Полупроводниковые соединения

Простые полупроводники не всегда отвечают требованиям современного производства полупроводниковых приборов. Для создания материалов с различными свойствами используют сложные неорганические и органические полупроводниковые соединения.

1) Сложные полупроводники типа А^IVB^IV

Единственным двойным соединением элементов IV группы в твердой фазе является соединение кремния с углеродом - карбид кремния SiC. Имеет большую ширину запретной зоны, тверд, способен к люминесценции в видимой части спектора.

Используют для создания полупроводниковых приборов, работающих при температурах до 700⁰С, применяют для серийного выпуска варисторов (нелинейных сопротивлений), светодиодов, выпрямителей и туннельных диодов.

2) Сложные полупроводники типа А^IIIB^V

Химические соединения металлов III группы (бор, индий, галлий, алюминий) с элементами Vгруппы (азот, фосфор, сурьма, мышьяк).

Ширина запретной зоны измеряется в широких пределах, имеют высокую подвижность электронов, поглощают электромагнитное излучение, обладают фотопроводимостью, самопроизвольным и вынужденным излучением.

Используют для создания высокочастотных полупроводниковых приборов, туннельных диодов, датчиков низких температур и т.д.

3) Сложные полупроводники типа А^IIB^VI

Двойные соединения халькогенов (сера, селен, теллур) с металлами II группы (цинк, кадмий, ртуть). Соединения с халькогенами (сульфиды, селениды, теллуриды) называют халькогенидами.

Ширина запретной зоны от 3,7эВ до 0,02эВ, температура плавления от 1830 до 670⁰С, обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, ярко проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства, широкий диапазон электропроводность: от малых значений до высоких.

Используют для изготовления пленок обладающих высокимпьезомодулем, в качестве люминофоров (вещества, преобразующие поглощенную ими энергию в световое излучение) для всех видов люминесценции, как материалы для фоторезисторов.

4) Сложные полупроводники типа А^IVB^VI

Халькогениды свинца: сульфид свинца, селенид свинца, теллурид свинца.

Не растворяются в воде, медленно окисляются на воздухе, при низких температурах проявляется излучательная рекомбинация носителей заряда, обладают фоторезистивными свойствами.

Используют для создания лазеров инфракрасного диапазона, полупроводниковых пленок и термоэлементов.

5 ) Сложные полупроводники типа А^V₂B^VI₃

Сульфид сурьмы Sb₂S₃, селенид висмута Bi₂Sе₃, теллурид висмута Bi₂Те₃.

Обладают высокой проводимостью и фоточувствительностью.

Используют для изготовления фотопроводящих мишеней, передающих телевизионных пленок.

6) оксидные полупроводники – бинарные соединения полярного типа, в которых ясно различаются металлический и неметаллический (металлоидный) компоненты и которые могут рассматриваться как ионные соединения (закись меди, оксид цинка, двуокись титана, оксид железа, оксид никеля).

Преимущество оксидных полупроводников – технология их изготовления сравнительно проста. Смеси оксидов используют для изготовления терморезисторов (термисторов) с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления, фоторезисторов, варисторов, сопротивление которых сильно зависит от приложенного напряжения.

7) стеклообразные полупроводники – неорганические стекла. Стеклообразность – особый вид аморфного вещества, имеющего механические свойства сходные с твердыми кристаллическими веществами. Примесная проводимость отсутствует.

Полупроводниковыми свойствами обладают как кислородосодержащие стекла, так и бескислородные халькогенидные стекла.

Не достаточно изучены и не нашли широкого применения.

8) органические полупроводники

Имеют в структуре твердые органические полупроводниковые ароматические кольца с сопряженными связями. Подвижность носителей заряда ниже чем у германия, эластичные, способные образовывать пленки и волокна, являются высокопрочными материалами. Фотопроводимость растет с увеличением освещенности и температуры.

Делят на пять групп:

- молекулярные кристаллы;

- молекулярные комплексы;

- металлоорганические комплексы;

- полимерные полупроводники;

- пигменты.

Применяют для изготовления терморезисторов с высокой температурной стабильностью пьезоэлемента, резонансных контуров в интегральных схемах радиационных дозиметров, квантовых генераторов, тензодатчиков с высокой чувствительностью, приборы на основе органических полупроводников, отличаются высокой механической и климатической устойчивостью.

Лекция 16, 17. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Обладают способностью при внесении в магнитное поле намагничиваться, часть из них сохраняют намагниченность при прекращении воздействия магнитного поля.

Основные характеристики:

- петля гистерезиса

О поведении ферромагнитных материалов в магнитном поле судят по зависимости В от Н, характеризующей процесс намагничивания и размагничивания материала.

Если по катушке с ферромагнитным сердечником пропустить переменный ток, то этот сердечник будет периодически перемагничиваться.

Электрическое поле:

Магнитное поле:

Допустим, что кольцевой сердечник не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. магнитная индукция В=0,Тл и напряженность Н=0, А/м (начало координат). При увеличении тока в катушке магнитная индукция в сердечнике возрастет до индукции насыщения Вmax в (.) а, кривая 1. При уменьшении тока индукция уменьшается до (.) b, кривая 2. При увеличении тока в противоположном направлении магнитное поле катушки компенсирует магнитное поле созданное доменами в сердечнике. При напряженности Нс результирующая магнитная индукция станет равна нулю (.) с, кривая 3. При дальнейшем увеличении тока в катушке произойдет перемагничивание сердечника, т.е. векторы намагниченности повернуться на 180 градусов и индукция В достигнет вновь своего насыщения, т.е. max (.) d, кривая 4. При дальнейшем уменьшении силы тока до нуля индукция уменьшится до своего остаточного значения (.) е, кривая 5. При увеличении тока в противоположном направлении произойдет намагничивание сердечника до исходного состояния (.) а, кривые 6 и 7. При изменении направления намагничивающего тока, а следовательно, и направления напряженности поля и постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля достигнет значения Нс, называемого коэрцитивной силой, при которой магнитная индукция В=0. Коэрцитивная сила влияет на площадь петли ‒ чем больше площадь петли, тем больше потери мощности на перемагничивание (гистерезис).

- кривая намагничивания – показывает зависимость намагниченности (М, А/м) или магнитной индукции (В, Тл) материала от напряженности внешнего поля (Н, А/м).

В=μ ₀М, μ₀=4π∙10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании и отражает изменение магнитной индукции Вв зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании.

Зависимость В от Н технически чистого железа

Магнитная напряженность материала является разницей между магнитными напряженностями внешнего Нв (напряженность внешнего поля, при замкнутой цепи равна напряженности магнитного поля в материале) и размагничивающего Нр (в разомкнутой магнитной цепи на концах материала появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле) полей.

Участки кривой намагничивания: I - процесс смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов, II – поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля, III – завершение процесса намагничивания (сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика).

- магнитная проницаемость.

Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости μ _а(Гн/м) и относительной магнитной проницаемости μ ₀(μ ₀=1,257 мкГн/м).

μ _а=В/Н;

μ=В/(μ _оН)= μ _а/ μ ₀.

 

Подставляя в формулу В и Н, получают различные виды магнитной проницаемости.

Относительную магнитную проницаемости материала получают по основной кривой намагничивания, ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1А/м).

В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.

- потери энергии при перемагничивании

Необратимые потери электрической энергии, выделившийся в материале в виде тепла.

Потери на перемагничивание магнитного материала:

- потери на гистерезис – создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.

Потери на гистерезис:

Р_г=а∙f,

где а – коэффициент, зависящий от свойств и объема материала; f - частота тока, Гц.

- динамические потери:

Р_вт(превосходят потери на гистерезис при высоких частотах) – вызываются частично вихревыми токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля, которые также рассеивают энергию:

Р_вт=b∙f²,

где b – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.

Р_п – потери на последействие (зависят от состава и термической обработки магнитного материала, появляются на высоких частотах), связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Потери на последствие (магнитную вязкость) необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.

Общие потери:

Р = Р_г+ Р_вт+ Р_п