МЭТ-2

В области температур широкого применения Ge µn и µp с ростом температуры падает, т.е. подвижность определятся рассеянием носителей заряда на тепловых колебаниях решетки.

График зависимости R от температуры для Ge приведен на рис.5.

На величину R влияет напряженность магнитного поля Н (рис. 6).

Если Ge n-типа нагреть до 5500С, а затем быстро охладить, то он превращается в Ge p-типа, р снижается, тип проводимости не меняется. Исходные параметры Ge восстанавливаются, если его прогреть при темпе-

ратуре t = 450-5000С в течение нескольких часов и затем медленно охладить. Это явление связано с образованием в Ge термоакцепторов и введением некоторого количества атомов Cu, которая в Ge является акцептором.

К легирующим примесям относятся элементы ΙΙΙ и V групп таблицы Менделеева, которые являются примесями замещения. К рекомбинационным примесям, создающим ловушки - центры рекомбинации относят элементы Ι и VΙΙΙ групп – Cu, Au, Fe, Co, Ni, они являются примесями внедрения. Нейтральными являются H2 , N2 , инертные газы, Sn, Pb. Акцепторные примеси создают акцепторные уровни в эВ: В - 0.0104, Al - 0.01, Ga - 0.01, Zn - 0.0112, Te - 0.01. Донорные примеси создают донорные уровни в эВ: Р – 0,012, As – 0.012, Sb – 0.009, Li – 0.01. Эти энергии уровней зависят от концентрации примесей, с ростом концентрации примесей они уменьшаются значительно. Рекомбинационные примеси создают несколько уровней: Au –

0.04эВ, 0.2эВ, 0.05 эВ от дна зоны проводимости, 0.15 эВот потолка валентной зоны ; Cu - 0.04 эВ, 0.31эВ - от потолка валентной зоны ; Zn - 0.12 эВ, 0.03эВ - от потолка валентной зоны ; Ni – 0.22эВ, 0.31эВ, от дна зоны проводимости; Fe- – 0.25эВ, 0.31эВ от дна зоны проводимости; Pt – 0.2эВ, 0.25эВ, 0.27 эВ, 0.35 эВ, 0.04 эВ от дна зоны проводимости . Наличие этих

уровней сильно влияет на водимость.

Коэффициенты диффузии атомов примесей зависит от температуры:

D = D0e-ΔΕ/kT

D0 – константа , ΔΕ – энергия активации.

Для элементов , перемещающихся по междоузлиям при 8000С:

дырочная соответственно; М, Г, З – легирование As, Ga, Au соответственно; 10

-удельное сопротивление (Ом∙см); l - диффузионная длина, мм.

Втехнических условиях укладывается плотность дислокации на плоско-

сти ориентации слепка. Плотность дислокации Nдисл = (103 - 5∙104 ) см-2.

17.2. Кремний

Входит в состав широко распространенного в природе кварцевого песка (SiO2). В зависимости от условий получения может быть аморфным и кристаллическим. Аморфный кремний (Si) – порошок бурого цвета, в технике применяется в виде пленки (с добавкой водорода) для солнечных элементов, газочувствительных сенсоров. Кристаллический кремний Si - темно-серое твердое и хрупкое вещество. Si не реагирует с кислотами, кроме смеси азотной и плавиковой кислот. Легко взаимодействует при нагревании с галогенами (F, B, I), образуя галогениды кремния. При очень высоких температурах соединяется с азотом, образуя нитрид кремния, с угле-

используется Si с ρ = 5∙10-3 - 250 Ом∙см. Концентрация атомов при 250С рав-

Sb-0.039, Li-0.033; акцепторные B-0.045, Al-0.057, Ga-0.063, In-0.16, Tl-0.26.

кировка: КЭС (Кремний, электронный, Сурьма), КЭФ (Кремний, электронный, Фосфор), КДБ (Кремний, дырочный, Бор).

17.3. Селен (Se)

Основным источником получения Se являются отходы производства серной кислоты и электролиза меди. Различают Se аморфный и кристалличе-

ский. Аморфный Sе – диэлектрик с ρ = 108-1013 Ом∙см, ε = 6, красного цвета. Из всех кристаллических модификаций Se выраженными полупроводниковыми свойствами обладает Se с гексагональной решеткой. Он образуется

при нагревании аморфного Se до t = (200 - 218)0 C, длительной выдержке

при этой температуре в глубоком вакууме. Селен имеет серый цвет, кристаллы в виде спиральных цепочек содержат до 102-103 атомов. Селен устойчив на воздухе, не растворим в воде, взаимодействует с Fe, Cl, окисляется только при нагревании. Соединяется при нагревании с металлами,

Взаимодействует с кислотами. Соединения Se очень ядовиты. Селен является типичным дырочным полупроводником. Электронный Se не получен.

Электрические параметры: ρ = 105-107 Ом∙см, ΔΕ =(0,8-1,5)эВ, Тпл = 2200С,

концентрация дырок р = 1015-1016 см-3, µp = (1 - 5) см2/B∙с.

Монокристаллы Se содержат много дефектов решетки. Элементы ΙΙ группы таблицы Менделеева являются акцепторами, Ι и VΙΙ группдонорами (лишь компенсируют частично акцепторы). С ростом температуры подвижность возрастает.

Характерные особенности Se:

1)слабая зависимость γ от концентрации примесей;

2)длительное восстановление свойств после освещения, действия сильного электрического поля. Se применяется для изготовления фоторезисторов, диодов, термоэлементов (преобразование тепловой энергии в электрическую).

17.4.Теллур

=0,34эВ, Тпл = 4520С, µp =1200 см2/B∙с , µn =1500 см2/B∙с. Механизм электропроводности или собственный, или дырочный, Те с электронной проводимостью не получен. Элементы V группы являются акцепторами с энергией активации 0,005эВ. Те используется для получения сложных соединений, обладающих высокими фото и термоэлектрическими свойствами.

17.5. Закись меди (Cu2O)

Получается окислением Сu при t = (1020-1040)0 С. Это соединение желтого или красного цвета (CuO – черного цвета), на воздухе устойчивое, плавится

при t = 12000С, в воде не растворяется, растворяется в кислотах.

Это типичный дырочный полупроводник, это обусловлено избытком О2.

Параметры: γ│20oC = 10-2-10-8(Ом∙см)-1. ε = 8.75, ΔΕ = 1.56 эВ, µp = 100 см2/B∙с. Примеси не меняют тип проводимости, меняется лишь ее величина. Cu2O

имеет хорошие термоэлектрические свойства, применяется для изготовления купроксных выпрямителей.

InSb используется для изготовления фотоприемников инфракрасного излучения.

Арсенид галлия GaAs при комнатной температуре взаимодействует с кислотами с выделением очень токсичного арсина AsH3. Нелегированный

GaAs имеет электронный тип проводимости, n = 5∙1015см-3,

µn = 8000 см2/B∙с. При легировании Те n = 1017-1019 см-3, µn = 1000-4000 см2/B∙с. При легировании цинком получается дырочная проводимость

p = 1017-1020 см-3, µp = 200 см2/B∙с. Для получения высокоомного GaAs его

является нейтральной примесью (2∙1018-1020 см-3). Cu резко снижает подвижность электронов, поведение Cu в GaAs очень сложное. GaAs применяется для изготовления светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, лазеров, полевых и биполярных транзисторов СВЧ, солнечных элементов, ИМС.

лазерах, ИМС, InAs – в элементах Холла, лазерах, приемниках инфракрасного излучения , имеет кубическую решетку, О2, Те –донор, Znакцептор. InSb

– в элементах Холла, фотоприемниках инфракрасного излучения, термо-

диодах, решетка кубическая гранецентрированная, Te – донор, Zn - акцептор.

17.7. Халькогениды (селениды, сульфиды, теллуриды металлов)

Получается при нагревании компонентов: Pb + S → PbS

Мало растворим в воде, растворах соляной и серной кислот. Растворяются в растворе перекиси водорода, азотной кислоте. Электрические параметры сведены в таблицу:

Таблица 2

Параметры халькогенидов

Особенности халькогенидов:

1)Высокая чувствительность к инфракрасному излучению, видимой части спектра;

2)Высокие термоэлектрические свойства;

3)Избыток металла дает электронную, а халькогенида – дырочную проводимость.

17.8.Карбид кремния (SiC)

Получается при взаимодействии SiO2 с С при t = 20000С:

SiO2 + С → SiC + CO2

Бывает с кубической и гексагональной решеткой (α - SiC). Окраска зависит от количества и состава примесей (бесцветный, светло-зеленый, чер-

ный). Электрические свойства: ε = 6.5-7.5, ΔΕ = 2,8 эВ, µp = 20 см2/B∙с, µn = 100 см2/B∙с. Имеет ковалентную связь. Примеси V группы (N, P, As, Sb, Bi) дают зеленую окраску и являются донорами. Примеси ΙΙ группы (Ga, Mg),

ΙΙΙ группы (B, Al, Ga, In) являются акцепторами, дают черную окраску. При избытке Si – n-тип, при избытке С - р-тип. Собственная электропроводность

наступает при t > 14000С. При нагревании на воздухе окисляется при t > 8000С. Растворяется смесью азотной и плавиковой кислот, расплавленными щелочами. Используется в светодиодах при политипах 6Н, 15R. Благодаря высокой твердости используется для механической обработки материалов.

Из смеси порошка Si и С с обжигом в атмосфере N2 получают силит для высокотемпературных нагревателей. Используется в варисторах, транзисторах, ИМС, работающих при 300-4000С.

26.9. Многокомпонентные, стеклообразующие и органические полупроводники

Многокомпонентные соединения получают плавлением компонентов в вакуумных кварцевых ампулах. Электрические свойства сведены в таблицу:

Многокомпонентные соединения используются в термопреобра-зователях, фоточувствительных элементах.

Стеклообразные полупроводники – это халькогениды, оксидные стекла. Они имеют низкие температуры получения, но и низкие подвижности носителей заряда. Используются в фотоэлементах, нелинейных резисторах.

Органические полупроводники (антрацен, нафталин, фталоциан, полипиролл) перспективны для низкотемпературных газовых датчиков, для счетчи-

18. АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ

18.1. Поляризация сегнетоэлектриков, основные параметры

Сегнетоэлектриками называются материалы, обладающие спонтанной поляризацией. Спонтанная поляризация характерна для материалов с доменной структурой. Каждый домен имеет свое направление вектора поляризованности (суммарный электрический момент на единицу объема), суммарная поляризованность образца равна нулю. Для сегнетоэлектриков электрическая индукция:

180° векторов поляризованности (рис. 2, в). На участке 3 (рис.1) происходят обратимые процессы ориентирования векторов поляризованности по направлению внешнего поля (рис.2, г). Сегнетоэлектрики аналогичны магнитным материалам (поэтому их называют ферроэлектриками), у которых происходят аналогичные процессы создания остаточной магнитной индукции, но если магнитные материалы остаточную магнитную индукцию, образующуюся после снятия магнитного поля, могут сохранять сколь угодно долго, то сегнетоэлектрики остаточную электрическую индукцию могут сохранять, только находясь в вакууме и то небольшое время, т.к. заряд стекает за счет электропроводности, а на воздухе он нейтрализуется частицами пыли, оседающими на поверхности образца сегнетоэлектрика.

В зависимости от формы электрического сигнала различают несколько видов диэлектрической проницаемости. При воздействии переменного сигнала используют понятие эффективной диэлектрической проницаемости:

ε эф = dDdE |E _= 0 ,

где E_ — напряженность постоянного поля.

При малом переменном сигнале на фоне большого постоянного поля используют понятие реверсивной диэлектрической проницаемости:

В постоянных полях — статическая диэлектрическая проницаемость:

ε = DE

При воздействии импульсного поля — импульсная диэлектрическая проницаемость.

Все проницаемости в своей зависимости от постоянного и переменного поля имеют максимум, что следует из петли гистерезиса.

Для характеристики степени нелинейности зависимости проницаемости от напряженности поля вводят понятие коэффициента перекрытия: