Полупроводниковые химические соединения кратко
Обновлено: 02.07.2024
Двойные полупроводниковые химические соединения принято обозначать по номеру группы компонентов в периодической системе Менделеева: А IV В IV , А III В V , А II В VI , А IV В VI .
4.5.1. Полупроводниковые соединения А IV В IV
Единственным представителем группы соединений А IV В IV является карбид кремния SiС . Это соединение имеет две полиморфные модификации:
• β-SiС с кубической решеткой типа алмаза ( T ° С);
• α -SiС с гексагональной решеткой ( T > 2000 ° С).
Основные свойства карбида кремния:
• преимущественно ковалентный тип связи;
• высокая твердость, химическая стойкость и нагревостойкость;
• нелинейная вольтамперная характеристика;
• способность к люминесценции в видимой части спектра;
• большая ширина запрещенной зоны, низкая подвижность носителей заряда (табл. 16), примесное ρ = 0,03…0,15 Ом см.
Cвойства карбида кремния
Период решетки, нм
Ширина запрещенной зоны Э, эВ
Подвижность электронов μ n , м 2 /В·с
Подвижность дырок μ p , м 2 /В·с
Температура возгонки, ° С
Получение карбида кремния. Исходным сырьем является кварцевый песок SiO 2 . Технический карбид кремния получают восстановлением двуокиси кремния углеродом в электропечах:
Кристаллы SiС полупроводниковой чистоты получают методом возгонки в печах с графитовыми нагревателями в атмосфере аргона при Т = 2400…2600 ° С.
Керамический карбид кремния получают из порошка SiC со связующими (глиной, полевым шпатом, жидким стеклом), прессованием и обжигом при Т = 1000 ° С.
Формирование проводимости в SiС. Карбид кремния ис-
пользуется, главным образом, с примесной проводимостью (собственная проводимость возможна только при Т > 1400°C).
Легирующие элементы V группы (N, P, As, Sb, Bi) являются донорами и дают зеленый SiC n- типа. Элементы II группы (Ca, Mg) и III группы (B, Al, Ga) являются акцепторами и дают SiС р- типа, голубого, фиолетового, в толстых слоях - черного цвета. Электрически активными являются собственные избыточные атомы: избыток кремния создает проводимость n -типа, избыток углерода - проводимость p -типа.
Применение карбида кремния:
• светодиоды в видимой части спектра на монокристаллическом гексагональном SiС. В зависимости от типа и концентрации примеси можно получить свечение от красного до фиолетового. Наиболее высокой стабильностью излучения обладают желтые светодиоды, получаемые путем диффузии бора в SiС n -типа, легированные азотом. Они используются в качестве эталонных;
• мощные выпрямительные диоды и полевые транзисторы с рабочей температурой до 700 ° С;
• счетчики частиц высокой энергии, способные работать в агрессивной среде;
• нелинейные резисторы (варисторы) на керамическом SiС, применяются в системах автоматики, вычислительной техники, приборостроении для стабилизации токов и напряжения, защиты линий электропередач;
Простые полупроводники не всегда отвечают требованиям современного производства полупроводниковых приборов. Для создания материалов с различными свойствами используют сложные неорганические и органические полупроводниковые соединения.
1) Сложные полупроводники типа А IV B IV
Единственным двойным соединением элементов IV группы в твердой фазе является соединение кремния с углеродом - карбид кремния SiC. Имеет большую ширину запретной зоны, тверд, способен к люминесценции в видимой части спектора.
Используют для создания полупроводниковых приборов, работающих при температурах до 700 0 С, применяют для серийного выпуска варисторов (нелинейных сопротивлений), светодиодов, выпрямителей и туннельных диодов.
2) Сложные полупроводники типа А III B V
Химические соединения металлов III группы (бор, индий, галлий, алюминий) с элементами Vгруппы (азот, фосфор, сурьма, мышьяк) .
Ширина запретной зоны измеряется в широких пределах, имеют высокую подвижность электронов, поглощают электромагнитное излучение, обладают фотопроводимостью, самопроизвольным и вынужденным излучением.
Используют для создания высокочастотных полупроводниковых приборов, туннельных диодов, датчиков низких температур и т.д.
3) Сложные полупроводники типа А II B VI
Двойные соединения халькогенов (сера, селен, теллур) с металлами II группы (цинк, кадмий, ртуть). Соединения с халькогенами (сульфиды, селениды, теллуриды) называют халькогенидами.
Ширина запретной зоны от 3,7эВ до 0,02эВ, температура плавления от 1830 до 670 0 С, обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, ярко проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства, широкий диапазон электропроводность: от малых значений до высоких.
Используют для изготовления пленок обладающих высокимпьезомодулем, в качестве люминофоров (вещества, преобразующие поглощенную ими энергию в световое излучение) для всех видов люминесценции, как материалы для фоторезисторов.
4) Сложные полупроводники типа А IV B VI
Халькогениды свинца: сульфид свинца, селенид свинца, теллурид свинца.
Не растворяются в воде, медленно окисляются на воздухе, при низких температурах проявляется излучательная рекомбинация носителей заряда, обладают фоторезистивными свойствами.
Используют для создания лазеров инфракрасного диапазона, полупроводниковых пленок и термоэлементов.
5) Сложные полупроводники типа А V 2B VI 3
Обладают высокой проводимостью и фоточувствительностью.
Используют для изготовления фотопроводящих мишеней, передающих телевизионных пленок.
6) оксидные полупроводники– бинарные соединения полярного типа, в которых ясно различаются металлический и неметаллический (металлоидный) компоненты и которые могут рассматриваться как ионные соединения (закись меди, оксид цинка, двуокись титана, оксид железа, оксид никеля).
Преимущество оксидных полупроводников – технология их изготовления сравнительно проста. Смеси оксидов используют для изготовления терморезисторов (термисторов) с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления, фоторезисторов, варисторов, сопротивление которых сильно зависит от приложенного напряжения.
7) стеклообразные полупроводники – неорганические стекла. Стеклообразность – особый вид аморфного вещества, имеющего механические свойства сходные с твердыми кристаллическими веществами. Примесная проводимость отсутствует.
Полупроводниковыми свойствами обладают как кислородосодержащие стекла, так и бескислородные халькогенидные стекла.
Не достаточно изучены и не нашли широкого применения.
8) органические полупроводники
Имеют в структуре твердые органические полупроводниковые ароматические кольца с сопряженными связями. Подвижность носителей заряда ниже чем у германия, эластичные, способные образовывать пленки и волокна, являются высокопрочными материалами. Фотопроводимость растет с увеличением освещенности и температуры.
Делят на пять групп:
Применяют для изготовления терморезисторов с высокой температурной стабильностью пьезоэлемента, резонансных контуров в интегральных схемах радиационных дозиметров, квантовых генераторов, тензодатчиков с высокой чувствительностью, приборы на основе органических полупроводников, отличаются высокой механической и климатической устойчивостью.
Лекция 16, 17. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Обладают способностью при внесении в магнитное поле намагничиваться, часть из них сохраняют намагниченность при прекращении воздействия магнитного поля.
- петля гистерезиса
О поведении ферромагнитных материалов в магнитном поле судят по зависимости В от Н, характеризующей процесс намагничивания и размагничивания материала .
Если по катушке с ферромагнитным сердечником пропустить переменный ток, то этот сердечник будет периодически перемагничиваться.
Допустим, что кольцевой сердечник не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. магнитная индукция В=0,Тл и напряженность Н=0, А/м (начало координат). При увеличении тока в катушке магнитная индукция в сердечнике возрастет до индукции насыщения Вmax в (.) а, кривая 1. При уменьшении тока индукция уменьшается до (.) b, кривая 2. При увеличении тока в противоположном направлении магнитное поле катушки компенсирует магнитное поле созданное доменами в сердечнике. При напряженности Нс результирующая магнитная индукция станет равна нулю (.) с, кривая 3. При дальнейшем увеличении тока в катушке произойдет перемагничивание сердечника, т.е. векторы намагниченности повернуться на 180 градусов и индукция В достигнет вновь своего насыщения, т.е. max (.) d, кривая 4. При дальнейшем уменьшении силы тока до нуля индукция уменьшится до своего остаточного значения (.) е, кривая 5. При увеличении тока в противоположном направлении произойдет намагничивание сердечника до исходного состояния (.) а, кривые 6 и 7. При изменении направления намагничивающего тока, а следовательно, и направления напряженности поля и постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля достигнет значения Нс, называемого коэрцитивной силой, при которой магнитная индукция В=0. Коэрцитивная сила влияет на площадь петли ‒ чем больше площадь петли, тем больше потери мощности на перемагничивание (гистерезис) .
- кривая намагничивания – показывает зависимость намагниченности (М, А/м) или магнитной индукции (В, Тл) материала от напряженности внешнего поля (Н, А/м).
В=μ 0М, μ0=4π∙10 -7 Гн/м - магнитная постоянная.
Кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании и отражает изменение магнитной индукции Вв зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании.
Зависимость В от Н технически чистого железа
Магнитная напряженность материала является разницей между магнитными напряженностями внешнего Нв (напряженность внешнего поля, при замкнутой цепи равна напряженности магнитного поля в материале) и размагничивающего Нр (в разомкнутой магнитной цепи на концах материала появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле) полей.
Участки кривой намагничивания: I - процесс смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов, II – поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля, III – завершение процесса намагничивания (сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика).
- магнитная проницаемость.
Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости μ а(Гн/м) и относительной магнитной проницаемости μ 0(μ 0=1,257 мкГн/м).
Подставляя в формулу В и Н, получают различные виды магнитной проницаемости.
Относительную магнитную проницаемости материала получают по основной кривой намагничивания, ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1А/м).
В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.
- потери энергии при перемагничивании
Необратимые потери электрической энергии, выделившийся в материале в виде тепла.
Потери на перемагничивание магнитного материала:
- потери на гистерезис – создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.
Потери на гистерезис:
где а – коэффициент, зависящий от свойств и объема материала; f - частота тока, Гц.
Рвт(превосходят потери на гистерезис при высоких частотах) – вызываются частично вихревыми токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля, которые также рассеивают энергию:
где b – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.
Рп – потери на последействие (зависят от состава и термической обработки магнитного материала, появляются на высоких частотах), связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Потери на последствие (магнитную вязкость) необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.
Полупроводниковые химические соединения , соответствующие общим формулам, составлены из элементов различных групп таблицы Д. И. Менделеева, например: ( AIVBIV-SiC; AIIIBV - GaAs; InSb; AnBVI - CdS; SnSe), а также из некоторых оксидов ( например, Cu2O) и веществ сложного состава. [1]
Из полупроводниковых химических соединений следует указать еще на оксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, дальтониды. [2]
Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимают не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные по стехнеметрическому составу атомы тех самых элементов, которые входят в химическую формулу самого соединения. [3]
Полупроводниковые материалы подразделяют на простые полупроводники, полупроводниковые химические соединения и многофазные полупроводниковые материалы. [4]
Применяемые в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на полупроводниковые элементы, полупроводниковые химические соединения и сплавы, полупроводниковые комплексы ( керамические полупроводники), а также стеклообразные и жидкие полупроводники. [6]
Все модификации фосфора обнаруживают фотопроводимость. Фосфор входит в качестве компонента в полупроводниковые химические соединения . [7]
При изготовлении монокристаллов соединений AlnBv основной является операция синтеза. Под синтезом понимают химическую реакцию, в ходе которой из исходных веществ образуется полупроводниковое химическое соединение . В зависимости от состояния исходных веществ методы синтеза подразделяют на прямые и косвенные. При прямом синтезе исходные вещества являются компонентами синтезируемого соединения. При косвенном синтезе хотя бы одно из исходных веществ представляет собой химическое соединение. Синтезируемый материал выделяется при прямом синтезе обычно в результате процесса направленной кристаллизации расплава, позволяющего получать конечный продукт в виде крупных объемных кристаллов. В методах косвенного синтеза широко используются газотранспортные реакции, лежащие в основе получения эпитаксиальных слоев. [9]
Биполярные транзисторы, рассмотренные нами в разделе 3.2, и МОП-транзисторы, описанные в разделе 3.3, являются основными функциональными элементами кремниевых СБИС. Для повышения быстродействия БИС в настоящее время ведутся исследования и разработки по созданию интегральных схем на основе полупроводниковых химических соединений . Эти исследования находятся пока в стадии опытного производства в лабораторных условиях. МОП-транзисторы в БИС на GaAs практически не используются, так как на поверхности кристалла GaAs трудно сформировать изоляционный слой с хорошими электрофизическими параметрами. Кроме ЗШП-транзисторов в схемах на GaAs используют также полевые транзисторы, у которых затвором служит pn - переход. Технология изготовления ЗШП-транзисторов очень проста. Поэтому такие приборы обладают высокой надежностью при низком уровне шума, и их используют в качестве усилительных СВЧ-эле-ментов в очень широком частотном диапазоне, не достижимом для кремниевых биполярных транзисторов. [10]
В третьем издании справочника приводятся сведения о магнитных материалах, металлических проводниках электрического тока, растворах электролитов, полупроводниках и управляемых диэлектриках. Расширены разделы, относящиеся к таким материалам, как магнитные монокристаллы и аморфные магнетики, активные вещества твердотельных лазеров, сверхпроводники, электролюминофоры, электреты, полупроводниковые химические соединения . [11]
Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!
Полупроводники условно делятся на простые вещества (элементарные полупроводники) и их химические соединения (сложные полупроводники). В настоящее время известны кристаллические модификации тринадцати химических элементов, имеющих химические свойства полупроводников. Все они находятся в главных подгруппах III-VII групп периодической системы химических элементов, а именно:
Как было выше указано, всех их связывает ковалентная или близкий к ковалентной характер химической связи. Ширина запрещенной зоны зависит от энергии этих связей и структуры кристаллической решетки. Структура элементарных полупроводников подчиняется так называемому "правилу октета", согласно которому каждый атом имеет ближайших соседей. Например, координационные числа Si и Ge = 4.
Широкое применение на современном этапе имеют различные полупроводниковые соединения типа. AIVBIV, AIIIBV, AIIBIV и др., в кристаллической решетке которых на каждый атом приходится такое же число электронов, как и в кристаллах простых вещества IV группы, т.е. с тетраэдрической структурой, например. GeAs, InSb, AgI. Полупроводниковые свойства имеют так называемые изоэлектронных соединения, например. AlSb, GaSb, InSb (связь в этих соединениях имеет ионно-ковалентная характер). В последнее время широкое распространение получили полупроводниковые материалы на основе оксидов. Cu2O, Fe2O3, MgO, сульфидов. PbS, ZnS, селенидов. PbSe, HgSe; теллурида. PbTe, Bi2Te3. Большую роль играют сложные системы полупроводников. CdTe-HgTe; PbTe-SnTe, стекловидные сплавы, органические полупроводники типа бутадиен, хлорофилл и многие другие вещества.
Читайте также: