3.3 Применение полупроводниковых материалов

Основной областью применения полупроводниковых материалов является микроэлектроника. Полупроводниковые материалы составляют основу современных больших и сверхбольших интегральных схем (ИС), которые делаются в основном на Si. Повышение быстродействия и снижение потребляемой мощности связаны с созданием ИС па основе GaAs, InP и их твёрдых растворов с другими соединениями A^IIIB^V.

Полупроводниковые материалы используют для изготовления «силовых» электронных приборов (вентилей, тиристоров, мощных транзисторов). Здесь также основным полупроводниковым материалом является Si, а дальнейшее продвижение в область более высоких рабочих температур связано с применением GaAs, SiC и других широкозонных полупроводниковых материалов. Расширяется применение полупроводниковых материалов в солнечной энергетике. Основными полупроводниковыми материалами для изготовления солнечных батарей являются Si, GaAs, гетероструктуры Ga_xAI_1-xAs - GaAs, Gu₂S - CdS, α-Si(H), α-Si(H) – α-Si_xC_1-x(II). С применением некристаллических гидрированных полупроводниковых материалов связаны перспективы снижения стоимости солнечных батарей.

Полупроводниковые материалы используются в производстве полупроводниковых лазеров и светоизлучающих диодов. Лазеры изготовляют на основе ряда прямозонных соединений A^IIIB^V, А^IIВ^VI, A^IVB^VI и других. Важнейшими полупроводниковыми материалами для изготовления инжекционных лазеров являются гетероструктуры: Ga_xAl_1-xAs – GaAs; Gа_xIn_1-xАs_yР_1-y – InP; Gа_xIn_1-xАs – InP; Gа_xIn_1-xАs_yР_1-y – GaAs_1-xP_x; Pb_xSn_1-xTe – PbTe. Для изготовления светодиодов используют GaAs, GaP, GaAs_1-xP_x, Gа_xIn_1-xАs, Gа_xAl_1-xАs, SiC и др. Полупроводниковые материалы составляют ос­нову фотоприёмных устройств широкого диапазона (Ge, Si, GaAs, GaP, InSb, InAs, Ga_xAl_1-xAs, Hg_1-xCd_xTe, Pb_1-xSn_xTe и др.). Полупроводниковые лазеры и фотоприёмники – составляющие элементной базы волоконно-оптических линий связи.

Широко используются полупроводниковые материалы для создания различных приборов СВЧ- и радиодиапазонов (биполярные и полевые транзисторы, транзисторы на горячих электронах, лавинопролетные диоды), детекторов частиц (чистые Ge, Si, GaAs, CdTe и др.).

На основе полупроводниковых материалов изготовляются термохолодильники, тензодатчики, высокочувствительные термометры, датчики магнитных полей, модуляторы и волноводы ИК-излучения, так называемые оптические окна и др.

Классификация элементов электронных схем приведена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Общая классификация компонентов электронных схем [2,4-5]

«В наш век, когда физики знают, что происходило в первые секунды существования Вселенной и что творится в ещё не открытых чёрных дырах, всё же приходится с удивлением признать, что основные стихии древности – воздух и вода – всё ещё остаются загадкой для нас.»

И.П. Стаханов (1979 г.)

4 Диэлектрические материалы

Диэлектрический материал или диэлектрик – материал, наиболее характерным свойством которого является способ­ность к поляризации в электрическом поле. В технике эту способность удобно количественно характеризовать значением относительной ди­электрической проницаемости. Диэлектрики используются в техниче­ской практике для разных целей, в том числе для накопления энергии в электрических конденсаторах. К диэлектрикам можно отнести и многие полупроводники.

Электроизоляционные материалы, как материалы с минимальной способностью проводить электрический ток, используются главным образом для ограничения прохождения электрического тока между проводниками с различными электрическими потенциалами. Таким образом, электроизоляционные материалы можно рассматривать как более узкий класс материалов по сравнению с диэлектрическими ма­териалами. Характерным показателем качества электроизоляционного материала является его удельное электрическое сопротивление или обратная ему величина – удельная электрическая проводимость.

Многие диэлектрики являются хорошими электроизоляционными материалами. Это приводит к тому, что эти понятия на практике ча­сто используются как синонимы, несмотря на то, что между ними имеется чёткое смысловое различие [1,7].

Изолятором называется изделие из электроизоляционного мате­риала, задачами которого являются крепление и изоляция друг от друга проводников, находящихся под различными потенциалами; при­мер – изоляторы воздушных линий электропередачи. Изоляторы, как правило, изготавливаются из фарфора, стекла или пластмасс. Поэто­му неправильно подменять понятие «электроизоляционный материал» понятием «изолятор».

Электрической изоляцией называется электроизоляционная систе­ма определённого конкретного электротехнического изделия, выполнен­ная из одного или нескольких электроизоляционных материалов.

Идеальный электроизоляционный материал определяется как ма­териал, который не содержит свободных носителей заряда, а потому не способен проводить электрический ток. Такие электроизоляционные материалы существуют только в теоретических представлениях; в действительности идеальных электроизоляционных материалов не существует.

Все реальные электроизоляционные материалы содержат некото­рое количество свободных носителей заряда, а потому через любой из этих материалов под действием внешнего электрического поля те­чёт определённый, хотя и очень малый ток.

Между электроизоляционными материалами и полупроводниками не существует точной границы. В настоящее время электроизоляцион­ными материалами считаются материалы преимущественно с ионным характером электропроводности, удельная электрическая проводимость которых при комнатной температуре меньше 10^-8 См/м, т. е. удельное электрическое сопротивление больше 10⁸ Ом∙м.

Понятие электроизоляционный материал можно определить так­же с помощью ширины запрещённой зоны. Но и это определение носит условный характер. В настоящее время электроизоляционными обычно считаются материалы, ширина запрещённой зоны которых больше 3 эВ.

Согласно агрегатному состоянию элект­роизоляционные материалы делятся на газообразные, жидкие и твёрдые. Особенно большой является группа твёрдых электро­изоляционных материалов (полимерные, пластмассы, керамика и др.). Согласно химическому составу электро­изоляционные материалы делятся на орга­нические и неорганические. Основным эле­ментом в молекулах всех органических элек­троизоляционных материалов является уг­лерод. В неорганических диэлектриках уг­лерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические электроизоляционные материалы (слюда, керамика и др.).

По расположению частиц, составля­ющих электроизоляционные материалы, по­следние делятся на материалы кристалличе­ской и аморфной структуры.

По электрическому состоянию молекул электроизоляционные материалы делят на неполярные и полярные. Не­полярные электроизоляционные материалы состоят из электрически нейтральных ато­мов и молекул, которые до воздействия на них внешнего электрического поля не обладают электрическими моментами. Нейтраль­ные атомы и молекулы приобретают элек­трические моменты только под действием внешнего электрического поля – в процессе деформационных поляризаций.

Природа химической связи между атомами вещества оп­ределяет его химические свойства, но не объясняет причин его фазового состояния – газового, жидкого или твёрдого.

Состояние вещества определяется его структурой и харак­тером взаимодействия между его частицами (атомами, моле­кулами или ионами), что позволяет объяснить все механиче­ские, многие физические и некоторые физико-химические свойства реально существующих материалов.

При нормальных или близких к ним условиях вещества могут находиться в газовом, жидком или твёрдом состоянии. Частицы (атомы или молекулы) вещества, находящегося в газовом состоянии, совершают индивидуальные поступа­тельные движения с различными скоростями и практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому внутренняя структура газа характеризуется полным беспорядком в распо­ложении частиц, а сам газ не сохраняет ни объёма, ни формы.

Жидкое и твёрдое состояния вещества называют конденсированным состоянием, так как процесс пре­вращения газа (пара) в жидкость или в твёрдое тело заключа­ется в его «сгущении», «уплотнении», что обозначается тер­мином «конденсация». Необходимым условием перехода ве­щества в конденсированное состояние является установление связей между его отдельными частицами, в результате чего вещество приобретает собственный объём. Взаимодействие между частицами вещества заставляет их располагаться определённым образом друг относительно друга, что приводит к по­рядку во внутренней структуре вещества [1,5].

Так, если молекула воды может одновременно взаимодейство­вать с четырьмя другими молекулами воды, то каждая из них окру­жается четырьмя соседними. Соседние молекулы в свою очередь также координируют вокруг себя по четыре молекулы, а те, в свою очередь, имеют по че­тыре соседних и т.д. Координационное число молекулы воды равно четырём.

Это приводит к тому, что весь объём вещества как бы пронизывается невидимой трёхмерной сеткой связей между его частицами. Все частицы в веществе друг через друга становятся взаимно связанными.

Как показывает эксперимент, частицы жидкости совер­шают в секунду (10¹² – 10¹³) колебаний, находясь в определён­ном месте в течение (10^-11–10^-10) с. Следовательно, до переско­ка в новое положение или до перестройки структуры частица успевает совершить от 10 до 10³ колебаний. Иначе говоря, только от 0,1 до 10 % колебательных движений части­цы приводят к её перемещению в пространстве. В этом прояв­ляются черты сходства жидкого тела с твёрдым, в котором по­чти ни одно колебание молекулы (или атома) не сопровожда­ется её переходом на другое место. В то же время в газе все частицы совершают поступательное движение (рисунок 4.1). Но если твёрдое тело характеризуется практически неизменным относительным расположением частиц, то в жидкости в ре­зультате теплового движения частиц структура в отдельных областях уплотняется за счёт других мест, где она становится более рыхлой. Такие постоянные кратковременные местные изменения в структуре жидкости получили названия флуктуации, из-за чего сама структура становится «размытой», искажённой. Поэтому для жидкости говорят о ближ­нем порядке в расположении её частиц.

Рисунок 4.1 – Схемы перемещения частиц вещества в газе (а), в жидкости (б) и в твёрдом теле (в); цифры обозначают местонахождение частицы в разные моменты времени

Под действием внешних сил, например, силы тяжести, происходит перемещение отдельных скоплений частиц в жидкости, т. е. флуктуация её плотности становится направленной. В ре­зультате жидкость течёт, т.е. перемещается с изменением своей формы, но с сохранением общего объёма (при отсутствии испарения) в сторону приложенной силы. Таким образом, текучесть – это специфическое свойство жидкого тела, вы­званное ограниченной подвижностью его структурных единиц.

Тепловое движение молекул вещества обусловливает его способность к диффузии, т. е. к самопроизвольному переходу вещества в те области пространства, где его концентрация меньше или равна нулю. Способность к диффузии объясняет стремление веществ к взаимному смешению, что проявляется в самых различных природных и искусственных процессах – испарении, растворении, осмосе, клеении и пр.

При нагревании жидкости энергия теплового движения её час­тиц начинает превышать энергию взаимодействия между ними, и поверхностное натяжение уменьшается. При определённой темпера­туре, как было установлено Д.И. Менделеевым (1860 г.), поверхност­ное натяжение становится равным нулю. Выше этой температуры, независимо от давления, вещество не может находиться в конденси­рованном состоянии и существует только как газ. Такая температура называется критической.

Структура жидкости очень чувствительна к изменениям температуры. При температурах, близких к температуре плавления, строение жидкости приближается к строению твёрдого тела, так как содержит зачатки кристаллической структуры, и наоборот, при температурах, близких к темпера­туре кипения, упорядоченность в расположении частиц жид­кости сводится к минимуму, и начинается интенсивное испа­рение. С точки зрения строения вещества жидкое состояние является самым переменчивым и многообразным, а поэтому и наименее изученным.

Твёрдое состояние. Вещества при затвердевании приобре­тают структуру, в которой имеется дальний порядок в распо­ложении составляющих их частиц (молекул, атомов или ионов). Другими словами, достаточно знать ближнее окруже­ние частиц, чтобы иметь возможность предвидеть их располо­жение во всем объёме тврдого тела.

Поверхностные слои атомов – грани тела – направлены друг к другу под определёнными углами, благодаря чему ве­щества в твёрдом состоянии имеют индивидуальную форму и называются кристаллами. Кристаллическая структура вещества термодинамически более устойчива, чем аморфная. Это объясняется тем, что регулярное расположение частиц в кристалле позволяет им устанавливать между собой макси­мальное число связей, что способствует снижению запаса внутренней энергии в веществе.

Плотную упаковку частиц можно представить как укладку ша­ров одинакового размера, при которой координационное число каж­дого шара (т. е. число соседних шаров, с которыми он имеет контакт) равно 12. Столь высокое его значение в реальном кристалле может служить признаком ненаправленных и ненасыщенных связей между частицами. В некоторых металлах (Mg, Сu, Ag, Аu, Al, Pb и др.) и в кристаллах благородных газов координационные числа атомов рав­ны 12. В ионных кристаллах значения координационных чисел для ионов несколько меньше. В хлориде цезия CsCl координационные числа ионов Cs⁺ и С1^- равны 8, в хлориде натрия NaCl – 6. Во мно­гих металлах координационные числа атомов также не превышают 8 (щелочные металлы, Ва, V, Nb, Та и др.). В атомных кристаллах (на­пример, в алмазе) координационные числа атомов обычно не превы­шают 4. В рутиле ТiO₂ координационное число (Ti) = 6 и координационное число (О) = 3, в сульфиде цинка ZnS координационное число (Zn и S) = 4. В кристаллах льда для молекул воды координационное число 4.

В чём причина невысоких значений координационных чисел атомов, ионов или молекул, из которых построены кристаллы? Все­стороннему максимальному сближению частиц в кристалле могут препятствовать два фактора: во-первых, определённая направлен­ность связей между частицами и, во-вторых, несоответствие их раз­меров. Направленность связей играет решающую роль в расположе­нии частиц, между которыми устанавливаются атомные или водо­родные связи. Поэтому координационные числа атомов в атомных кристаллах совпадают с валентностью элемента, а координационные числа молекул, образующих Н-связи, – с числом этих связей, обра­зуемых каждой молекулой. Этот же фактор может проявляться в структуре металлических и ионных кристаллов, если в связях меж­ду атомами металлов или ионами имеются признаки атомной связи. В ионных кристаллах на взаимное расположение ионов в основном влияют несоответствие их размеров и электростатическое отталкива­ние одноименно заряженных ионов.

Регулярная структура кристаллических тел, характери­зующаяся направленностью в расположении частиц, придаёт им отличительную особенность – анизотропию (неодинаковость) их свойств по разным направлениям. Иначе говоря, свойства кристалла (прочность, светопоглощение, тепло­проводность и электрическая проводимость, скорость раство­рения, химическая активность и др.) зависят от его ориента­ции по отношению к направлению оказываемого воздействия.

Если признаки газового состояния вещества очевидны (отсутст­вие собственного объёма и тем более формы: беспорядочное располо­жение частиц), то при оценке конденсированного состояния (твёрдое или жидкое) могут возникнуть кажущиеся противоречия. Поэтому, указывая, в каком состоянии находится вещество, следует уточнять признаки, по которым это сделано. В зависимости от критериев оцен­ки различают агрегатное и фазовое состояния вещества (таблица 4.1).

Агрегатное состояние вещества определяется способностью его образца сохранять собственный объём и форму. Если такая способ­ность имеется, то считается, что вещество находится в твёрдом со­стоянии. Если же вещество имеет собственный объём, но за достаточ­но малый промежуток времени (соизмеримый с продолжительно­стью эксперимента) самопроизвольно изменяет свою форму, то оно находится в жидком состоянии.

Фазовое состояние вещества определяется упорядоченно­стью его внутренней структуры. Если в расположении хими­ческих частиц в веществе имеется дальний порядок, то оно на­ходится в твёрдом (кристаллическом) состоянии. При частич­ном нарушении порядка в расположении частиц остаётся ближний порядок и вещество находится в жидком состоянии.

Такой подход к оценке состояния вещества, называемый термодинамическим, является более строгим, так как переход вещества из одного фазового состояния в другое (называемый «фазовым переходом») приводит к скачкообразному изменению свойств вещества (теплоёмкости, плотности, прочности и пр.). Поэтому, если проследить за изменением какой-либо физической ве­личины (например, удельного объёма), характеризующей изучаемое вещество при его нагревании или охлаждении, то можно легко за­метить, как монотонное увеличение или уменьшение этой величины резко нарушается при определённых температурах, соответствую­щих фазовым переходам. При переходе от твёрдого состояния к жид­кому и затем газовому (или при обратном переходе) значения этих температур при нормальном давлении называются температурами плавления (или кристаллизации) и кипения (или сжижения) вещества.

Таблица 4.1  Различные состояния веществ

Критерии оценки состояния вещества
по внутренней структуре		по наличию собственного объёма и формы		по способности к изме­нению формы
признаки	фазовое состояние	признаки	агрегатное состояние	Признаки	Физическое состояние
Даль­ний по­рядок	Твёрдое (кристал­лическое)	Наличие собственного объёма и формы	Твёрдое	Изменяет мало	Стекло­образное
Ближ­ний по­рядок	Жидкое			Изменяет сильно	Высокоэлас­тическое
		Наличие собственно­го объёма	Жидкое	Изменяет неограни­ченно	Вязко­текучее
Отсутст­вие по­рядка	Газовое	Отсутствие собственно­го объёма	Газовое	–	–

При оценке агрегатного состояния вещества иногда трудно раз­граничить твёрдое и жидкое состояния, что особенно часто проявля­ется для полимеров.