Классификация полупроводниковых материалов

По происхождению ПП могут быть органическими и неорганическими.

По структуре различают кристаллические (моно- и поликристаллические) и аморфные ПП.

По составу ПП делятся на простые (элементарные) и сложные.

Простые ПП состоят из атомов одного и того же химического элемента. Простыми ПП являются 12 элементов Периодической системы Д.И.Менделеева. Это кремний, германий, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, мышьяк, сурьма, йод, серое олово (α-Sn).

Сложные ПП состоят из атомов различных химических элементов. Это сплавы типа твердых растворов, например, Si _x Ge_1-x,GaAs_1-x P_x, где нижним индексом х обозначена мольная доля одного из компонентов, и сплавы типа химических соединений. Сложные полупроводнико­вые соединения обозначают прописными буквами латинского алфавита с верхними и нижними индексами. Например, A^IV B^IV, A^III B^V, A^II B^VI, где верхние индексы - номера групп Перио­дической системы Менделеева Д.И., в которые входят компоненты A и B сплава; нижние индексы (арабские цифры) - стехиометрические ко­эффициенты (число атомов компонента в соединении).

Химические соединения имеют наименование компонента B. Например, соединения, содержание углерод, называются карбидами (SiC - карбид кремния); фосфор - фосфидами (InP - фосфид индия); мышьяк - арсенидами (GaAs - арсенид галлия); сурьму - антимонидами (InSb - антимонид индия); серу - сульфидами (ZnS - сульфид цинка) и т.д.

 

24. Германий: свойства и области применения.

Содержание германия в земной коре невелико и составляет 7∙10^{- 4} %.

Не реагирует Ge с разбавленными и концентрированными кисло­тами, растворяется в смесях азотной и плавиковой кислот, в царс­кой водке (смесь НN0₃ и HCl). В расплавленном состоянии не активен, не реагирует с кварцем, керамикой, не смачивает графит. Ge твердый, но хрупкий материал, легко раскалывается при ударе, изгибе. Германий не прозрачен для видимого света, а для ИК-лучей прозрачен при λ>1,8 мкм.

При Т > 600°С на воздухе Ge окисляется. Двуокись германия GeO₂ легко растворяется в воде и не может выполнять те функция, что SiO₂ на Si, поэтому планарные транзисторы на Ge выпол­няют при нанесении на его поверхность SiO₂.

Легирование Ge, т.е. процесс контролируемого введения необходимой примеси, осуществляется в результате диффузии этих примесей. Температура диффузии (700-900)°С. Наибольшей скоростью диффузии обладают Au, Al, Sb, а наименьшей растворимостью - Al, Ga, P, As. Чаще всего для получения областей p-типа про­водимости применяют акцепторы In, Ga, Al, а в качестве донорной примеси, т.е. для формирования областей n-типа проводимос­ти - Sb и As.

Термообработка Ge может существенно изменять его электриче­ские свойства. Если n-Ge нагреть до Т > 550°С, выдержать не­которое время, а затем быстро охладить (закалить), то изменится тип проводимости. Аналогичная термообработка для p-Ge приво­дит к снижению удельного сопротивления, без изменения типа про­водимости.

Подвижность носителей заряда в слабо легированном Ge при комнатной температуре сравнительно высока (см. таблицу 3.2). Это обусловливает его использование в ВЧ-диодах и транзисторах.

Области применения: НЧ- и ВЧ-транзисторы, мощные и маломощ­ные, туннельные диоды, варикапы, точечные ВЧ, импульсные и СВЧ-диоды, датчики Холла, фототранзисторы, фотодиоды для ИК-лучей, счетчики ядерных частиц.

Обозначение ПП приборов, изготовленных из Ge, начинается с буквы Г или цифры I, например, транзистор ГТ402, диод 1Д508.Мар­ка монокристаллического Ge в виде слитка: ГЭС 5г1-ж/30, где Г - германий; Э - электронный; С - легированный сурьмой; 5 - но­минал удельного сопротивления (5 Ом∙см); г - индекс группы по отклонению удельного сопротивления (15%); I - индекс группы по плотности дис­локаций (5.10⁴см^-3); ж - индекс группы по дополнительна требо­ваниям (ориентация слитка (100)); 30 - номинал диаметра слитка (30 мм).

25. Кремний: свойства и области применения.

Кремний в отличие от Ge является одним из самых распростра­ненных элементов в земной коре (29,5%), занимая второе место по­сле кислорода. Кремний, как и Ge, темно-серого цвета, с метал­лическим блеском, твердый, хрупкий, хорошо шлифуется, полируется, но в отличие от Ge является легким веществом (плотность 2,33 г/см³).

Атомы в кристалле кремния расположены так просторно, а объем междоузельных пустот настолько велик (~75%), что при плавлении происходит не увеличение объема, как у всех металлов, а значительное, на 9%, его уменьшение.

Рыхлая, открытая структура и достаточно сильная ковалентная связь - особенности строения кремния, которые объясняют многие его физико-химические свойства, приведенные ниже.

1. Оптимальное значение ширины запрещенной зоны, которая обусловила достаточно низкую концентрацию собственных носителей и высокую рабочую температуру.

2. Большой диапазон реально достижимых удельных сопротивлений в пределах от 10^-3 Ом∙см (вырожденный) до 1x 10⁵ (близкий к собственному).

3. Высокое значение модуля упругости, значительная жесткость (большая, чем, например, у стали).

4. Оптимально высокая температура плавления, следующая из высокого значения модуля упругости и энергии связи (Т_ПЛ = 1412°С).

5. Малая плотность (2,3 г/см³) и низкий ТКЛР 3 10^-6 К^-1.

6. Высокая теплопроводность (до 80 Вт/К∙м, что близко к коэффициенту теплопроводности железа).

7. Тензочувствительность - существенное изменение удельного сопротивления при упругой деформации.

8. Высокая растворимость примесей, причем примеси несильно искажают решетку кристалла.

В химическом отношении Si при комнатной температуре относи­тельно инертный материал. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами, а хорошо растворяется в смеси HN0₃ и НF и в кипящих щелочах. При нагревании на воздухе Si интенсивно окисляется с образованием SiO₂ при температурах выше 900°С, а при Т = (1100-1300)°С соединяется с азотом с образованием ни­трида кремния Si₃N₄.

26. Слабомагнитные вещества: парамагнетики, антиферромагнетики.

По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества разделяются на сильномагнитные и слабомагнитные. Если магнитная восприимчивость k_м «1, то это слабомагнитные вещества. К ним относят диамагнетики и парамагнетики, антиферромагнетики.

Парамагнетики – эти материалы в магнитном поле усиливают его внутри себя из-за того, что направление намагниченности совпадает с направлением внешнего поля. Атомы (ионы) этих веществ обладают магнитным моментом, в отсутствии поля они дезориентированы тепловым движением, а при намагничивании эти магнитные моменты выстраиваются по направлению поля. К парамагнетикам относятся Al, Pt, Pd, Ca, Mg, Mn, Na, соли Fe, Ni, Co и др.

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя магнитное поле, которое действует извне, из-за того, что намагниченность направлена против внешнего поля. Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения e^- при внесении атома в магнитное поле. В данном случае проявляется закон электромагнитной индукции. Электронную орбиту рассматривают как замкнутый контур, под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. По закону Ленца этот момент направлен навстречу внешнему полю. Магнитная восприимчивость k_м < 0. К ним относятся Cu, Au, Ag, Pb, Zn, Hg, Ga и др. К диамагнетикам также относится ряд органических соединений. Диамагнетиками являются вещества в сверхпроводящем состоянии.

Антиферромагнетики – это кристаллические вещества, в которых магнитные моменты атомов (ионов) в соседних узлах кристаллической решетки ориентированны антипараллельно. Под действием внешнего магнитного поля антиферромагнетики приобретают слабую намагниченность. Повышение t° до температуры, называемой точкой Нееля, приводит к потере намагниченности и переходу в парамагнитное состояние. Антиферромагнетики – Cr, NiF₂, FeF₂, NiO.

С точки зрения технического применения наибольший интерес представляют сильномагнитные вещества k_м» 1 (ферромагнетики и ферримагнетики).

27. Сильномагнитные вещества: ферромагнетики.

Ферромагнетики характеризуются:

а) Способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (k_м = 10³…10⁴).

б) Выше определённой температуры (температуры Кюри T_к) ферромагнетики переходят в парамагнетики, т.е. магнитная восприимчивость снижается на 3-4 порядка.

К ферромагнетикам относят гадолиний (T_к=18°С), железо (769°С), кобальт (1131°С), никель (358°С).

Ферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние микроскопических объёмов вещества, в которых магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково сориентированы. Эти объёмы (домены) обладают магнитным моментом даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля (рисунок 5.1).

Если тело состоит из нескольких доменов, при образовании замыкающих доменов магнитный поток замкнут внутри тела, за его пределами магнитное поле равно нулю.

Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов имеет порядок от 10^-2 до 10^{-5 см.}

Рисунок 5.1 Рисунок 5.2

Доменная структура магнитных Основная кривая намагничивания

материалов:1- Замыкающие домены ферромагнетика

2- Основные домены

Магнитным гистерезисом называется явление отстава­ния изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля (рисунок 5.4). При уменьшении Ндо нуля в об­разце остается остаточная индукция В_г.Если направление поля изменить на противоположное и начать его увели­чивать, то можно уменьшить индукцию до нуля. В этом случае значение Н_еназывается коэрцитивной (задерживаю­щей) силой.

Рисунок 5.4-Петля магнитного гистерезиса

Значение индукции насыщения определяется в поле H_s, которое принимается равным 5 Н_с. Кривая изменения индукции при изме­нении напряженности внешнего магнитного поля от + Н_с до — Н_cи обратно называется предельной петлей гистерезиса, которая является важной характеристикой материала, на ее основе можно определить основные параметры материала — коэрцитивную силу Н_c, индукцию насыщения B_s, остаточную индукцию В_rи др. По значению коэрцитивной силы материалы делятся на магнитомягкие (с малым значением Н_с и большой магнитной проницаемостью) и магнитотвёрдые (с большой коэрцитивной силой). Для магнитотвёрдых материалов желательно, с точки зрения применения, чтобы площадь петли гистерезиса была как можно больше. Магнитотвёрдые материалы обладают широкой петлёй гистерезиса.

 

28. Пермаллои: виды, свойства и области применения.

Они относятся к магнитомягким материалам, об­ладающим высокой магнитной проницаемостью в слабых полях, и представляют собой же- лезоникелевые сплавы. Такие сплавы характеризуются тем, что магнитная анизотропия и магнитострикция практически отсутствуют; это является одной из причин особенно легкого намагничивания пермаллоев. Пермаллои подразделяются на высоконикелевые (72…80 % никеля) и низконикелевые (40…50 % никеля).

В настоящее время в большей мере используются сплавы, леги­рованные молибденом, хромом, медью, марганцем, кремнием, а также другими элементами. Клас­сический пермаллой с концентрацией никеля 78,5 % имеет наиболь­шее значения m_max и m_н. Высокие магнитные свойства классиче­ского пермаллоя получаются в результате высокотемпературного отжига при 1300°С в чистом сухом водороде и длительном отпуске при 400…500 °С.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей в сплаве. Отрицательно на свойства пермаллоев влияют примеси, которые не образуют твердых раство­ров со сплавом, такие, как углерод, сера и кислород; кроме того, свойства резко изменяются от режимов термообработки.

Из железоникелевых сплавов с высокой магнитной проницаемостью можно выделить следующие группы:

1) Нелегированные низконикелевые пермаллои - марки 45 Н и 50 Н (содержание никеля 45 и 50 %);

2) Сплавы, обладающие текстурой и прямоугольной петлёй гистерезиса, - 50 НП, 65 НП, 34 НКП;

3) Низконикелевые пермаллои (50% Ni), легированные хромом и

кремнием, - 50 НХС;

4) Высоконикелевые пермаллои легированные соответственно

молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью, - 79 НМ, 80 НХС, 76 НХД.

Все сплавы содержат в неболь­ших количествах марганец и крем­ний. В марках пермаллоев буква Н означает никель, М-марганец, X-хром, Д-медь, К-кобальт, С-кремний, П-прямоугольную петлю гистерезиса. Сплавы с улуч­шенными свойствами обозначают дополнительно буквой У.

Недостатками пермаллоев являются их относительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механиче­ских напряжений.

Альсифер — тройной сплав, состоящий из алюминия, кремния и железа. Сплав оптимального состава (9,6 % Si, 5,4 % А1, осталь­ное Fe) по своим свойствам не отличается от пермаллоев и имеет следующие характеристики: m_н = 35500, m_max 120000, Нс=18 А/м, р = 0,8 мкОм×м. Альсифер получают как литой, нековкий материал, с высокой твердостью и хрупкостью, поэтому изделия из альсифера изготовляются методом литья с толщиной стенок не менее 23 мм. Область применения альсифера - магнит­ные экраны, корпуса приборов машин, детали магнитопроводов для работы в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях.

Материал с особо высокой индукцией насыщения — сплав пермендюр, который со­стоит из 30…50 % кобальта, 1,5…2 % ванадия и остальное же­лезо. Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферромаг­нетиков индукцией насыщения до 2,43 Тл.

К числу недостатков перпендюра относится малое удельное электрическое сопротивление, которое приводит к значительным потерям на вихревые токи при работе в переменных магнитных полях.

 

29. Ферриты: достоинства, свойства и области применения.

Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротив­лением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 10³…10¹³ раз, и, следовательно, они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использо­вать их в высокочастотных электромагнитных устройствах. Химиче­ский состав ферритов с высокой магнитной проницаемостью может быть записан химической формулой MeO×Fe₂O₃ или Me²⁺Fe₂³⁺+O₄^2- где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мп²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺ и др. Ионы двухвалентного метал­ла характеризуют феррит, который получает название по ха­рактеризующему металлическому иону, например NiFe₂O₄ -никелевый феррит, ZnFe₂O₄ — цинковый феррит. Кристалли­ческая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала — благородной шпинели MgAl₂O₄, поэтому их называют ферритами со структурой шпинели или феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой плотнейшую упа­ковку образуют относительно большие ионы кислорода (ионный ра­диус 0,132 нм). Металлические ионы, имеющие меньший ионный радиус (0,04…0,1 нм), располагаются в промежутках (узлах) меж­ду ионами кислорода.

Распределение ионов двух- и трехвалентного металла по узлам кристаллической решетки оказывает существенное влияние на магнитные свойства ферритов.

Решетку можно представить как состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток A и В в узлах, которых находятся ионы металлов, причем внутри подрешеток магнитные моменты ионов оказываются параллельны друг другу. Таким образом, суммарная намагничен­ность феррита может быть представлена как разность намагниченностей подрешеток.

Если намагниченности подрешеток неодинаковы, как это на­блюдается в случае ферритов, возникает спонтанная намагничен­ность.

При повышении температуры магнитное упорядочение разруша­ется и спонтанная намагниченность уменьшается. Зависимость спонтанной намагниченности феррошпинелей с увеличением тем­пературы в большинстве случаев монотонно убывающая и аналогич­на зависимости для металлических магнитных материалов.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердеч­ников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных ан­тенн, статоров и роторов высокочастотных небольшой мощности электрических моторов, деталей отклоняющих систем телевизион­ной аппаратуры.

Наиболее распространенными промышленными магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов следую­щих видов:

а)Никель-цинковые, представляющие твердые растворы ни­келевого феррита NiFe₂O₄, и феррита цинка ZnFe₂O₄.

б)Марганец-цинковые, представляющие собой твердые растворы марганцевого феррита MnFe₂O₄ и цинкового феррита ZnFe₂O₄. Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области ча­стот 1 МГц, чем никель-цинковые ферриты, что объясняется меньши­ми потерями на гистерезис. Кроме того, марганец-цинковые ферриты имеют более высокие температуру Кюри и индукцию насыщения. Не­достатком марганец-цинковых фер­ритов является меньшее значение рабочей частоты (до нескольких мегагерц), в то время как никель-цинковые ферриты работают до 100 МГц;

в) Литиевые ферриты типа LiFe₂O₄, имеют наиболее высокую индук­цию насыщения и используются на частотах до 200 МГц.

Для оценки допустимого частотного диапазона, где может использоваться ферритовый материал, вводят понятие кри­тической частоты f_кр, тангенс угла магнитных потерь при которой достигает значение 0,1.