- •1. Полупроводниковые материалы
- •1.1. Характеристика основных свойств
- •1.2 Классификация.
- •3. Подвижность свободных носителей заряда ( n и p)
- •5. Относительная диэлектрическая проницаемость.
- •6. Плотность материала.
- •7. Удельное сопротивление собственных полупроводников.
- •1.3.1. Кремний Si.
- •1.3.2. Германий Ge.
- •1.4. Сложные полупроводники.
- •1.4.1. Соединения группы а2b6.
- •1.4.2. Соединения группы а4в4.
- •1.4.3. Окисные полупроводники.
- •1.4.4. Поликристаллические полупроводники.
- •1.4.5. Аморфные полупроводники.
- •1.5. Параметры полупроводниковых материалов
- •1.6. Классификация полупроводниковых материалов
- •1.7. Полупроводниковый кремний как конструкционный материал
- •1.8. Вопросы и задачи
- •2. Проводниковые материалы
- •2.1. Определение и свойства проводников
- •2.2. Зависимость электрических свойств проводниковых материалов от внешних факторов
- •2.2.1. Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников
- •2.2.2. Зависимость удельного сопротивления проводниковых материалов от давления
- •2.2.3. Сопротивление проводников на высоких частотах
- •2.2.4 Свойства материалов в виде тонких плёнок.
- •2.3 Материалы высокой проводимости.
- •2.4 Металлы высокого сопротивления.
- •2.5 Монометаллические резистивные материалы.
- •2.6 Металлические сплавы
- •2.7. Металло-окисные резистивные материалы.
- •2.8. Интерметаллические сплавы.
- •2.9. Механические композиции.
- •2.10. Материалы для толстоплёночных гис.
- •2.11. Сплавы специального назначения.
- •2.12 Биметаллы.
- •2.13. Вопросы и задачи
- •3. Диэлектрические материалы
- •3.1. Определение, основные свойства
- •3.1. Графики зависимости диэлектрической проницаемости
- •3.2. Параметры диэлектриков
- •3.2.1. Электрические параметры
- •3.2.2. Тепловые параметры
- •3.2.3. Физические параметры
- •3.3. Обзор диэлектрических материалов.
- •3.4. Функции пассивных диэлектриков в рэа.
- •3.5. Классификация пассивных диэлектриков.
- •3.6. Газообразные диэлектрики.
- •3.7. Жидкие диэлектрики.
- •3.8. Твердеющие диэлектрики.
- •3.9.1. Лаки.
- •3.9.2. Эмали.
- •3.9.3. Компаунды.
- •3.10. Полимеры.
- •3.11.1. Природные полимеры.
- •3.11.2. Линейные полимеры.
- •3.11.3. Полимеры, получаемые поликонденсацией.
- •3.12. Композиционные пластмассы и слоистые пластики.
- •3.13. Полимерные клеи и адгезивы.
- •3.14. Стекла.
- •3.14.1 Способы аморфизации материалов.
- •3.14.2. Общая характеристика стекол.
- •3.14.3. Химический состав и свойства оксидных стекол.
- •3.14.4. Техническое назначение стекол.
- •3.14.5. Кварцевое стекло высокой чистоты.
- •1.10. Стеклокристаллические материалы – ситаллы.
- •3.16. Техническая керамика.
- •3.16.1. Общая характеристика.
- •3.16.2. Виды керамики, применяемые в рэа.
- •3.17. Кварцевое стекло
- •3.18. Вопросы и задачи
- •4.2. Прецизионные сплавы
- •4.3. Вопросы
- •5. Магнитные материалы
- •5.1. Классификация веществ по магнитным свойствам
- •5.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов
- •5.3. Виды магнитных материалов
- •5.4. Влияние состава, механической и термической обработки на магнитные свойства ферромагнетиков.
- •5.5. Магнитомягкие материалы.
- •5.5.1. Требования к магнитомягким материалам.
- •5.5.2. Классификация магнитомягких материалов.
- •5.5.3. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.
- •5.5.4. Высококачественные магнитомягкие материалы.
- •5.6. Магнитотвердые материалы.
- •5.6.1. Мтм для постоянных магнитов.
- •5.6.2. Мтм для магнитных лент.
- •5.7. Магнитные материалы специального назначения.
- •5.7.1. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ппг)
- •5.7.2. Магнитострикционные материалы.
- •5.7.3. Магнитные пленки.
- •5.7.4. Свч ферриты.
- •5.8. Вопросы
1.4.4. Поликристаллические полупроводники.
Поликристаллические полупроводники используются в качестве подложек в некоторых типах интегральных схем. Сильно легированные поликристаллические полупроводники используются в качестве затворов в полевых МДП-транзисторах, для создания проводников взамен металлических шин. Поликристаллические полупроводники применяются также в производстве резисторов нелинейных, в солнечных батареях. Поликристаллические материалы более дешёвые, чем монокристаллические.
1.4.5. Аморфные полупроводники.
Аморфные полупроводники отличаются нарушением кристаллической структуры и наличием незаполненных связей. Это приводит к тому, что в запрещенной зоне этих полупроводников имеется большое число энергетических уровней. Подвижность свободных зарядов в этих полупроводниках крайне низкая. Механизм электропроводности – прыжковая. Использование таких материалов – крайне сложная задача. Аморфные полупроводники характеризуются высокой плотностью энергетических уровней в запрещенной зоне, которые образуются за счет того, что нарушен дальний порядок в расположении атомов и имеются незаполненные, болтающиеся связи. Плотность энергетических уровней ~1020см-3.
Аморфный кремний -Si может быть получен напылением в вакууме на стекло или низкотемпературным разложением моносилана. Из такого Si возможно изготовление солнечных батарей с КПД порядка 6-10%. Низкая подвижность свободных зарядов 0,1см2/В·с, а также слабая зависимость свойств от легирования затрудняет другие формы использования аморфного кремния. Однако, введение в Si водорода позволяет значительно улучшить свойства аморфного кремния. Водород хорошо растворяется в аморфном кремнии, замыкая при этом на себя болтающиеся связи. При этом резко уменьшается число разреженных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника (1016÷1017см-3). Гидрированный аморфный кремний (α-Si:H) можно легировать традиционными методами, придавая ему электронную и дырочную проводимость, а значит возможно создание на его основе р-n полупроводника. Гидрированный аморфный кремний получают разложением моносилана в ВЧ плазме тлеющего разряда. Удельное сопротивление 107÷1010Ом·м, З=1,5÷1,8эВ. Новым классом материалов, получаемого на основе гидрированных полупроводников является микрокристаллический кремний мк-Si:H. Получают его при большой мощности тлеющего разряда. Материал состоит из большого числа микро кристалликов, размером 6нм. З=1,8÷1,97эВ.
1.5. Параметры полупроводниковых материалов
1. Ширина запрещенной зоны - параметр, количественно отражающий структуру энергетического спектра электронов в кристалле данного полупроводника (рис.1.1). Чем химически стабильнее данный полупроводник и чем выше его температура плавления, тем шире запрещенная зона. Значение ширины запрещенной зоны прямо определяет многие электрические и оптические свойства и параметры полупроводников (табл. 1.1):
а) температурную зависимость электропроводности и значение максимальной рабочей температуры;
б) край полосы пропускания, определяющий прозрачность полупроводника для света данной длины волны. Край полосы пропускания связан с шириной запрещенной зоны уравнением
-
(1.1)
где измеряется в микрометрах (мкм);
в) длину волны света, испускаемого p-n переходом в результате излучательной рекомбинации.
2. Концентрация собственных носителей заряда (ni). Значение концентрации собственных зарядов определяется выражением
-
(1.2)
где Т = kT/e - температурный потенциал,
Nc и Nv - мало зависящие от температуры множители, в которые входят эффективные массы соответственно электронов и дырок.
Значения ni для ряда полупроводников приведены в табл.1.3.
Таблица 1.3.
Параметры |
Полупроводники |
||||||
Ge |
Si |
GaAs |
GaP |
GaSb |
InP |
InSb |
|
Ширина запрещенной зоны при 298К, эВ |
0,75 |
1,12 |
1,43 |
2,26 |
0,72 |
1,35 |
0,18 |
Концентрация свободных носителей заряда при 298К, см–3 |
2,5·1013 |
3·1010 |
1,29·106 |
2,73 |
6,1·1011 |
6,9·104 |
– |
Подвижность электронов в слаболегированном материале при 298К, см2/(В·с) |
3900 |
1450 |
9500 |
190 |
4200 |
4600 |
78000 |
Подвижность дырок в слаболегированном материале при 298К, см2/(В·с) |
1900 |
500 |
450 |
120 |
1400 |
150 |
750 |
Относительная диэлектрическая проницаемость |
16,0 |
12,5 |
13,8 |
10 |
15,7 |
12,1 |
17,72 |
Концентрация носителей заряда сильно зависит от температуры и радиации. Она определяет концентрацию электронов и дырок в примесном полупроводнике. Это следует из закона действующих масс:
-
(1.3)
3. Подвижность свободных зарядов (n, р). Характеризует скорость дрейфа, приобретаемую свободными носителями в электрическом поле единичной напряженности, например, 1Всм. Она имеет размерность квадратный сантиметр на вольт-секунду (см2/(В·с)). Почти все полупроводники имеют подвижность электронов n больше, чем подвижность дырок р (nр). Подвижность свободных носителей зарядов зависит от температуры окружающей среды и концентрации примесей в полупроводнике. Подвижность является параметром, определяющим быстродействие полупроводниковых приборов. Подвижность связана с коэффициентом диффузии свободных зарядов соотношением Эйнштейна:
, где Т=Т11600 - температурный потенциал, при температуре 300К. Т=0,026эВ.