Пеьзокерамические материалы.

Контрольные вопросы:

1. Какие виды электретов существуют?

2. Перечислите особенности сегнетоэлектриков.

3. Свойства пьезоэлектриков и их применение.

Полупроводниковые материалы.

Полупроводники – это материалы с удельным сопротивлением r=10^-5 – 10⁶.

Полупроводники должны обладать высокой степенью чистоты, т.к. их свойства зависят от очень малого количества примесей (их должно быть не более 10^-8%).

 

К особенностям полупроводников относятся:

1. В чистых полупроводниках практически нет свободных зарядов, т.к. они связаны прочными ковалентными связями.

2. Электрический ток в полупроводниках может возникать и изменяться в широком диапазоне под влиянием внешних воздействий (эл. напряжение,

температура, интенсивность освещения).

 

Перемещение электронов в одном направлении (Iэ) и дырок в другом (Iд) определяют собственную электропроводность в полупроводнике.

I_собств=Iэ + Iд, следовательно Iэ = Iд,

Т.к. собственный ток в полупроводниках очень мал, для получения свободных зарядов в чистый полупроводник вводят легирующие примеси:

 

1. Донорные примеси. Обеспечивают полупроводник свободными электронами для получения электронной проводимости

Валентность донорных примесей должна быть больше валентности основного материала. Так в 4х валентный германий или кремний вводят 5ти валентные мышьяк, сурьму, фосфор. Получаем

Iэ >> Iд.

 

2. Акцепторные примеси. Обеспечивают дырочную проводимость. Валентность примесей должна быть меньше валентности основного материала.

Так в 4х валентный германий или кремний вводят 3х валентные бор, индий, галий, алюминий. Получаем

Iэ << Iд.

 

На величину тока в полупроводниках влияет:

 

1. Температура. При повышении температуры проводимость всех полупроводников увеличивается. Рост происходит тем интенсивнее, чем больше донорных или акцепторных примесей введено в полупроводник.

При температуре близкой к абсолютному 0 (-273 С^о) полупроводники становятся диэлектриками.

 

 

2. Приложенное напряжение. В полупроводниках наблюдается нелинейная зависимость тока от напряжения, т.к. при повышении величины приложенного напряжения сопротивление полупроводника уменьшается. При изменении

полярности приложенного напряжения, ток также меняет свое направление.

 

I(А)

 

.

 

U

 

 

 

Свойства полупроводников.

Свойства полупроводников определяются следующими параметрами:

 

1. Удельное электрическое сопротивление r= .

2. Удельная электропроводность полупроводника

 

g= , где

е – величина заряда электрона,

n - концентрация электронов,

u – подвижность электронов.

3. Подвижность носителей заряда (u) – это скорость перемещения электрона в направленном электрическом поле при разности потенциала в 1 вольт.

Подвижность зависит от температуры, от концентрации примесей и дефектов кристаллической решетки.

4. Ширина запрещенной зоны Е (эВ) – это энергия, которую необходимо сообщить собственному электрону, чтобы он преодолел силу притяжения и стал свободным носителем заряда. Зависит от температуры.

Ширина запрещенной зоны больше у тех материалов, которые имеют более высокую температуру плавления.

5. Концентрация собственных носителей зарядов. Зависит только от температуры.

6. Концентрация примесных носителей зарядов. Зависит от количества примесей и температуры.

7. Время жизни носителей заряда – это время существования электрона с момента его отрыва до момента рекомбинации или потери энергии.

8. ТК удельного сопротивления.

 

В производстве полупроводниковых приборов используют следующие виды полупроводниковых материалов:

Простые полупроводники.

Простыми называют п/п, основной состав которых образован атомами одного и того же элемента. Большинство п/п материалов являются твердыми кристаллическими веществами с решеткой типа алмаза. К простым п/п относятся:

 

1. Германий – элемент IV группы. Плотность – 5,35 г/м³ . Температура плавления = 937^оС. Собственное удельное сопротивление r = 0,68 Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 0,75 эВ. Т.к. ширина запретной зоны невелика, поэтому рабочая температура п/п приборов на основе германия не более +80^оС. Отрицательная рабочая температура не ниже – 60^о.

Все сорта германия обладают высокой твердостью и хрупкостью.

Для использования в производстве п/п элементов легируют донорными и акцепторными примесями.

Применяется для изготовления диодов и транзисторов различного назначения. Также применяют в производстве фотодиодов, фототранзисторов, варикапов и т.д.

Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов выпускают в виде слитков диаметром около 30мм. Маркируется германий следующим образом:

ГЭС-15, где Г- германий; Э – тип проводимости(электронная); С – легированный сурьмой;

Цифра обозначает удельное сопротивление, т.е. r = 15 ом*см.

ГДГ-7,5; германий с дырочной проводимостью, легированный галием, r=7,5 ом*см.

 

2. Кремний – элемент IV группы. Плотность – 2,32 г/см³. Температура плавления = 1414^оС. Собственное удельное сопротивление r = 2,3 * 10³Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 1,12 эВ. Большая, чем у германия, величина запретной зоны позволяет создавать п/п приборы с верхним температурным пределом около 200^оС. Кремний является базовым материалом для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Также из кремния выпускают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, биполярные транзисторы различной мощности.

Монокристаллический кремний маркируется следующим образом:

КЭФ-3/2, где К – кремний; Э- электронная проводимость; Ф – легирован фосфором; r = 3 ом*см; 2 – время жизни заряда в мксек.

 

3. Селен – элемент VI группы. Может существовать как в аморфной, так и в кристаллической модификации. Аморфный селен является диэлектриком его удельное сопротивление r = 10¹² ом*см., кристаллический – полупроводником, удельное сопротивление которого уменьшается за счет введения примесей.

Для получения электронной проводимости вводят элементы VII группы - бром, хлор, йод.

Для получения дырочной проводимости вводят элементы V группы – фосфор, сурьма, мышьяк.

Из селена изготавливают выпрямители, фоторезисторы, фильтры в приборах инфракрасного диапазона.

4.3 Сложные полупроводники.

Их основной состав образован двумя или более элементами. Наиболее широко в производстве РЭА применяются двойные соединения следующих типов:

 

1. А^IVВ ^IV

Единственным соединением такого типа является карбид кремния - SiC. Является очень прочным, твердым материалом с повышенной термостойкостью. Ширина запретной зоны составляет DW=3,2эВ. Большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния п/п элементы рабочая температура которых достигает 700^оС.

 

2. А^IIIВ^V

Это соединение бора, индия, галлия, алюминия (III гр.) с азотом, фосфором, сурьмой, мышьяком (Vгр.). Широко используются следующие материалы:

 

2.1 арсенид галлия GaAs. DW=1,4эВ. Применяется в производстве туннельных, импульсных, ВЧ- диодов, полевых транзисторов, элементов микросхемотехники.

 

2.2 фосфид галлия GaР DW=2,24эВ. Применяется в производстве мощных выходных транзисторов, светодиодов, солнечных батарей.

 

2.3 антимонид индия InSb. Обладает свойством изменять свое сопротивление при воздействии магнитного поля и обладает фоточувствительностью. Используют в датчиках магнитного излучения и в производстве магниторезисторов.

 

3. А^IIВ^VI

Это соединения цинка, кадмия, ртути (II гр) с серой селеном и теллуром (VIгр). Такие соединения называются халькогенидами. Все халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства. Широко применяются халькогениды цинка (сульфид, теллурид, селенид). Самым чувствительным фоторезистом в видимой части спектра сульфид кадмия.

Применяется в качестве люминофора, для изготовления дозиметров различного излучения, счетчиков частиц и т. д.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Перечислите основные характеристики полупроводниковых материалов.

2. Как получить полупроводник с p или n проводимостью?

3. Какие материалы используются в качестве простых полупроводников?

4. Какие материалы используются в качестве сложных полупроводников?

 

5. Магнитные материалы .

Назначение магнитных материалов, используемых в радиоэлектроники, является придание особых свойств элементам радиоэлектронных устройств, для создания устройств обладающим запасом энергии, а также использование их в качестве конструкционных материалов.

Например:

1. Магнитные материалы используются для усиления (увеличения) магнитного поля в катушках индуктивности, что приводит к увеличению индуктивности.

2. В громкоговорителях, для создания движения диффузора, который приводится в движении при взаимодействии переменного поля катушки и постоянного поля магнита и создает колебание воздуха.

3. В электроизмерительных приборах, где поле рамки взаимодействует с постоянным магнитом (полем) и рамка отклоняется на тот или иной угол, фиксирует величину тока, протекающую через обмотку рамки.

4. В магнитных головках магнитофонов, в отклоняющих устройствах и фиксирующих в ЭЛТ, в магнитных усилителях, двигателях, в устройствах памяти, переключающих устройствах и.т.д.

 

Кроме этого магнитные материалы используются для изготовления экранов (электромагнитных) и многих конструкционных элементов, начиная от шасси и кончая корпусами, кожухами, каркасами.

Если в первом случае используются их электрические свойства, то во втором случае используются их механические свойства: хорошая обрабатываемость, твердость, жесткость и.т.д.