Классификация этм по величине запрещенной зоны и уд. Сопр.

Классификация ЭТМ по величине запрещенной зоны и уд. сопр.

В кристаллических решетках различных веществ валентная зона и зона проводимости могут примыкать вплотную друг к другу, могут даже перекрываться, а могут значительно отстоять друг от друга. Тогда валентную зону проводимости разделяет запрещенная зона, в которой электроны находиться не могут. В зависимости от величины запрещенной зоны резко изменяются многие параметры веществ и прежде всего электропроводность. Если запрещенная зона равна или близка к нулю, то электроны за счет собственной тепловой энергии могут перейти на свободные уровни и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичные проводники-металлы. Если величина запрещенной зоны превышает несколько электрон-вольт, то для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости придется затратить значительную энергию, способную разрушить структуру вещества. Такие вещества называются диэлектриками. Диэлектрики имеют высокое удельное сопротивление. Промежуточное положение по ширине запрещенной зоны занимают полупроводники. В полупроводниках можно легко перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости за счет внешней энергии (например, повысить температуру). Удельное электрическое сопротивление проводника характеризует его способность препятствовать прохождению электрического тока. Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник. Для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью. Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток. Вещества, удельное сопротивление которых очень сильно зависит от внешних условий (нагревания, освещения), назвали полупроводниками. Удельное сопротивление полупроводников зависит от их температуры. Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры использована в специальных приборах — терморезисторах, которые применяются в качестве датчиков в устройствах, измеряющих температуру электрическими методами. Удельное сопротивление полупроводников зависит от освещения. Это свойство полупроводников использовано в фоторезисторах, которые применяются в фотореле и устройствах автоматики, реагирующих на изменение освещения. Удельное сопротивление диэлектриков зависит от природы диэлектрика, температуры, влажности, приложенного напряжения.

Классификация ЭТМ по ведению в магнитное поле.

По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики). Диамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью μ < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетиками являются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля имеют магнитный момент равный нулю: водород, инертные газы, большинство органических соединений и некоторые металлы (Cu, Zn, Ag, Au, Hg), а также Вi, Gа, Sb. Парамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью μ > 1, которая в слабых полях не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относятся вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля обладают магнитным моментом отличным от нуля: кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий, платина. Ферромагнетики — это вещества, у которых магнитная проницаемость μ очень велика (μ»1), значение которой зависит от напряженности магнитного поля. Ферримагнетики – это ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но либо имеющие разную валентность, либо находящиеся в разных кристаллографических позициях. К ферримагнетикам принадлежит также ряд сплавов и интерметаллических соединений. В большинстве случаев это – вещества, содержащие атомы редкоземельных элементов.

Электрофиз. процессы в мет проводниках. Удельная электропр Металлов. Влияние примеси.

Металлический проводник – это медные провода, ленты, трубки и медные пленки. Различные металлы и, конечно, сплавы из них, относятся к твердым проводниковым материалам. Свойство металлов объясняется хорошей проводимостью электрического тока, а это значит металл обладает большой плотностью свободных электронов. Сплавы по сравнению с чистыми металлами обладают большим удельным сопротивлением. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается. Удельная электропроводность - электрическое сопротивление куска однородного материала длиной 1 метр и поперечным сечением 1 метр.. Табличная величина, одна из основных характеристик металла. Единица измерения – Ом × метр. Влияние примесей и структурных дефектов на удельное сопротивление. Чем больше примесей тем больше сопротивление, чем меньше примесей тем меньше сопротивление. Примеси и структурные дефекты увеличивают удельное сопротивление металлов. При малом содержании примесей удельное сопротивление возрастает пропорционально концентрации примесных атомов. Кроме примесей некоторый вклад в остаточное сопротивление вносят собственные дефекты структуры – вакансии, атомы внедрения, дислокации, границы зерен. Остаточное сопротивление представляет собой характеристику химической чистоты и структурного

совершенства металла.

Электрофиз. процессы в метал проводниках. Влияние деформации на удельное сопротивление.

Из­менение р при упругом растяжении или сжатии можно приближенно оце­нивать формулой р = р_о(1 ± sσ) где р — удельное сопротивление ме­талла при механическом напряжения σ; р_о — удельное сопротивление ме­талла, не подверженного механическо­му воздействию; s — коэффициент, характеризующий данный металл. Знак «плюс» в (1.4) соответствует растяжению, «минус» — сжатию. Изменение р при упругих дефор­мациях объясняется изменением ам­плитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии — уменьшают­ся. Увеличение амплитуды колебаний узлов обусловливает уменьшение подвижности носителей зарядов и, как следствие, возрастание р. Уменьшение амплитуды колебаний, наоборот, приводит к уменьшению р. Пластическая деформация, как правило, повышает р металлов в результате искажения кристалли­ческой решетки.

При рекристалли­зации путем термической обработ­ки (отжига) р может быть вновь снижено до первоначального зна­чения. Иногда наблюдающееся при де­формациях сжатия уменьшение удельного сопротивления объяс­няется вторичными явлениями — уплотнением металла, разрушением оксидных пленок и т. д. При воздействии высоких гид­ростатических давлений характер изменения р у различных металлов может быть весьма различным: при этом могут наблюдаться повышения, понижения и обусловлен­ные полиморфическими переходами (изменениями кристаллической структуры вещества) скачкообразные изменения р. Такие скачки р (висмута, бария, таллия, свинца и др.) при изменении гидростатичес­кого давления используют в качестве реперных точек при измерениях вы­соких давлений.

Акцепторная примесь.

Примесь - это вещество входящее в состав другого. Виды примеси. Примесь в зависимости от ее влияния на тип электропроводности полупроводникового материала различают: акцепторную, донорную, амфотерную, а по месту внедрения ее атомов в кристаллическую решетку полупроводника – на примесь замещения и внедрения. Акцепторная примесь - примесь в полупроводнике, ионизация которой сопровождается захватом электронов из валентной зоны или с донорной примеси. Типичный пример акцепторной примеси - атомы элементов III группы (В, Al, Ga, In) в элементарных полупроводниках IV группы -Ge и Si. В сложных полупроводниках акцепторными примесями могут быть атомы электроотрицательных элементов (О, S, Se, Те, Сl и др.), избыточные но отношению к составу, отвечающему стехиометрической формуле. Введение акцепторной примеси сообщает данному полупроводнику дырочную проводимость, ионизация акцепторной примеси приводит к появлению дырок в валентной зоне, что описывается как переход электрона из валентной зоны на уровень акцепторной примеси, расположенный в запрещенной зоне. Акцепторная примесь характеризуется энергией, необходимой для такого перехода (энергией ионизации акцепторной примеси ). Акцепторная примесь с энергией ионизации порядка тепловой энергии kT (мелкие акцепторные примеси) описываются водородоподобной моделью. Энергия ионизации такой акцепторной примеси в раз меньше энергии ионизации атома водорода 10 эВ ( - диэлектрическая проницаемость полупроводника, m₀ - масса свободного электрона, m* - эффективная масса дырок)

порядка 10-100 МэВ.

39) Донорная примесь (Д.п.) - примесь в полупроводнике, ионизация которой приводит к переходу электрона в зону проводимости или на уровень акцепторной примеси. Типичный пример Д. п.- примеси элементов V группы (Р, As, Sb, Bi) в элементарных полупроводниках IV группы - Ge и Si. В сложных полупроводниках роль Д. п. могут играть атомы электроположительных элементов (Сu, Zn, Cd, Hg и др.), избыточные по отношению к составу. Введение Д. п. сообщает полупроводнику электронную проводимость, поскольку ионизация Д. п. приводит к появлению электронов в зоне проводимости, что описывается как переход электрона в зону проводимости с донорного уровня, расположенного в запрещённой зоне. Д. п. характеризуется энергией, необходимой для такого перехода (энергией ионизации). Д. п. с энергией ионизации порядка тепловой энергии kT (мелкие примеси) описывается водородоподобной моделью. Учёт диэлектрических свойств полупроводника (характеризуемых его диэлектрической проницаемостью e) и отличие эффективной массы т* электронов проводимости от массы свободных электронов m0приводит к тому, что энергия ионизации Д. п. оказывается в e2m0/m* раз меньше энергии ионизации атома водорода (~10 эВ). При m*~0,l m0, e~10Ei ~10-3 Eат ~ 10 мэВ.

40) Примесь замещения. Рассмотрим роль примеси замещения на примере простого полупроводника кремния, являющегося элементом 4 группы таблицы Д. И. Менделеева и имеющего структуру алмаза. Химическая связь между атомами кремния ковалентная и осуществляется 4 валентными электронами. Если атом кремния в каком-либо узле решетки заместить атомом трехвалентного элемента, например бора, имеющего всего 3 валентных электрона, то у него для связи с соседними атомами кремния недостает 1 электрона, который заимствуется у атома кремния. При этом в решетке образуется дырка, которая под действием приложенного напряжения начинает перемещаться по направлению электрического поля, обуславливая электропроводность. Следовательно, для кремния трехвалентный бор является акцепторной примесью замещения. Если же атом кремния заместить атомом пятивалентного элемента, например мышьяка, то 4 его валентных электрона будут связаны с атомами кремния, а один окажется лишним. Этот 5 электрон не участвует в образовании химической связи в кристалле кремния. Он продолжает движение вокруг атома мышьяка, электрическое поле которого в кремнии ослаблено в 12,5 раза. Вследствие ослабления поля радиус орбиты этого электрона увеличивается в 12,5 раза, а энергия связи его с атомами мышьяка уменьшая примерно в 151 раз. Получив такую энергию, электрон отрывается от атома мышьяка и приобретает способность свободно перемещаться по кристаллу. Поэтому мышьяк для кремния является донорной примесью замещения. Роль примеси замещения в полупроводниковых химических соединениях играют не только чужеродные атомы, но также и собственные атомы.

41) Зависимость удельной электропроводности полупроводников от t.

Способность твердых тел пропускать электрический ток характеризуется их электрической проводимостью или электропроводностью. Величина обратная электропроводности называется удельным сопротивлением. Чем больше в твердом теле электронов, тем больше его электронная проводимость. К полупроводникам относятся вещества с полностью заполненной валентной зоной и не заполненной зоной проводимости при температуре абсолютного нуля, причем ширина разделяющей их запрещенной зоны может быть невелика (т.н. узкозонные полупроводники) или же достаточно большая (т.н. широкозонные полупроводники). Различают также собственные и примесные полупроводники. К собственным полупроводникам относят химически чистые полупроводники. Их электропроводность может возникнуть только в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны на нижние уровни зоны проводимости. Освобождение одного из уровней валентной зоны трактуется как возникновение подвижной дырки, в то время как занятие электроном уровня в зоне проводимости – как рождение свободного электрона.

Тепловым возбуждением этот процесс обычно реализуется только в узкозонных полупроводниках, в которых таким образом может одновременно существовать как электронная, так и дырочная электропроводность. В широкозонных полупроводниках носители тока не генерируются тепловым образом, и такие вещества адекватны диэлектрикам. Их электропроводность может быть реализована в основном только с помощью примесей. Проводящие свойства примесных полупроводников определяются вводимым в собственные полупроводники относительно малым количеством примесных атомов, которые могут быть либо донорами, либо акцепторами электронов. В первом случае доноры имеют собственный энергетический уровень электрона вблизи «дна» пустой при нулевой абсолютной температуре зоны проводимости, причем они легко отдают этот электрон в зону проводимости путем их теплового возбуждения, что и ведет к рождению свободного электрона. Во втором случае т.н. акцепторы – атомы, способные привязать к себе избыточный электрон, - отбирают этот в сущности валентный электрон от рядового атома кристаллической решетки, создавая в нем вакансию электрона, т.е. дырку, которая может перемещаться по объему, как положительно заряженная частица. Очевидно, чтобы это состоялось, необходимо наличие у примесного атома не занятого уровня энергии электрона, расположенного не далеко от «потолка» валентной зоны. Таким образом, в примесных широкозонных полупроводниках возможны чистая электронная, чистая дырочная или, наконец, смешанная электропроводность. При повышении температуры подвижность как электронов, так и дырок уменьшается за счет увеличения интенсивности тепловых колеба­ний кристаллической решетки, препятствующих направленному движению носителей. С другой стороны, с ростом температуры концентрации электронов в зоне проводимости и ды­рок в валентной зоне резко возрастают. Любой полупроводник является изолятором при температурах, близких к абсолютному нулю, так как валентная зона целиком заполнена электро­нами, а зона проводимости полностью лишена электронов. Электропроводность возникает только при конечной и достаточно большой абсолютной температуре.

42) Очистка кремния методом зонной плавки.

В технологии формирования полупроводниковых соединений применение метода зонной плавки позволяет совместить в одном технологическом цикле сразу три операции: синтез, глубокую очистку синтезированного соединения и выращивание из него монокристалла. Зонная плавка является одним из

наиболее эффективных методов глубокой очистки полупроводников. Идея метода связана с различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах полупроводника. Монокристалл получают из расплава, однако, перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла, а

только узкая зона, которая при перемещении вдоль кристалла втягивает в себя примеси. Различают вертикальную (ВЗП) и горизонтальную (ГЗП) зонные плавки. Кремний. Кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре; его содержание в ней около 29%. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается, а имеется только в соединениях и в солях кремниевых кислот. Технический кремний, получаемый восстановлением природного диоксида SiO2 (кремнезем) в электрической дуге между графитовыми электродами, широко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, трансформаторная сталь) и как раскислитель при производстве стали. Технический кремний представляет собой мелкокристаллический спек, содержащий около 1% примесей, и как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10-6%. Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции:

1) превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено;

2) очистка соединения физическими и химическими методами;

3) восстановление соединения с выделением чистого кремния;

4) конечная очистка кремния методом бестигельной зонной плавки;

5) выращивание монокристаллов.

Основная очистка кремния от примесей осуществляется химическими методами. Кристаллизационные методы имеют цель – превратить полукристаллический кремний, полученный химическим путем, в монокристаллы с определенными электрофизическими свойствами. Объемные кристаллы кремния выращивают методами выращивания из расплава и бестигельной вертикальной зонной плавки. Первый метод применяется, как правило, для получения крупных монокристаллов с относительно небольшим удельным сопротивлением. Второй метод используется для получения высокоомных монокристаллов кремния с малым содержанием остаточных примесей. Вертикальная бестигельная зонная плавка обеспечивает очистку кристаллов кремния от примесей и возможность выращивания монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода. Методом вертикальной бестигельной плавки в настоящее время получают кристаллы кремния диаметром до 100 мм. Кристаллы кремния получают путем введения при выращивании соответствующих примесей, среди которых наиболее часто используются фосфор и бор. Кристаллический кремний при комнатных температурах обладает невысокой реакционной способностью; он весьма устойчив на воздухе, покрываясь тонкой пленкой диоксида кремния. Кремний нерастворим в воде, не реагирует со многими кислотами. Хорошо растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящей щелочи. В настоящее время кремний является базовым материалом полупроводниковой электроники. Он используется как для создания интегральных микросхем, так и для изготовления дискретных полупроводниковых приборов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, отличающиеся малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, нашли особенно широкое применение в вычислительной технике и радиоэлектронике. Из кремния изготовляются различные типы полупроводниковых диодов.

Магнитострикция.

Намагничивание ферромагнитных материалов всегда сопровождается изменением их линейных размеров. Это явление получило название магнитострикции. Количественно магнитострикцию характеризуют величиной, называемой константой магнитострикции, которая фактически является относительным удлинением образца при намагниченности до состояния технического насыщения. Численное значение величины магнитострикции, невелико, и к тому же она не является постоянной величиной данного материала. С изменением напряженности магнитного поля изменяется и ее знак. Необычайно высокая магнитострикция у редкоземельных элементов и их соединений. Эффект магнитострикции обратим: механическая деформация материала вызывает изменения состояния его намагниченности. Прямой и обратный магнитострикционные эффекты широко применяют в приборостроении (реле, фильтры, преобразователи). Магнитострикционными называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т. е. изменении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий. Магнитострикция наблюдается и в поликристаллических материалах, причем наибольшая – у никеля. Он сохраняет свое значение и в настоящее время, хотя вытесняется другими магнитострикционными материалами. Ценными свойствами никеля являются высокая стойкость к коррозии и малый температурный коэффициент модуля упругости. Среди магнитострикционных материалов есть как чистые металлы, так и сплавы, и ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот. При эксплуатации магнитное состояние сердечника магнитострикционного преобразователя определяется одновременным воздействием переменного и постоянного полей. Сплав платины с железом обладает большой константой магнитострикции, однако он дорогой и поэтому имеет весьма ограниченное применение. Недостатком железокобальтовых и железоалюминиевых сплавов являются низкая пластичность, затрудняющая механическую обработку, и низкая антикоррозионная устойчивость, препятствующая использованию таких преобразователей в водной среде. Широкое применение находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и металлическими сплавами магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению в них малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров. Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники. Применяются в качестве преобразователей электромагнитной энергии в другие виды (например, в механическую.), датчиков давления и т. п.

Классификация ЭТМ по величине запрещенной зоны и уд. сопр.

В кристаллических решетках различных веществ валентная зона и зона проводимости могут примыкать вплотную друг к другу, могут даже перекрываться, а могут значительно отстоять друг от друга. Тогда валентную зону проводимости разделяет запрещенная зона, в которой электроны находиться не могут. В зависимости от величины запрещенной зоны резко изменяются многие параметры веществ и прежде всего электропроводность. Если запрещенная зона равна или близка к нулю, то электроны за счет собственной тепловой энергии могут перейти на свободные уровни и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичные проводники-металлы. Если величина запрещенной зоны превышает несколько электрон-вольт, то для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости придется затратить значительную энергию, способную разрушить структуру вещества. Такие вещества называются диэлектриками. Диэлектрики имеют высокое удельное сопротивление. Промежуточное положение по ширине запрещенной зоны занимают полупроводники. В полупроводниках можно легко перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости за счет внешней энергии (например, повысить температуру). Удельное электрическое сопротивление проводника характеризует его способность препятствовать прохождению электрического тока. Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник. Для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью. Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток. Вещества, удельное сопротивление которых очень сильно зависит от внешних условий (нагревания, освещения), назвали полупроводниками. Удельное сопротивление полупроводников зависит от их температуры. Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры использована в специальных приборах — терморезисторах, которые применяются в качестве датчиков в устройствах, измеряющих температуру электрическими методами. Удельное сопротивление полупроводников зависит от освещения. Это свойство полупроводников использовано в фоторезисторах, которые применяются в фотореле и устройствах автоматики, реагирующих на изменение освещения. Удельное сопротивление диэлектриков зависит от природы диэлектрика, температуры, влажности, приложенного напряжения.