Электротехника, электроника и схемотехника модуль 11 — ответы
Ответы на модуль 11 (ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ) по предмету электротехника, электроника и схемотехника.
1) В варикапах используется следующее свойство p-n-перехода: барьерная емкость.
2) Что не относится к технологическому процессу создания электронно-дырочного перехода? нагревание.
3) Выпрямительные диоды предназначены для: преобразования переменного тока в постоянный ток.
4) Обращенные диоды применяются для выпрямления очень: малых напряжений на сверхвысоких частотах.
5) В светоизлучающих диодах при фотонной рекомбинации электронов и дырок происходит: излучение света.
6) Для какого электронного оборудования полупроводники, как правило, не являются основными компонентами? потенциометр.
7) Коэффициент перекрытия варикапа по емкости равен: отношению максимальной емкости варикапа к его минимальной емкости.
8) Какая характеристика не относится к фотодиоду? диапазон испускаемого излучения.
9) К статическим параметрам силового диода не относится: время восстановления обратного напряжения.
10) Какой элемент не относится к чистым полупроводниковым элементам? вольфрам.
11) Полная емкость p-n-перехода при прямом смещении равна: сумме барьерной и диффузной емкостей.
12) Назовите один из двух типов примесей, используемых в процессе легирования: пятивалентная.
13) Какой из материалов наиболее часто используют для изготовления светодиодов? фосфит или арсенид галлия.
14) Полная емкость p-n-перехода при обратном смещении равна: барьерной емкости.
15) Что является признаком того, что диод находится в запертом состоянии? ток, протекающий через диод, равен нулю.
16) Какой электрод называется катодом? электрод диода, подключенный к области N.
17) К динамическим параметрам силового диода не относится: время восстановления обратного напряжения.
18) Теоретическое значение емкости варикапа не зависит от: контактной разности потенциалов.
19) В стабилитронах используется следующее свойство p-n-перехода: лавинный пробой.
20) В туннельном диоде электроны проходят через p-n-переход очень: быстро из-за малой толщины обедненного слоя перехода.
21) Диоды с барьером Шотки используются для выпрямления: малых напряжений высокой частоты.
22) При работе фотодиода в режиме короткого замыкания наблюдается: прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком.
23) Какой из параметров не относится к основным параметрам стабилитрона? добротность.
24) Какой участок не относится к вольт-амперной характеристике туннельного диода? участок, на котором ток не изменяется.
25) Какой из нижеперечисленных материалов, в основном, применяется для изготовления выпрямительных диодов большой мощности? кремний.
26) Стабилитроны используются для: поддержания напряжения источника питания на заданном уровне.
Полупроводниковые материалы — германий и кремний
Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании.
По химической природе современные полупроводниковые материалы можно разделить на следующие четыре главные группы:
1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов или молекул одного элемента. Такими материалами являются широко используемые в данное время германий, кремний , селен , бор, карбид кремния и др.
2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т. е. материалы из окислов металлов. Главные из них: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана, окись никеля и др. В эту же группу входят материалы, изготовляемые на основе титаната бария, стронция, цинка, и другие неорганические соединения с различными малыми добавками.
3. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева . Примерами таких материалов являются антимониды индия, галлия и алюминия, т. е. соединения сурьмы с индием, галлием и алюминием. Они получили наименование интерметаллических соединений.
4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы, селена и теллура с одной стороны и меди, кадмия и свин ц а с другой. Такие соединения называются соответственно: сульфидами, селенидами и теллуридами.
Все полупроводниковые материалы, как уже говорилось, могут быть распределены по кристаллической структуре на две группы. Одни материалы изготовляются в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллов), из которых вырезают по определенным кристаллическим направлениям пластинки различных размеров для использования их в выпрямителях, усилителях, фотоэлементах.
Такие материалы составляют группу монокристаллических полупроводников . Наиболее распространенными монокристаллическими материалами являются германий и кремний. Р азработаны методы изготовления монокристаллов и из карбида кремния , монокристаллы из интерметаллических соединений.
Другие полупроводниковые материалы представляют собой смесь множества малых кристалликов, беспорядочно спаянных друг с другом. Такие материалы называются поликристаллическими . Представителями поликристаллических полупроводниковых материалов являются селен и карбид кремния, а также материалы, изготовляемые из различных окислов методами керамической технологии.
Рассмотрим широко применяемые полупроводниковые материалы .
Германий — элемент четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Германий имеет ярко-серебристый цвет. Температура плавления германия 937,2° С. В природе он встречается часто, но в весьма малых количествах. Присутствие германия обнаружено в цинковых рудах и в золах разных углей. Основным источником получения германия является зола угле й и отходы металлургических заводов.
Полученный в результате ряда химических операций слиток германия еще не представляет собой вещества, пригодного для изготовления из него полупроводниковых приборов. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена легирующая примесь, обусловливающая необходимый вид электропроводности.
Для очистки слитка от нерастворимых примесей широко применяется метод зонной плавки . Этим методом могут быть удалены лишь те примеси, которые различно растворяются в данном твердом полупроводнике и в его расплаве.
Германий обладает большой твердостью, но чрезвычайно хрупок и раскалывается на мелкие куски при ударах. Однако при помощи алмазной пилы или других устройств его можно распилить на тонкие пластинки. Отечественной промышленностью изготовляется легированный германий с электронной электропроводностью различных марок с удельным сопротивлением от 0,003 до 45 ом х см и германий легированный с дырочной электропроводностью с удельным сопротивлением от 0,4 до 5,5 ом х см и выше. Удельное же сопротивление чистого германия при комнатной температуре ρ = 60 ом х см.
Германий как полупроводниковый материал широко используется не только для диодов и триодов , из него изготовляются мощные выпрямители на большие токи, различные датчики, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, термометры сопротивления для низких температур и др.
Кремний широко распространен в природе. Он, как и германий, является элементом четвертой группы системы элементов Менделеева и имеет такую же кристаллическую (кубическую) структуру. Полированный кремний приобретает металлический блеск стали.
Кремний не встречается в природе в свободном состоянии, хотя и является вторым по распространенности элементом на Земле, составляя основу кварца и других минералов. Кремний может быть выделен в элементарном виде при высокотемпературном восстановлении Si02 углеродом. При этом чистота кремния после кислотной обработки составляет ~99,8%, и для полупроводниковых приборов приборов в таком виде он не применяется.
Кремний высокой чистоты получают из предварительно хорошо очищенных его летучих соединений (галогенидов, силанов) либо при их высокотемпературном восстановлении цинком или водородом, либо при их термическом разложении. Выделяющийся при реакции кремний осаждается на стенках реакционной камеры или на специальном теле нагрева — чаще всего на прутке из высокочистого кремния.
Как и германий, кремний обладает хрупкостью. Его температура плавления значительно выше, чем у германия: 1423° С. Удельное сопротивление чистого кремния при комнатной температуре ρ = 3 х 10 5 ом-см.
Так как температура плавления кремния значительно выше, чем у германия, то тигель из графита заменяют кварцевым, так как графит при высокой температуре может реагировать с кремнием и образовывать карбид кремния. Кроме того, в расплавленный кремний могут попасть из графита загрязняющие примеси.
Промышленностью выпускается полупроводниковый легированный кремний с электронной электропроводностью (различных марок) с удельным сопротивлением от 0,01 до 35 ом х см и с дырочной электропроводностью тоже различных марок с удельным сопротивлением от 0,05 до 35 ом х см.
Кремний, как и германий, широко применяется для изготовления многочисленных полупроводниковых приборов. В кремниевом выпрямителе достигаются более высокие обратные напряжения и рабочая температура (130 — 180°С), чем в германиевых выпрямителях (80°С). Из кремния изготовляют точечные и плоскостные диоды и триоды, фотоэлементы и другие полупроводниковые приборы.
На рис. 3 показаны зависимости величин удельного сопротивления германия и кремния обоих типов от концентрации легирующих примесей в них.
Рис. 3. Влияние концентрации примесей на величину удельного сопротивления германия и кремния при комнатной температуре: 1 — кремний, 2 — германий
Кривые на рисунке показывают, что легирующие примеси оказывают огромное влияние на величину удельного сопротивления: у германия оно изменяется о г величины собственного сопротивления 60 ом х см до 10 -4 ом х см, т. е. в 5 х 10 5 раз, а у кремния с 3 х 10 3 до 10 -4 ом х см, т. е. в 3 х 10 9 раз.
В качестве материала для изготовления нелинейных сопротивлений особенно широкое применение получил поликристаллический материал — карбид кремния .
Рис. 4. Карбид кремния
Из карбида кремния изготовляют вентильные разрядники для линий электропередачи — устройства, защищающие линию электропередачи от перенапряжений. В них диски из нелинейного полупроводника (карбида кремния) пропускают ток на землю под действием волн перенапряжений, возникающих в линии. В результате этого восстанавливается нормальная работа линии. При рабочем же напряжении линии сопротивления этих дисков возрастают и ток утечки с линии на землю прекращается.
Карбид кремния получают искусственно — путем тепловой обработки смеси кварцевого песка с углем при высокой температуре (2000°С).
В зависимости от введенных легирующих примесей образуются два основных вида карбида кремния: зеленый и черный. Они отличаются друг, от друга по типу электропроводности, а именно: зеленый карбид кремния обкидает электропроводностью n -типа, а черный — электропроводностью р-типа.
Для вентильных разрядников из карбида кремния изготовляются диски диаметром от 55 до 150 мм и высотой от 20 до 60 мм. В вентильном разряднике диски из карбида кремния соединяются последовательно друг с другом и с искровыми промежутками. Система, состоящая из дисков и искровых промежутков, сжимается спиральной пружиной. С помощью болта разрядник присоединяется к проводу линии электропередачи, а c другой стороны разрядник соединяется проводом с землей. Все детали разрядника помещены в фарфоровый корпус.
При нормальном напряжении на линии передачи ток с линии вентиль не пропускает. При повышенных же напряжениях (перенапряжениях), создаваемых атмосферным электричеством, или внутренних перенапряжениях искровые промежутки пробиваются и диски вентиля окажутся под высоким напряжением.
Сопротивление их резко упадет, что обеспечит утечку тока с линии на землю. Прошедший большой ток снизит напряжение до нормального и в дисках вентиля сопротивление возрастет. Вентиль окажется запертым, т. е. рабочий ток линии им пропускаться не будет.
Карбид кремния находит еще применение в полупроводниковых выпрямителях, работающих при больших рабочих температурах (до 500°С).
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Какой элемент не относится к чистым полупроводниковым элементам
Δ W – ширина запрещенной зоны элемента.
III группа содержит один полупроводниковый элемент – бор ( 5 В ) , обладающий электронной структурой – 1 s 2 2 s 2 2 p 1 .
Главные природные соединения бора – борная кислота Н 3 ВО 3 и соли борных кислот, из которых наиболее известна бура – Na 2 B 4 O 7 · 10 H 2 O .
По химическим свойствам бор сходен не с элементами III группы, а с элементом IV группы – кремнием. В этом проявляется «диагональное сходство». Бор, как и кремний, образует слабые кислоты, не проявляющие амфотерных свойств, тогда как Аl (ОН) 3 – амфотерное основание.
Соединения бора и кремния с водородом – летучие вещества, самовоспламеняющиеся на воздухе. Как и кремний, бор образует соединения с металлами с большой твердостью и высокими температурами плавления.
Кристаллы бора получают пиролизом диборана В 6 Н 6 на вольфрамовой проволоке или восстановлением ВВr 3 водородом в контакте с горячей танталовой проволокой. Электрические свойства бора зависят от температуры пиролиза.
При обычных условиях бор находится в твердом виде, образуя макромолекулы ( В 12 ) с ковалентными связями. Удельное сопротивление бора ρ = 0,02 Ом·м, ширина запрещенной зоны – 1,08 эВ. Подвижность [1] дырок больше подвижности электронов. Подвижность дырок 0,2÷50 см 2 /(В·с). Подвижность электронов 0,4 ¸ 1,0 см 2 /(В·с).
Тонкие слои бора, полученные пиролизом, применяют для изготовления стабильных резисторов.
Это алмаз, кремний, германий, серое олово ( a — Sn ) и система твердых растворов германия и кремния. Кристаллическая структура полупроводников алмазоподобная .
В элементарной ячейке этих веществ содержатся 8 атомов. Весь кристалл можно рассматривать как огромную молекулу, в которой атомы связаны ковалентной связью.
В нормальном состоянии элементы имеют электронную формулу s 2 р 2 . Атом может образовать две ковалентные связи. В возбужденном состоянии – s 1 р 3 . Все р — орбитали заняты. Поэтому вещества являются типичными полупроводниками, с заполненной в невозбужденном состоянии валентной зоной.
Атомы углерода находятся в состоянии sр 3 – гибридизации и образуют трехмерную тетраэдрическую сетку, в которой они связаны друг с другом ковалентными связями. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм (1нм=10 -9 м). Структура решетки – кубическая. Число атомов в элементарной решетке – 8.
Существуют несколько разновидностей природных алмазов, отличающихся своими физическими свойствами: алмазы типов I, II, II I , в каждом из которых выделяются подтипы. Чаще всего в природе встречаются алмазы типа I. Они правильной формы и изотропны, имеют голубую флюоресценцию, непрозрачны для УФ – лучей.
Среди алмазов типа II очень редко встречаются алмазы типа IIб , которые имеют проводимость р – типа, удельное сопротивление, ρ = 0,50÷12 Ом·м. Алмазы применяют в качестве счетчиков a и b — частиц и γ — излучения.
Наиболее распространенный элемент земной коры (до 28 % земной коры). Существует в аморфном и кристаллическом состоянии. Свободный кремний можно получить прокаливанием диоксида кремния с магнием
Полупроводниковыми свойствами обладает кристаллический кремний высокой степени очистки. В промышленности кремний получают восстановлением SiО2 коксом в электрических печах:
SiO 2 + 2 C = Si + 2 CO .
Полученный кремний содержит 2 — 5 % примесей.
Диоксид кремния или кремнезем ( SiO 2 ) встречается в кристаллическом и аморфном виде. В природе находится в виде минерала кварца, прозрачные, бесцветные кристаллы которого в форме шестигранных призм, называют горным хрусталем. Горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет, называется аметистом, а в буроватый – дымчатым топазом. Разновидности кварца – агат и яшма. Из мелких зерен кварца состоит обычный песок. Чистый кварцевый песок – белого цвета, но чаще он окрашен соединениями железа в желтый или красноватый цвет.
Чистый кремний получают зонной плавкой и термическим разложением иодида кремния SiJ 4 , силана SiН 4 , или SiСl 4 .
Кремний высокочистый имеет тетраэдрическую структуру ( sр 3 – гибридизация) расположения атомов и кубическую форму решетки, как у алмаза. Каждый атом кремния соединен четырьмя валентными связями с расположенными в вершинах тетраэдра другими атомами.
Собственная проводимость кремния определяется термической генерацией собственных носителей заряда – электронов и дырок, при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Концентрация носителей экспоненциально зависит от температуры.
Дырочная проводимость достигается введением акцепторов, т.е. элементов III группы – Аl или В . Электронная проводимость – введением доноров элементов V группы – Аs или Sb .
Четырехвалентный элемент, имеющий структурный тип решетки алмаза. Дефицитнее кремния. Получают из GеО 2 восстановлением водородом:
Порошок сплавляется в кварцевой лодочке. Затем слиток подвергается зонной очистке. После очистки из германия готовят монокристаллы из расплава.
Свойства германия и кремния
Плотность, 10 3 кг/м 3
Температура плавления, °С
Удельное сопротивление, ом ·м
Ширина запрещенной зоны, эВ
Подвижность электронов, см 2 /(В·с)
Подвижность дырок, см 2 /(В·с)
Германий применяется для изготовления диодов и триодов, датчиков Холла для измерения напряженности магнитного поля, фототранзисторов и фоторезисторов.
Олово ( α — Sn )
Серое олово α – Sn обладает полупроводниковыми свойствами, имеет кристаллическую решетку типа алмаза. Белое олово β – Sn превращается в серое α – Sn области температур -10 ÷ -30°С в результате фазового перехода, скорость которого увеличивается с повышением чистоты олова. При фазовом переходе меняется плотность олова с 7,3 г/см 3 до 5,8 г/см 3 . Поэтому при переходе из β – в α — модификацию олово превращается в серый порошок ( оловянная чума).
Ширина запрещенной зоны α – Sn равна 0,082 эВ. Малая энергия активации и высокая подвижность носителей тока (электронов и дырок) являются причинами высокой электропроводности α – Sn – 2,5·10 5 Ом -1 ·м -1 .
Основной природный минерал, из которого получают восстановлением олово, касситерит SnО 2 . Мировое производство – 10 5 тонн/год. Если темпы потребления не снизятся, то через 50 лет основные запасы его будут исчерпаны.
Олово растворяется в кислотах:
Sn + 2 NaOH + 2 H 2 O → Na 2 [ Sn ( OH ) 4 ] + H 2 ↑,
что указывает на его амфотерность. Олово устойчиво на воздухе, поэтому используется для покрытий стальных изделий от коррозии.
Полупроводниковыми свойствами обладают фосфор ( P ) — неметалл, мышьяк ( Аs ), сурьма ( Sb ) — полуметаллы, висмут ( Вi ) – металл.
Электронное состояние этих элементов – n s 2 n p 3 .
As и Sb – токсичны, особенно аран ( А s Н 3 ) и стибан ( Sb Н 3 ).
Существует в модификациях: белый, красный, черный. Белый фосфор с молекулярной структурой самая неустойчивая форма фосфора.
Красный фосфор – полимер белого. Черный фосфор – получается при нагревании белого до 200 ° C под давлением или красного до 350 ° C под давлением, имеет слоистую структуру как у графита.
Ширина запрещенной зоны белого фосфора 2,6 эВ, красного фосфора 1,56 эВ, черного фосфора – 0,33 эВ.
Под давлением у фосфора ширина запрещенной зоны уменьшается. Структура черного фосфора анизотропна и его электрические свойства сильно зависят от направления.
Все модификации обнаруживают фотопроводимость. В качестве компонента фосфор входит в полупроводниковые химические соединения.
Известны три модификации мышьяка: красный, состоящий из тетраэдрических молекул – Аs4 , черный – стеклообразный Аs – полимер, подобный черному фосфору, серый Аs – устойчивая модификация, получаемая при нагреве черного Аs .
Полупроводниковыми свойствами обладает только серый кристаллический Аs . В чистом виде не применяется, только как компонент в соединениях.
Это сера ( S ), селен ( Sе ), теллур ( Те ). Ярко выраженными полупроводниковыми свойствами обладают Sе и Те , имеющие сходство. Их атомы имеют электронную конфигурацию n s 2 n p 4 . Ковалентная химическая связь осуществляется двумя неспаренными р -электронами атомов. Благодаря этим связям образуются либо двухатомные молекулы с двойной связью, либо многоатомные кольцевые молекулы из 8 атомов. Кольцевые молекулы могут полимеризоваться в длинные цепи больших молекул.
Моноклинный Sе , являющийся диэлектриком, состоит из колец двух типов: гофрированных колец Sе 8 и многочленных колец, состоящих из нескольких сотен до тысячи атомов. При нагреве кольца распадаются на цепочки, которые полимеризуются в длинные зигзагообразные винтовые цепи. Поэтому такую модификацию можно рассматривать как высокополимерное вещество.
У Те больше атомная масса и объем, и химические связи слабее, чем у Sе , поэтому Т е начинает кристаллизоваться при комнатной температуре и скорость возрастает с ростом температуры. При 120 °С кристаллизация завершается за 1 час, а при 80 – за 15 дней. Примеси фосфора и мышьяка замедляют ее.
Наибольшее значение как полупроводниковые материалы имеют гексагональные формы селена Sе и теллура Те . Они образуют ряд твердых растворов, с длинными цепями молекул, а сплавы их представляют смесь полимерных молекул.
Аморфная и моноклинная (красная) модификация селена, а также жидкий селен, состоящий из смеси линейных и кольцевых молекул, обладают высоким удельным сопротивлением ρ = 10 11 Ом·м. Селен – полупроводник р -типа . Носители зарядов – дырки, при повышении температуры их концентрация не меняется, но проводимость селена растет, что обусловлено увеличением подвижности дырок. В жидком состоянии электропроводность у селена остается дырочной. При введении примесей электропроводность селена изменяется. Это используют при производстве селеновых выпрямителей путем введения примесей галоидов. Ширина запрещенной зоны у гексагонального селена ∆ W . = 1,7÷1,9 эВ, а у аморфного ∆ W = 4,6 эВ.
Селен используют в полупроводниковой технике, как в элементарном виде, так и в композициях ( РbSе , СdSе , Вi2Sе3 и др.). Применяется селен в фоторезисторах, в элементах фотоэ.д.с ., в селеновых выпрямителях переменного тока.
Теллур полупроводник с дырочной проводимостью, сохраняющий свойства полупроводника в жидком состоянии, а с ростом температуры электропроводность переходит в металлическую.
Используется для изготовления полупроводниковых сплавов со свинцом, висмутом и сурьмой, обладающих большой термо – э.д.с . и являющихся основой для термоэлектрических генераторов.
Полупроводники типа А III B V
Это химические соединения, образующиеся при взаимодействии элементов А III и B V подгрупп периодической системы Менделеева. Эти соединения характеризуются наличием у А III на внешних оболочках по 3 валентных электрона – s 2 р 1 , а у В V – 5 валентных электронов в состоянии s 2 р 3 . На каждый атом приходится – 4 электрона, как в элементах IV группы, а отсюда и одинаковые кристаллические структуры и электронные свойства этих соединений с алмазом, кремнием, германием и другими элементами IV группы. Но отличаются типом связи – наряду с ковалентной есть и ионные, т.к. в узлах решетки располагаются положительные и отрицательные ионы.
Кристаллическая решетка соединений типа А III В V менее симметрична, чем решетка алмаза, германия, кремния. Примерами соединений этого типа могут быть: InSb – антимонид индия, InАs – арсенид индия, InР – фосфид индия, GаSb – антимонид галлия, GаАs – арсенид галлия, GаР – фосфид галлия, АlSb – антимонид алюминия.
Эти соединения имеют большую, чем у германия и кремния подвижность электронов. Электропроводность полупроводниковых соединений зависит от примесей, входящих в междоузлия или в узлы атомной решетки в виде атомов замещения (это элементы II, IV, VI групп).
Арсениды, антимониды и фосфиды индия и галлия получают сплавлением компонентов в вакууме в кварцевых ампулах. Выращивание кристаллов этих соединений – например, GаАs методом Чохральского , такое же как Gе и Si , но с магнитным управлением, с направленной кристаллизацией. Можно использовать зонную плавку.
Карбид кремния SiC ( A IV B IV )
Получается восстановлением из SiО 2 углем при высокой температуре в электрических печах:
SiO 2 + 3 C = SiC + 2 CO .
Примеси удаляют добавлением NаСl , образующиеся хлориды улетучиваются при высокой температуре. Чистый карбид кремния бесцветен. Величина проводимости и тип зависит от примесей. Удельное сопротивление чистого карбида кремния 10 11 Ом·м, с примесями — 0,001 Ом·м.
Химическая структура и тип связи у карбида кремния такой же как у элементов IVВ подгруппы. Имеется ряд модификаций карбида кремния. Ширина запрещенной зоны карбида кремния – 2,86 эВ.
Примесь элементов V группы ( P , As , Sb , Bi ) и железа в карбиде кремния дает зеленую окраску и проводимость n – типа (электронную).
Примесь элементов II группы ( Са , Мg ) и III группы ( В , Аl , Gа , I n ) дает голубую окраску и проводимость р – типа. Избыток кремния в карбиде кремния дает проводимость n – типа, а избыток С – р –проводимость.
Карбид кремния применяют для нелинейных резисторов, термокомпенсаторов , силовых выпрямителей с р — n — переходом, работающих при высоких температурах (до 650 °С).
Из оксидов наибольшее применение получила закись меди Сu 2 О , обладающая ширной запрещенной зоны ∆ W = 0,22÷0,39 эВ. Является основой медно – закисных ( купроксных ) выпрямителей. Медные пластины нагревают при 1020÷1040 °С в окислительной среде 5 мин, затем переносят в печь с температурой 600°С, где выдерживают 10 мин. Получается в итоге двойное покрытие: первое Сu 2 О (закись), второе СuО – окись. Закись меди Сu 2 О – полупроводник, а СuО – диэлектрик. Окись меди в требуемых местах вытравливают. Сu 2 О является примесным полупроводником n – типа, с интервалом рабочих температур от –40 до +60°С. Медное основание в прилегающей к пленке Сu 2 О имеет электронную проводимость, что обусловливает в слое закиси меди электронно – дырочный переход.
Меднозакисные выпрямители широко применялись в технике (в измерительных приборах, в схемах автоматических устройств и др.).
Мn 3 О 4 – закись – окись марганца – поликристаллический полупроводник с ∆ W = 1,25 эВ. Этот окисный полупроводник применяется в термисторах (термометрах сопротивления).
К оксидным полупроводникам с электронной электропроводностью относятся широко используемые радиоэлектронике ферриты и сегнетоэлектрики (сегнетова соль).
Полупроводниковые свойства проявляют те оксиды, у которых один или более ионов металла относится к элементу переходного ряда ( Ti , Cu , Zn , Ni , Co , Fe , Mn , Cr , V ).
Сульфиды (люминофоры)
В полупроводниковой технике применяют: сульфид свинца РbS ; сульфид цинка ZnS ; сульфид кадмия СdS ; сульфид висмута Вi 2 S 3 .
Сульфид свинца имеет кристаллическую структуру с кубической решеткой. Плотность – 7,5 · 10 3 кг/м 3 , молекулярная масса – 239, температура плавления 1114 °С, ∆ W = 0,4 эВ. В зависимости от соотношения S и Рb получается проводимость: дырочная – если больше серы, электронная – если больше свинца, подвижность электронов 80 см 2 /(В·с). Сульфид свинца применяется для термоэлементов и фоторезисторов с высокой чувствительностью в ИК области спектра.
Сульфид цинка – кристаллическая структура с кубической или гексагональной решеткой природного или синтетического происхождения.
Сульфид кадмия – полупроводниковый кристаллический материал гексагональной структуры, молекулярная масса – 144,5; плотность – 4,82 · 10 3 кг/м 3 , ∆ W = 2,1 эВ. Применяют для фоторезисторов.
Сульфид висмута – кристаллическое вещество ромбической структуры, получают сплавлением висмута с серой в нейтральной среде или в вакууме. Плотность – 7,4 · 10 3 кг/м 3 ; молекулярная масса – 514,2; ∆ W = 1,25 эВ.
C оединения типа А II В VI
Наибольшее применение получили CdSe , PbSe , HgSe .
Селенид ртути НgSе – кристаллическое вещество, получают сплавлением компонентов в вакууме при 960 °С; имеет электронную проводимость с подвижностью электронов 5000 см 2 /(В·с), ∆ W = 0,3 эВ. Применяется в датчиках э.д.с . Холла, фоторезисторах, лазерах.
Физические свойства соединений типа А II В VI
Какой элемент не относится к чистым полупроводниковым элементам
ПОЛУПРОВОДНИКИ, в-ва, характеризующиеся увеличением электрич. проводимости с ростом т-ры. Хотя часто полупроводники определяют как в-ва с уд. электрич. проводимостью а, промежуточной между ее значениями для металлов ( s ! 10 6 -10 4 Ом -1 см -1 ) и для хороших диэлектриков ( s ! 10 -12 — 10 -10 Ом -1 см -1 ), сама величина электрич. проводимости не играет определяющей роли в полупроводниковых св-вах в-ва. На электрич. проводимость полупроводников оказывает влияние кроме т-ры сильное электрич. поле, давление, воздействие оптич. и ионизирующего излучения, наличие примесей и др. факторы, способные изменять структуру в-ва и состояние электронов. Это обстоятельство играет решающую роль в многочисленном и разнообразном использовании полупроводников.
Полупроводниковые св-ва могут наблюдаться как в кристаллич. в-вах, так и в неупорядоченных системах — твердых аморфных в-вах (стеклах) и жидкостях. При этом решающим является характер хим. связи между частицами в ближнем порядке (первая координац. сфера). Существуют полупроводники с любым типом хим. связи, кроме чисто металлической и чисто ионной (т.е. ковалентной, ковалентно-металлич., ковалентно-ионной и т.п.), причем ковалентная составляющая связи является обычно преобладающей. Широкое практич. применение получили полупроводники, являющиеся простыми в-вами (Ge, Si и др.), а также хим. соединения элементов III гр. периодич. системы с элементами V гр., напр. GaAs, GaP, InAs, CdTe и т.п. (бинарные полупроводники). Все такие в-ва имеют кристаллич. решетку, подобную решетке алмаза, и наз. алмазоподобными полупроводники В Ge и Si в кристаллич. состоянии реализуется классич. двухэлектронная ковалентная связь. образованная перекрыванием sp 3 -гибридных орбиталей соседних атомов (см. Гибридизация атомных орбиталей). В соответствии с симметрией sp 3 -гибридных орбиталей расположение атомов в первой координац. сфере отвечает правильному тетраэдру. Такова же первая координац. сфера и у алмазоподобных полупроводников, однако в их структуре каждая ковалентная связь имеет ковалентно-ионный характер из-за заметной разности электроотрицательностей соседних атомов.
Повышение т-ры, а также др. внеш. воздействия (облучение светом или сильное электрич., поле) могут вызвать разрыв ковалентной связи, ионизацию атомного остова и образование своб. электрона. Этот электрон в условиях непрерывного обмена валентными электронами между атомами кристалла может переходить из ячейки в ячейку и переносить с собой отрицат. заряд, к-рый повсюду является избыточным, т.е. своб. электрон становится электроном проводимости. Недостаток электрона у разорванной ковалентной связи становится блуждающей по кристаллу дыркой, с к-рой связан единичный положит. заряд.
Электроны проводимости и дырки-два типа своб. носителей заряда в полупроводниках. В идеальных кристаллах их концентрации равны, т.к. превращение одного из валентных электронов в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки. Электропроводность полупроводников ст, обусловленная электронами атомов данного в-ва (т. наз. собственная проводимость), определяется помимо концентрации носителей п их подвижностью m -отношением скорости направленного движения, вызванного электрич. полем (дрейфовой скоростью) u др , к напряженности поля Е:
(е-элементарный электрич. заряд).
Подвижность разных носителей в идеальном кристалле определяется процессами рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки, поэтому ц сильно зависит от т-ры. При 300 К подвижность носителей в твердых полупроводниках варьируется в широких пределах от 10 5 см 2 /с до 10 -3 см 2 /с и меньше. В реальных кристаллах при пониж. т-рах, как правило, преобладает рассеяние носителей на дефектах кристаллич. структуры.
Примесная проводимость. В реальных кристаллах источниками своб. носителей заряда (носителей тока) м. б. дефекты кристаллич. структуры, напр. междоузельные атомы, вакансии, а также отклонения от стехиометрич. состава. Примеси и дефекты делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают в объем полупроводника избыточные электроны, создавая электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны собств. атомов полупроводника, в результате чего образуются дырки и возникает дырочная проводимость (р-типа). Типичными донорами в Ge и Si являются примесные атомы элементов V гр. (Р, As, Sb). В узле кристаллич решетки 4 из 5 валентных электронов такого атома образуют ковалентные связи с соседними атомами Ge или Si, а 5-й электрон оказывается слабо связанным с примесным ионом. Энергия ионизации примеси мала (~0,01 эВ в Ge и 0,04 эВ в Si), поэтому уже при 77 К в полупроводнике появляются электроны проводимости в концентрации, определяемой содержанием примеси
Аналогично атомы III гр. (В, Al, Ga, In)-типичные акцепторы в Ge и Si. Дырка, к-рая остается в месте захваченного примесью валентного электрона Ge или Si, очень слабо связана с примесным ионом и при не очень низких т-рах легко превращ. в своб. носитель заряда (носитель тока). Во мн. бинарных полупроводниках типа A IV B VI источниками дырок являются вакансии атомов A IV , а вакансии B VI источниками электронов проводимости. Электропроводность полупроводников, определяемая электронами примесных атомов, наз. примесной проводимостью, а введение определенных примесей для получения полупроводников с разл. требуемыми св-вами-легированием полупроводников.
Зонная теория объясняет полупроводниковые св-ва твердых тел на основе одноэлектронного приближения и распределения электронных энергетич. уровней в виде разрешенных и запрещенных зон (см. Твердое тело). Энергетич. уровни электронов, участвующих в ковалентной связи, образуют верхнюю из заполненных разрешенных зон (валентную зону). Следующая по энергии разрешенная зона, уровни к-рой не заполнены электронами,-зона проводимости. Энергетич. интервал между «дном» Е с (минимумом энергии) зоны проводимости и «потолком» Еу (максимумом) валентной зоны наз. шириной запрещенной зоны D E (см. рис.). Для разных полупроводников ширина запрещенной зоны меняется в широких пределах. Так, при T : 0 К D E = 0,165 эВ в PbSe и 5,6 эВ в алмазе.
Валентная зона (кружки с плюсом дырки) и зона проводимости (кружки с минусом-электроны проводимости): E с -дно зоны проводимости, E V -потолок валентной зоны, D E- ширина запрещенной зоны, D и A-донорные и акцепторные уровни соответственно.
Тепловое движение переносит часть электронов в зону проводимости; в валентной зоне при этом появляются дырки — квантовые состояния, не занятые электронами. Обычно электроны занимают уровни, расположенные вблизи дна Е с зоны проводимости, а дырки-уровни, расположенные вблизи потолка E V валентной зоны. Расстояния от этих уровней соотв. до Е с и Е V порядка энергии теплового движения kТ, т. е. гораздо меньше ширины разрешенных зон (k-постоянная Больцмана). Локальные нарушения идеальности кристалла (примесные атомы, вакансии и др. дефекты) могут вызвать образование разрешенных локальных уровней энергии внутри запрещенной зоны.
При т-рах вблизи 0 К все собств. электроны полупроводника находятся в валентной зоне, целиком заполняя ее, а примесные электроны локализованы вблизи примесей или дефектов, так что своб. носители заряда отсутствуют. С повышением т-ры тепловое движение «выбрасывает» в зону проводимости преим. электроны примесных атомов-доноров, поскольку энергия ионизации донора меньше ширины запрещенной зоны. Концентрация электронов в зоне проводимости при этом во много раз больше концентрации дырок в валентной зоне. В таких условиях электроны наз. основными носителями в полупроводниках n-типа, аналогично дырки — основными носителями в полупроводниках р-типа. После полной ионизации всех доноров доминирующим процессом оказывается выброс из валентной зоны в зону проводимости собств. электронов полупроводника. При нек-рой т-ре их концентрация в зоне проводимости становится сравнимой с концентрацией примесных электронов, а потом и во мн. раз большей. Это температурная область собств. проводимости полупроводников, когда концентрации электронов п и дырок р практически равны.
Возникновение пары электрон проводимости-дырка наз. генерацией носителей заряда. Возможен и обратный процесс-рекомбинация носителей заряда, приводящая к возвращению электрона проводимости в валентную зону и исчезновению дырки. Рекомбинация носителей может сопровождаться выделением избыточной энергии в виде излучения, что лежит в основе полупроводниковых источников света и лазеров
Электроны проводимости и дырки, возникновение к-рых явилось следствием тепловых флуктуации в условиях тер-модинамич. равновесия, наз. равновесными носителями заряда. При наличии внеш. воздействия на полупроводники (освещение, облучение быстрыми частицами, наложение сильного электрич. поля) может происходить генерация носителей заряда, приводящая к появлению избыточной (относительно термодинамически равновесной) их концентрации. При появлении в полупроводниках неравновесных носителей возрастает число актов рекомбинации и захвата электрона из зоны проводимости на примесный уровень в запрещенной зоне («захват» носителей). После прекращения внеш. воздействия концентрация носителей приближается к равновесному значению.
p-n-Переход в полупроводниках. В объеме одного и того же полупроводника возможно создание двух областей с разными типами проводимости, напр. легированием донорной примесью (p-область) и акцепторной примесью (n-область). Т к. в р-области концентрация дырок выше, чем в n-области, происходит диффузия дырок из р-области (в ней остаются отрицательно заряженные акцепторные ионы) и электронов из л-области (в ней остаются положительно заряженные донорные ионы). На границе областей с р- и n-проводимостью образуется двойной слой пространств, заряда, и возникающая электрич. разность потенциалов препятствует дальнейшей диффузии осн. носителей тока. В условиях теплового равновесия полный ток через p-n-переход равен нулю. Внеш. электрич. поле нарушает равновесие, появляется отличный от нуля ток через переход, к-рый с ростом напряжения экспоненциально возрастает. При изменении знака приложенного напряжения ток через переход может изменяться в 10 5 -10 6 раз, благодаря чему p-n-переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменного тока (полупроводниковый диод). На св-вах p-n-перехода основано применение полупроводников в качестве разл. рода датчиков — т-ры, давления, освещения, ионизирующих излучений (см. Радиометрия).
В рамках зонной теории аморфные (стеклообразные и жидкие) полупроводники можно рассматривать как немолекулярные системы, в к-рых из-за многообразия положений и взаимных ориентации атомов и атомных групп положения дна (по энергии) зоны проводимости и потолка валентной зоны испытывают флуктуации порядка ширины запрещенной зоны. В силу этого среднестатистич. энергетич. (потенциальный) рельеф краев зон имеет сложную форму, электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне локализуются в потенц. ямах («каплях»), разделенных разновысокими потенц. барьерами. Проводимость в таких системах обусловлена спонтанным перебросом носителей тока через барьер или квантовым туннелированием. К таким полупроводникам относятся халькогенидные стекла, сохраняющие полупроводниковые св-ва в жидком состоянии.
В кристаллических полупроводниках, имеющих цепочечную (Se, Те) или слоистую структуру (нек-рые модификации As и Sb), зонная структура, а следовательно, ширина запрещенной зоны различны в разных кристаллографич. направлениях, что обусловлено неодинаковым характером хим. связи. Выделяют гомодесмические полупроводники с высокосимметричной структурой (Ge, Si, алмазоподобные бинарные и многокомпонентные соед.) и гетеродесмические полупроводники (цепочечной и слоистой структур, напр. Se, Те, GeAs, GeAs 2 ). Сама величина собств. проводимости полупроводника и ее температурная зависимость в разных кристаллографич. направлениях для этих в-в (или фаз) будут отличаться.
Полупроводники и периодическая система элементов. Элементы, проявляющие полупроводниковые св-ва в виде простых в-в, расположены компактной группой в периодич. системе (в табл. они выделены сплошной ломаной линией). Все они являются p-элементами, в атомах к-рых постепенно заполняются электронами p-орбитали. Собств. проводимость проявляется у в-в, структура к-рых допускает образование насыщ. (двухцентровых) ковалентных связей. В простых в-вах с валентными s- и p-электронами выполняется т. наз. правило октета, согласно к-рому каждый атом имеет (8 — N) ближайших соседей (N — номер группы). Так, в полупроводниках группы IVa координац. число равно 4 (тетраэдр). У полупроводниковых модификаций простых в-в группы Va-P, As, Sb-координац. число равно 3, что способствует формированию слоистых структур. S, Se, Те (гр. VIa) в полупроводниковом состоянии имеют координац. число 2 и образуют линейные, цепочечные структуры, связанные в трехмерную сетку силами Ван-дер-Ваальса. У полупроводниковой модификации I (гр. VIIa) координац. число равно 1 и сохраняется мол. структура с бинарными молекулами I 2 в узлах кристаллич. решетки. В периодич. системе все элементы, образующие полупроводниковые фазы, кроме В (гр. IIIa), расположены правее т. наз. границы Цинтля, к-рая разделяет элементы с дефицитом валентных электронов (менее 4 электронов на атом) и элементы, у к-рых достаточное число валентных электронов для образования ковалентных связей в структурах простых в-в в соответствии с правилом октета.
В бинарных соед. между элементами, расположенными левее границы Цинтля, и элементами, стоящими вправо от нее, реализуются полярные ковалентные связи. Обычно более электроотрицат. атом наз. «анионообразователем», более электроположительный — «катионообразователем». Эти соед. проявляют полупроводниковые св-ва в том случае, если орбитали анионообразователя полностью заселены электронами. Полупроводниковые соед. подчиняются модифицированному правилу октета, согласно к-рому отношение числа п е валентных электронов, приходящихся на одну формульную единицу, к числу п а атомов элемента групп IVa-VIIa равно 8. Состав таких соед. строго подчиняется правилам формальной валентности. Наиб. интерес представляют бинарные алмазоподобные фазы, в состав к-рых входят элементы групп, равноотстоящих от гр. IVa. Они образуют т. наз. изоэлектронные ряды Si, Ge и a-Sn, члены к-рых представляют бинарные соед., в к-рых приходится по 8 валентных электронов на одну формульную единицу: ряд Si: A1P MgS NaCl ряд Ge: GaAs ZnSe CuBr ряд a -Sn: InSb CdTe Agl
Из перечисленных соед. большинство имеет тетраэдрич. структуру (координац. число 4), лишь MgS и NaCl кристаллизуются в структуре с координац. числом 6, характерной для бинарных ионных кристаллов, и являются диэлектриками. Полупроводниковые соед. могут образовываться и при др. сочетаниях элементов, находящихся по разные стороны границы Цинтля (и т.п.).
Существуют фазы, в структуре к-рых в первой координац. сфере реализуются связи не только между разными атомами, но и между одинаковыми, в силу чего их состав не подчиняется правилам формальной валентности. Если ка-тионообразователем является элемент групп Ia-IIIa и в структуре фазы имеются хим. связи между атомами этого элемента, то фаза является металлидом (напр., Сu 3 Р, Cu 3 As). Если же катионообразователь — элемент групп IVa или Va, наличие связи между его атомами не приводит к появлению металлич. св-в. Полупроводниками являются и т. наз. анионо-избыточные фазы со связями между атомами-анионообра-зователями. Т. обр., полупроводниками являются GeAs и GeAs 2 (одна связь Ge—Ge и одна связь As—As на одну формульную единицу). Принадлежность бинарной фазы к полупроводникам регламентируется формальным правилом Музера-Пирсона (еще одна модификация правила октета): п е /п а + В а = 8, где В а -число связей между анионообразователями. В структуре, удовлетворяющей этому правилу, координац. сферы каждого компонента формируются с помощью двухэлектрон-ных связей.
Представления, основанные на правиле насыщения первой координац. сферы, оказались плодотворными для прогнозирования полупроводниковых св-в большого числа соед., не только бинарных, но и многокомпонентных. Путем замещения компонентов бинарного полупроводникового соед. атомами такой же валентности (изовалентное замещение) или др. валентности (гетеровалентное замещение) можно получать непрерывные и ограниченные твердые р-ры с полупроводниковыми св-вами. Примером могут служить твердые р-ры GaP-GaAs, AlP-GaP и др. Тройные полупроводниковые соед. получают путем замещения двух атомов одного сорта в соед. типа A III B V на два атома с той же суммарной валентностью. Напр., при замещении двух атомов алюминия в А1Р (суммарная валентность 3 + 3 = 6)на атомы Mg и Si (та же суммарная валентность 2 + 4 = 6) получают алмазоподобное тройное полупроводниковое соед. MgSiP 2 . Подобными фазами являются ZnGeAs 2 , CdSnP 2 и т.п., это т. наз. изоэлектрон-ное замещение.
Особую группу в-в, способных проявить полупроводниковые св-ва, составляют соед. переходных металлов с элементами, расположенными справа от границы Цинтля. Эти соед. чрезвычайно многообразны по составу и св-вам из-за поливалентности переходных d- и f-металлов. В ряде случаев в реальных структурах возможно координац. насыщение хотя бы одного компонента вследствие образования двух-электронных ковалентных связей. В результате снимается вырождение энергетич. уровней кристалла и в-во становится полупроводником. Поскольку все элементы групп IVa—VIa принадлежат к числу достаточно высоко электроотрицательных, выполнение отмеченного выше условия возможно у халькоге-нидов, фосфидов, арсенидов, силицидов, особенно высших, т.е. содержащих достаточное кол-во анионообразователей в одной формульной единице. Полупроводниковыми св-вами обладают халькогениды состава MX и МХ 2 , пник-тидьт (фосфиды и арсениды) этого же состава, высшие силициды (если они не являются фазами внедрения). Карбиды состава М 2 С, МС и нек-рые другие, как правило, метал-лоподобны вследствие того, что они являются фазами внедрения, т. е. у них сохраняется кристаллич. каркас металлич. компонента и, следовательно, преобладает металлич. характер хим. связи. Германиды, станниды, многие (даже высшие) антимониды также представляют собой металлы, поскольку входящие в их состав анионообразователи недостаточно электроотрицательны.
Характерной особенностью практически всех бинарных соед. переходных металлов с элементами групп IVa-VIa с полупроводниковыми св-вами является наличие вырождения энергетич. уровней при низких т-рах. Так, даже такие ярко выраженные полупроводники, как высшие силициды CrSi 2 , ReSi 2 , Mn 4 Si 7 , обнаруживают положит. коэффициент электрич. проводимости только при высоких т-рах. Это связано не столько с наличием легко ионизуемых примесей, сколько с дополнит. возможностью ионизации атомного остова переходного металла, обусловленной его поливалентностью. В ряде случаев этот процесс затягивается вплоть до т-ры плавления материала, к-рый так и не становится собственным полупроводником.
Органические полупроводники принципиально отличаются от неорганических полупроводников. Все твердые неорганические полупроводники образуют координац. соединения, в то время как органические полупроводники-молекулярные кристаллы. Они так же, как и неорганические полупроводники, обладают положит. температурным коэф. проводимости, но механизм проводимости иной. Для органических полупроводников характерны многоцентровые связи, характеризующиеся делокализацией p -электронов и проявлением коллективного электронного взаимод. по системе сопряжения. Делокализация электронов сопровождается выигрышем энергии, наз. энергией сопряжения; это приводит, в частности, к уменьшению энергетич. щели D Е между основным и низшим возбужденным состояниями p -электронов по мере увеличения числа сопряженных связей в молекуле. В полимерах с системой сопряжения в осн. цепи макромолекулы D Е м. б. порядка энергии теплового движения kT. Внеш. воздействие (гл. обр. освещение) вызывает возбуждение в системе p -электронов, к-рое может мигрировать по кристаллу и при распаде (на дефектах структуры, примесных атомах, а также при взаимод. друг с другом) дает своб. носители заряда. Проводимость в органических полупроводниках обеспечивается гл. обр. перескоками электронов между состояниями с разной энергией, причем дефицит энергии покрывается за счет энергии тепловых колебаний атомов (прыжковая проводимость). С этим связана характерная температурная зависимость органических полупроводников: при умеренно низких т-рах, когда доминируют прыжки между соседними состояниями, между уд. электрич. сопротивлением r и т-рой Т наблюдается зависимость ln r ~ T — 1. С понижением т-ры длина прыжка увеличивается и ln r ~ Т n (п < 1).
Различают четыре вида органических полупроводников: 1) низкомолекулярные соед. с конденсир. ароматич. ядрами: нафталин, антрацен, пирен, перилен и т. п. и их производные; 2) соед., содержащие помимо конденсированных ароматич. ядер открытоцепные участки (красители и пигменты типа хлорофилла, b -каротина); 3) полимерные материалы (полиэтилен, биополимеры); 4) молекулярные комплексы с переносом заряда, в к-рых проводимость осуществляется путем перехода электрона от молекулы-донора к молекуле-акцептору (комплексы ароматич. соед. с галогенами). Мн. органические полупроводники являются биологически активными в-вами, что, по-видимому, неразрывно связано с особенностями их электрич. проводимости.
Лит.: Органические полупроводники, 2 изд., М., 1968; Горюнова Н.А., Химия алмазоиодобных полупроводников, Л., 1963; У гай Я. А., Введение в химию полупроводников, 2 изд., М., 1975. Я. А. Угай, В.З. Анохин.