сильный термический удар по подложке, то есть невозможность наращивания структурированного слоя (из-за роста диффузии – разрушение существующих p-n-переходов).

Газофазная эпитаксия (ГФЭ)

Ориентированное наращивание слоя материала на подложку из среды типа газо-носителя.

Для кремния наиболее часто применяется хлоридный метод эпитаксии, технически реализуемый по методу проточной трубы.

Рисунок 30.

SiCl₄+ 2H₂Si+ 4HCl[температура порядка 1200°С]

В процессе роста возможно управляемое легирование растущего слоя за счёт использования реакции восстановления газов-носителей примеси.

В качестве подложек используют монокристаллические пластины полупроводников, искусственный сапфир (Al₂O₃).

В процессе выращивания возможна очистка подложки, для чего используют газотравители: для Si–HCl(газ); дляAl₂O₃- Н₂.

Данный способ представляет собой более чистую реакцию, чем предыдущая, что позволяет формировать плёнки металлов на диэлектрическом основании (хотя и ограниченно).

Достоинства: реализуется гетероэпитаксиальное наращивание, процесс не требует сложного оборудования, является массовым.

Недостатки: высокие температуры, термическое воздействие на подложку, плохое структурирование слоёв, процесс грязный, возможно загрязнение продуктами реакции плёнки, ограниченная возможность гетероэпитаксиального наращивания.

Молекулярно-лучевая (пучковая) эпитаксия

Относится к классу эпитаксиальных процессов без среды-носителя. При этом наращиваемое вещество также, как и в любом вакуумном процессе, претерпевает испарение, перенос от испарителя на подложку.

Этот процесс в принципе похож на осаждение плёнок различных материалов в вакууме, однако, имеется ряд принципиальных отличий:

1. В качестве подложки используется какое-либо ориентирующее основание, то есть монокристалл.

2. Для обеспечения большого времени жизни атомов осаждаемого или наращиваемого вещества на поверхности подложка, подложка должна быть нагрета значительно сильнее, чем при обычной тонкоплёночной технологии.

3. При переносе от испарителя до подложки атомы испаряемого вещества не должны испытывать соударений ни между собой, ни с молекулами остаточной атмосферы, то есть на подложку этот поток должен попадать в виде чисто атомарного, не содержащего кластеры, газа.

Что бы обеспечить реализацию последнего условия нам необходимо выполнение условий:

1. Испарение вещества очень чистыми методами из эффузионной ячейки.

Рисунок 31

Внутри эффузионной ячейки давление испаряемого вещества существенно выше, чем в потоке, формируемом от испарителя до подложки. Многократное реиспарение от стенок ячейки приводит к разрыву межатомарных связей, в результате чего через отверстие выбрасывается практически чисто атомарный газ.

2. Процесс должен протекать в высоком вакууме.

Подложка нагревается, но не так сильно, как в ЖФЭ и ГФЭ.

Высокая температура подложки подпитку энергии атома, попадающего на подложку, в результате чего атом совершает до 10⁶скачков по поверхности, при этом он находит место с минимумом потенциальной энергии, где и встраивается в растущий слой.

Выполнение условий осуществления молекулярной эпитаксии вместе с очень высокой степенью чистоты процесса позволяет говорить о возможности формирования практически идеальных слоёв материалов не только копирующих структуру подложки (псевдоаморфное наращивание), но и слоёв, отличающихся по структуре от подложки (теория РСУ).

Достоинства:

1. Высокая степень чистоты процесса.

2. Практически неограниченные возможности как авто-, так и гетероэритаксиального наращивания.

3. Превосходное качество формируемых слоёв, возможность моноатомного наращивания.

Рисунок 32

4. Подложка хоть и нагрета, но температура не превышает 600°С (меньший термоудар, позволяющий наращивать структурированные слои).

Недостатки:

1. Сложность технологического оборудования.

2. Процесс не является массовым (1 подложка малой площади).

3. Результаты не повторяемы на 100%.

Искусственная эпитаксия.

Способ формирования ориентированного наращивания квазимонокристаллических слоёв материала на не ориентирующем основании, то есть из процесса убирается монокристаллическая подложка.

Попытка отказа от ориентирующего основания очень важна потому, что редко можно найти пары материалов для гетероэпитаксиального наращивания. При отказе от ориентирующего основания можно наращивать любой материал на любой (например, металл на стекле). Это существенно удешевит процесс и позволит использовать структурно совершенные материалы там, где ранее это было невозможно. Это качественный скачок в развитии субмикронных технологий и микроэлектроники.

Для реализации процесса ориентирующее воздействие подложки пытаются заменить искусственным механическим или потенциальным микрорельефом, который будет оказывать ориентирующее воздействие на растущий слой.

Рисунок 33 (заштрихованная область нагрета)

Полупроводниковые соединения А^IIIВ^V

За исключением нитридов, они имеют кристаллическую структуру с кубической решёткой – цинковой обманкой (сфолярита).

Тип химической связи – донорно-акцепторная.

Температура плавления соединения меньше температуры плавления исходных компонентов (исключение – антимонид индия InSb)/

При нагреве все соединения разлагаются по схеме:

А^IIIВ^VА^III_(ж)+ В₂^V_(г).

Названия химическим соединениям даются по второму элементу: нитриды, фосфиды, арсениды, антимониды.

Внутри этих групп наблюдается уменьшение ширины запрещённой зоны с ростом суммарного атомарного номера и атомных масс компонентов. Одновременно происходит уменьшение температуры плавления, твёрдости, что говорит об усилении металлических свойств.

Подвижность электронов на много больше подвижности дырок, следовательно, проводимость и собственное удельное сопротивление для этих полупроводников в основном определяется движением электронов.

Легирование полупроводников А^IIIВ^Vпроизводится элементамиIIиVIгрупп, выполняющих роль акцепторов и доноров. Легирование протекает легко, так как примеси замещения располагаются в узлах решётки, ранее занимаемых элементамиIIIиVгрупп.

Технология получения монокристаллов отличается от технологии получения элементарных полупроводников наличием операции синтеза. Рост монокристаллов производится в замкнутых объёмах либо под инертным флюсом, препятствующем уходу летучего компонента.

Многообразие свойств. Соединений данной группы обуславливает широкое применение. Особый интерес к этой группе проявился при развитии оптоэлектроники. Инжекционные лазеры и светодиоды на их основе отличаются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световое излучение. Эти устройства очень хорошо совместимы с существующей полупроводниковой техникой.

Соединения А^IIВ^VI

Наибольший интерес представляют сульфиды, селениды и теллуриды цинка, кадмия и ртути С

Халькогениды (элементы IVгруппы - халькогены)

Кристаллизуются эти соединения в алмозоподобную кубическую решетку типа вюрцита.

Химическая связь – смешанная, ковалентно-ионного типа.

С ростом атомной массы внутри группы уменьшается ширина запрещённой зоны, увеличивается доля ионной связи, что приводит к уменьшению подвижности носителей заряда.

Поведение примеси в основном подчиняется тем же закономерностям, что и в соединениях типа А^IIIВ^V, но здесь есть акцепторы и доноры для каждого элемента соединения:

для А^II– донорами являются элементыIIIгруппы (Al,Ga,In);

акцепторами – Iгруппы (Cu,Ag,Au);

для В^VI– донорами являются элементыVIIгруппы;

акцепторами – Vгруппы/

При высокой температуре все соединения разлагаются по схеме:

2А^IIВ^VI2А^II _(г)+ В₂^VI _(г).

Важная особенность – в независимости от способа легирования и получения многие из них проявляют проводимость только одного типа.

Например: сульфиды и селениды цинка, кадмия и ртути всегда n-типа;

теллуриды кадмия и ртути могут иметь проводимость обоих типов.

Отсутствие инверсии проводимости сильно ограничивает область применения.

Наиболее широкое применение находят сульфиды кадмия CdSи цинкаZnS.

ZnS– основа для многих люминофоров. Цвет свечения определяется легирующей примесью.

CdS– основа фоторезисторов, пик чувствительности которых приходится на видимой диапазон длин волн.

Технология выращивания кристаллов полупроводников А^IIВ^VIразработана гораздо менее полно. Синтез этих соединений осуществляется в результате реакции обменного разложения, протекающей в водной среде (ZnSосаждается из водного раствораZnS0₄путём пропускания водорода, вторым продуктом реакции является серная кислота Н₂S0₄). Полученное соединение превращается в монокристалл при очень высоких температурах, то есть выращивание монокристалла чаще всего производится перекристаллизацией предварительно синтезированного вещества через паровую фазу в запаянных кварцевых ампулах. Чисто технически этот процесс сложен, дорог. Но в большинстве случаев монокристалл не нужен, вполне достаточно порошка (поликристалла).

Соединения А^IVВ^VI

Наиболее изучены в данной группе халькогениды свинца: PbS,PbSe,PbTe.

Как самые узкозонныеполупроводники они уже давно применяются в качестве ИК-детекторов.

Все три соединения кристаллизуются в гранецентрированную кубическую решётку.

Химическая связь отличается большой долей ионной связи, не является чисто ионной.

Ширина запрещённой зоны составляет 0,3…0,4эВ.

Они могут иметь электропроводность как n- так и р-типа. Причём возможно и легирование (доноры – элементыVIIгруппы, акцепторы –IIIгруппы).

Электропроводность может определять и изменением стехиометрического состава:

стехиометрическая формула PbSподразумевает содержание 50%Pbи 50%S;

увеличение доли свинца в кристалле приводит к n-типу проводимости,

увеличение доли халькогена в кристалле приводит к р-типу проводимости.

Отличительная особенность – существенное увеличение ширины зоны проводимости с увеличением температуры.

Подвижность носителей заряда очень высока и с понижением температуры может достичь рекордной величины: 100 м²/В·с.

Использование обусловлено двумя факторами:

• Высокая чувствительность к инфра красному излучению;

• Способность к излучению в том же ИК диапазоне, что позволяет создать на их основе эффективные светодиоды и инжекционные лазеры.

Соединения А^IVВ^IV

Полупроводниковые свойства присущи только одному соединению данной группы – карбиду кремния SiC.

В природе встречается крайне редко и в малых количествах.

Химическая связь – практически чисто ковалентная. Доля ионной связи 10…12% обусловлена различием в значениях электроотрицательности атомов углерода и кремния. Эта химическая связь очень сильна, поэтому данное соединение отличается высокой химической и температурной стабильностью, большой твёрдостью (является одним из самых твёрдых материалов).

Технический карбид кремния изготавливают в электрических печах при восстановлении оксида кремния в присутствии углерода:

SiO₂+3CSiC+2CO_(г).

Кристаллы карбида кремния полупроводниковой чистоты получают при температурах выше 2600°С методов возгонки. Полученные кристаллы имеют пластинчатую форму, толщина редко превышает 1см. Концентрация остаточной примеси – 10²²атом/м³.

Гексагональная модификация состоит из множества политипов, отличающихся порядком расположения атомов в кристаллах и, как следствие, имеющих разные электрофизические свойства.

У разных политипов:

• ширина запрещённой зоны составляет 2,39…3,33эВ.

• подвижность электронов =0,033…0,1 м²/В·с;

Подвижность дырок неизменна: =0,06 м²/В·с.

Техническое управление процессом получения определённого политипа – сложная и многофакторная задача (зависит от температуры, скорости процесса, состава среды, примесей). Предпочитают синтезировать, а потом классифицировать.

Карбид кремния устойчив к окислению при температурах менее 1400°С. При комнатной температуре не взаимодействует ни с какими кислотами. При нагревании растворяется в расплавах щелочей и реагирует с ортофосфорной кислотой.

Электропроводность в нормальных условиях примесная. Тип электропроводности и цвет кристаллов зависит от примеси или определяется отклонением от стехиометрического состава:

чистый карбид кремния прозрачен, бесцветен.

примеси N,P,As,Sb,Vi,Feпридают кристаллам зелёный цвет,n-тип проводимости;

примеси элементов II,IIIгрупп (B,Al,Ga,In) – голубой, фиолетовый, р-тип проводимости.

при увеличении доли кремния – электронная проводимость, углерода – дырочная.

Особенность – люминесценция в видимой части спектра. Подбирая политип, можно получить излучение любого цвета: от красного до фиолетового.

[светодиоды на основе арсенида галлия имеют красный цвет и служат около пяти лет, на основе же карбида кремния – вечны.

Светодиоды фиолетового света изготавливаются только из карбида кремния].