Справочник по МЭТу

токи, нужно применять мелкий порошок ферромагнетика с тщательной изоляцией отдельных зерен. Магнитодиэлектрики используют для изготовления прессованных (порошковых) магнитопроводов. Немагнитные промежутки между отдельными зернами в сумме формируют значительный распределенный немагнитный зазор,

уменьшающий магнитную проницаемость магнитопроводов. Наличие у магнитопроводов распределенного зазора позволяет использовать их в условиях сильного одностороннего или двухстороннего намагничивания. Магнитопроводы из магнитодиэлектриков находят применение при создании линейных индуктивных катушек (дросселей) с постоянной индуктивностью, не зависящей или мало зависящей от напряженности магнитного поля, частоты перемагничивания и температуры, работающих не только в области слабых полей (при малой энергоемкости), но и в области средних и сильных полей (при создании дросселей с большими токами в обмотках и малой индуктивностью). Следует отметить, что распределенный немагнитный зазор дает определенные преимущества в сравнении с сосредоточенным немагнитным зазором, а магнитные элементы на основе магнитопроводов из магнитодиэлектриков при прочих равных условиях более технологичны, имеют меньшие массогабаритные показатели и менее интенсивные внешние поля рассеяния.

Магнитопроводы на основе карбонильного железа (средний размер зерен карбонильного железа 1–5 мкм) отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и используется в широком диапазоне частот. Альсифер в зависимости от содержания кремния и алюминия может иметь как отрицательный, так и положительный температурный коэффициент магнитной проницаемости , что позволяет создавать магнито-

проводы, магнитные свойства которых не изменяются (или мало изменяются) с изменением температуры. Магнитодиэлектрики на основе супермаллоя 79НМ имеют наибольшую начальную магнитную проницаемость. Магнитные потери в магнитодиэлектриках на основе супермаллоя 79НМ меньше в сравнении с магнитодиэлектриками на основе альсифера, а стабильность параметров

151

выше. Для магнитодиэлектриков характерна невысокая магнитная проницаемость ( нач 10 250), верхний предел рабочих темпера-

тур составляет 100–120 ºС, удельное электрическое сопротивление 102 104 Ом м. Однако высокая стабильность магнитных

свойств во времени является важным преимуществом магнитодиэлектриков перед другими магнитными материалами.

Аморфные (VITROVAC) и нанокристаллические (VITROPERM) магнитомягкие материалы (сплавы) состоят из металлов

(Т ) – железа, кобальта, никеля, и так называемых металлоидов (М) – бора, углерода, кремния, и описываются обобщенной формулой, отражающей процентное содержание этих веществ:

T70 80 M30 20 [4, 5, 22–25].

Аморфные сплавы отличаются отсутствием периодичности

вориентации атомарных структур. Ориентация отсутствует как

врасплавленном, так и твердом состоянии. Для придания аморфным сплавам необходимых свойств их кристаллизация осуществляется при быстром охлаждении, для чего исходный сплав из железа, кремния и бора, выплавляемый при температуре 1200 ºС с добавлением меди и ниобия, распыляется на быстро вращающийся барабан. При попадании на поверхность барабана расплав охлаждается со

скоростью 106 К/c и остается на нем в виде аморфной ленты тол-

щиной от 15 до 30 мкм. Придание материалам специфических свойств, например петли гистерезиса определенной формы, достигается термической обработкой магнитопроводов, изготовленных из ленты.

Технология производства нанокристаллических магнитомягких материалов включает получение из расплава ленты быстрой закалки с аморфной структурой толщиной до 30 мкм и кристаллизацию аморфной ленты в результате термической обработки. Первооткрыватели (сотрудники компании Hitachi Metals, 1986) нанокристаллических магнитомягких материалов использовали сплав

Fe 73,5 Cu1 Nb13,5B 9 на основе железа. В настоящее время этот сплав с небольшими вариациями остается основным в производстве нанокристаллических магнитомягких материалов. Кремний и бор, как обычно, используют для получения аморфной структуры в ленте

152

быстрой закалки. Медь способствует формированию кластеров, обогащенных медью на начальной стадии отжига, и обеспечивает начало кристаллизации из большого числа центров по всему объему материала. Ниобий формирует более мелкие кластеры меди, сдерживает рост кристаллической фазы до более высокой температуры и препятствует формированию боридов железа. В результате нанокристаллизации формируются зерна Fe 80Si20 , имеющие размер

около 10 нм и окруженные остаточной аморфной фазой. В настоящее время разработаны сплавы с нанозернами из -Fe (наноперм) и -FeCo (хитперм), которые имеют более высокую магнитную индукцию насыщения – 1,7 Тл и 2,0 Тл соответственно. Однако ввиду значительных технологических трудностей эти нанокристаллические сплавы не получили заметного применения в электронной технике.

Нанокристаллические сплавы относятся к группе материалов с высокой магнитной проницаемостью и этот уровень является наивысшим для материалов с коэрцитивной силой 1 А/м. Основой нанокристаллических сплавов служит недорогое железо, в то время как аморфные сплавы и пермаллои (конкурентные ферромагнетики) изготавливаются на основе кобальта и никеля. Нанокристаллические сплавы выделяются наилучшей комбинацией высокой магнитной индукции насыщения и начальной магнитной проницаемости. Благодаря двухфазной структуре и высокой температуре Кюри нанокристаллов магнитная проницаемость нанокристаллического сплава слабо изменяется с изменением температуры и остается стабильно высокой в области ±200 ºС. За счет выбора режима отжига получают магнитопроводы с высокой магнитной проницаемостью, низкой или высокой остаточной магнитной индукцией. При этом петля магнитного гистерезиса является округлой, линейной или прямоугольной (рисунок 7.11).

Нанокристаллические сплавы на основе железа представляют наиболее универсальный магнитомягкий материал, который можно использовать в широкой области изменения частоты и температуры.

153

7.9Из каких потерь складываются потери в ферромагнетике при циклическом перемагничивании?

7.10Какие из магнитных материалов – Mo-пермаллой, MPP, High Flux, Sendast, Super-MSS, Kool Mμ, VITROVAC, VITROPERM – являются сплавами железа с никелем?

155

8 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

8.1 Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводники характеризуются значениями удельной электрической проводимости в пределах от 10–12–10–10 до 104–106 См см–1 (при температуре 300 К), обладают высокой чувствительностью электропроводности к температуре, электрическому полю, свету, потокам быстрых частиц и другим внешним энергетическим воздействиям, а также к содержанию примесей и дефектов в кристаллах [2].

Качественное отличие полупроводников от металлов состоит в том, что и при добавлении примесей, и при возрастании температуры электропроводность полупроводников возрастает, в то время как у металлов уменьшается.

Различие между полупроводниками и диэлектриками является, скорее, количественным, чем качественным. Точнее было бы говорить о полупроводниковом состоянии неметаллических веществ, не выделяя полупроводники в особый класс, а к истинным диэлектрикам относить лишь такие, у которых электропроводность могла бы достигнуть заметных значений только при температурах, при которых они полностью испаряются.

Однако под полупроводниками чаще всего подразумевают совокупность наиболее типичных групп веществ, полупроводниковые свойства которых четко выражены уже при комнатной температуре, а именно.

Элементы IV группы периодической системы Менделеева

германий (Ge) и кремний (Si), которые как полупроводники в настоящее время наиболее полно изучены и широко применяются в полупроводниковой электронике. Атомы этих элементов, обладая 4 валентными электронами, образуют кристаллические решетки типа алмаза с ковалентной неполярной связью. Сам алмаз также обладает свойствами полупроводника, однако при температуре 300 К его электропроводность, не связанная с примесями или внешними воздействиями, весьма мала.

Соединения элементов III группы периодической системы (Al, Ga, In) с элементами V группы (Р, As, Sb) – полупроводники

156

типа AIIIBV: GaAs, InSb, GaP, InP и т.п. Атомы III группы имеют 3

валентных электрона, а V группы – 5, так что среднее число валентных электронов, приходящееся на 1 атом, в этих соединениях равно 4 (как и у Ge и Si). Каждый атом образует 4 валентные связи с ближайшими соседними атомами, в результате чего получается кристаллическая решетка, подобная решетке алмаза, с той лишь разницей, что для атома AIII ближайшими соседними являются атомы BV, а для атома BV – атомы AIII. За счет частичного перераспределения электронов атомы AIII и BV в такой структуре оказываются разноименно заряженными. Поэтому связи в кристаллах AIII BV не полностью ковалентные, а частично ионные. Однако ковалентная связь в них преобладает и определяет структуру, в результате чего эти кристаллы по многим свойствам являются ближайшими аналогами Ge и Si.

Соединения элементов II и VI групп периодической систе-

мы – полупроводники типа AIIBVI: ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и т.п. Эти полупроводники также имеют в среднем 4 валентных электрона на 1 атом, но ионная связь в них более сильно выражена. У некоторых из них ковалентная связь преобладает над ионной, у других она слабее, но и те и другие обладают свойствами полупроводников, хотя и не столь ярко выраженными, как в предыдущих группах.

Элементы VI и V групп и их аналоги. Полупроводниковые свойства элементов VI группы Te и Se были известны раньше, чем Ge и Si, причем Se широко использовался в выпрямителях электрического тока и фотоэлементах. Элементы V группы As, Sb и Bi –

полуметаллы, близкие по свойствам к полупроводникам, а их ближайшие аналоги – соединения типа AIVBVI (PbS, PbTe, SnTe, GeTe

ит.п.), имеющие в среднем по 5 валентных электронов на атом, образуют одну из наиболее важных групп полупроводников, известную в первую очередь применением PbS, PbSe и PbTe в качестве приемников инфракрасного излучения. Вообще, среди соединений элементов VI группы (О, S, Se, Te) с элементами I–V групп очень много полупроводников, большинство из которых мало изучено.

Соединения элементов VI группы с переходными или редко-

земельными металлами – Ti, V, Mn, Fe, Ni, Sm, Eu и т.п. В этих полупроводниках преобладает ионная связь. Большинство из них

157

обладает той или иной формой магнитного упорядочения (ферромагнетики или антиферромагнетики). Сочетание полупроводниковых и магнитных свойств и их взаимное влияние интересно как с теоретической точки зрения, так и для многих практических применений.

Органические полупроводники. Их удельная электрическая проводимость, как правило, мала ( ~ 10–10 См см–1) и сильно возрастает под действием света. Однако некоторые органические полупроводники (кристаллы и полимеры на основе соединений тетрацианхинодиметана TCNQ, комплексы на основе фталоцианина, перилена, виолантрена и др.) имеют при комнатной температуре удельную электропроводность, сравнимую с проводимостью хороших неорганических полупроводников.

Полупроводниковый материал, используемый для изготовления приборов, должен иметь очень высокую степень чистоты. Так, в кремнии содержание случайных примесей не должно превышать 1 10 11 % , в германии – 5 10 9 % , в селене – 8 10 3 % . Высокая

степень чистоты полупроводниковых материалов достигается применением специальных технологий. Наиболее эффективным способом очистки полупроводников от примесей является метод зонной плавки.

Воспроизводимость характеристик полупроводниковых приборов во многом зависит от структурного совершенства исходных кристаллов. Поэтому полупроводниковый материал должен иметь монокристаллическую структуру. Наиболее совершенные монокри-

сталлы получают методом вытягивания из расплава (метод Чохральского).

8.2 Модели структур полупроводников

Изучение электрических свойств полупроводников и полупроводниковых приборов чаще всего проводят на основе применения

модели ковалентной связи и модели энергетических зон (зонной модели).

Модель ковалентной связи настолько проста, что ее применимость ограничена. Ценность заключается в том, что она позволяет

158

описать процессы переноса заряда в полупроводнике на интуитивном уровне. Данная модель дает возможность получить некоторые качественные представления о внутренних физических процессах в кристаллических твердых телах. Эти сведения необходимы на этапе, предшествующем строгому математическому изучению.

Модель энергетических зон позволяет количественно изучить явления переноса носителей заряда в полупроводниковых устройствах. Используется как в графической форме, так и в аналитической.

Изучение процессов движения носителей заряда в полупроводниках целесообразно начинать с модели ковалентной связи, а затем переходить к модели энергетических зон.

Модель ковалентной связи

Применяемые в электронике полупроводники относятся к монокристаллическим веществам. Это означает, что по всему объему такого вещества атомы расположены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя трехмерную периодическую структуру, называе-

мую кристаллической решеткой.

Кристаллическая решетка германия и кремния, получивших наибольшее применение в полупроводниковой электронике, называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза. В ее основе лежит пространственная фигура – тетраэдр, в углах и центре которого расположены атомы (рисунок 8.1,а).

а б

Рисунок 8.1 – Тетраэдрическая структура кристаллической решетки: а – элементарный тетраэдр; б – элементарная ячейка

159

Характерная особенность тетраэдрической системы заключается в одинаковом расстоянии центрального атома от четырех угловых.

Каждый угловой атом в свою очередь служит центральным атомом для других четырех ближайших атомов. Совокупность нескольких тетраэдров образует элементарную ячейку кубической формы (рисунок 8.1,б).

Основную роль в процессе объединения атомов в кристалле играют электроны. Межатомная связь возникает благодаря тому, что атомы в веществе расположены близко друг от друга. При этом различают ионную, металлическую и ковалентную связь. В кристаллах полупроводников реализуется ковалентная связь, при которой внешние, так называемые валентные, электроны становятся общими для соседних атомов.

Трехмерную картину ковалентных связей (см. рисунок 8.1) можно изобразить двумерной моделью (рисунок 8.2), в которой сохраняется главная особенность тетраэдрической структуры кристаллической решетки – одинаковые расстояния между смежными атомами.

Рисунок 8.2 – Двумерная модель тетраэдрической решетки

сковалентными связями атомов

Врассмотренной идеальной кристаллической решетке все электроны связаны со своими атомами, свободные носители заряда отсутствуют, поэтому такая структура не проводит электрический

160