Раздел 5. Магнитные материалы.

Назначением магнитных материалов, используемых в радиоэлектронике, является придание особых свойств элементам радиоэлектронных устройств, для создания устройств обладающим запасом энергии, а также использование их в качестве конструкционных материалов.

Например:

1.   Магнитные материалы используются для усиления (увеличения) магнитного поля в катушках индуктивности, что приводит к увеличению индуктивности.

2.   В громкоговорителях, для создания движения диффузора, который приводится в движении при взаимодействии переменного поля катушки и постоянного поля магнита и создает колебание воздуха.

3.   В электроизмерительных приборах, где поле рамки взаимодействует с постоянным магнитом (полем) и рамка отклоняется на тот или иной угол, фиксирует величину тока, протекающую через обмотку рамки.

4.   В магнитных головках магнитофонов, в отклоняющих устройствах и фиксирующих в ЭЛТ, в магнитных усилителях, двигателях, в устройствах памяти, переключающих устройствах и.т.д.

         Кроме этого магнитные материалы используются для изготовления экранов (электромагнитных) и многих конструкционных элементов, начиная от шасси и кончая корпусами, кожухами, каркасами.

Если в первом случае используются их электрические свойства, то во втором случае используются их механические свойства: хорошая обрабатываемость, твердость, жесткость и.т.д.

 

5.1 Классификация магнитных материалов.

Все вещества в природе взаимодействуют с внешним магнитным полем, но каждое вещество по-разному. Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп, но основное определяющее влияние оказывают электроны, их магнитные моменты. Степень взаимодействия вещества с магнитным полем определяется безразмерной величиной – магнитной восприимчивостью. Коэффициент магнитной восприимчивости km=, где М – это намагниченность вещества,

Н – напряженность магнитного поля.

Все вещества, по отношению к магнитному полю, поведению в нем, разделяются на следующие группы:

1.           Слабомагнитные вещества, у которых km .

1.1 Диамагнетики – материалы, не имеющие постоянного магнитного дипольного момента.  km  К ним относятся: инертные газы (Nе, Аr, Кr, Хе), водород (H2); медь (Сu), цинк (Zn), серебро (Аg), золото (Au), сурьма (Sb) и др.

1.2 Парамагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные моменты, но расположены они беспорядочно, поэтому взаимодействие между ними очень слабое.

  km К парамагнетикам относятся следующие материалы: кислород (О2), алюминий (Al), платина (Рt), щелочные металлы, соли железа, никеля, кобальта и др.

2.           Сильномагнитные вещества, у которых   km

2.1 Ферромагнетики – материалы, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, доменную структуру. В каждом домене они параллельны друг другу и одинаково направлены, поэтому взаимодействие между ними очень сильное. km=103-105.

К ним относятся: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со), многие сплавы, редкоземельные элементы: самарий (Sm), гадолиний (Gd) и др.

2.2 Ферримагнетики – материалы, получившие название от сложных оксидных материалов. Это соединение оксида железа с оксидами других металлов.

К ферримагнетикам относятся ферриты, их можно назвать оксиферрами, так как они представляют собой, окислы двухвалентных металлов с Fe2O3. Общая формула феррита [MeO Fe2O3], где Ме – двухвалентный металл.

5.2 Магнитные характеристики материалов.

1.                     Абсолютная магнитная проницаемость  μа.

μа=, где В – магнитная индукция,

Н – напряженность магнитного поля.

Применяется при расчетах магнитных цепей и магнитопроводов.

2.                     Относительная магнитная проницаемость μ.

  μ=,где μо – магнитная постоянная, которая характеризует магнитное поле в вакууме = 1.257 мкГн/м.

Применяется для оценки свойств материалов. Чем больше значение μ, тем интенсивнее и быстрее намагничивается материал.

3.                     Температурный коэффициент магнитной проницаемости.

ТКμ = .

4.                     Температура Кюри (Тк), при которой магнитная проницаемость резко снижается, практически до 0. Процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения молекул и ферромагнетики становятся парамагнетиками.

Тк для Fe= 768о; Тк для Ni = 358о; Тк для Сo = 1131о.

5.                     Петля гистерезиса.

 

Рис. 4.3. Петля гистерезиса

 

Основными параметрами являются:

1) остаточная индукция, после снятия напряженности поля – Вr;(Н=0)

2) коэрцитивная сила Нс – напряженность, которую нужно приложить к образцу, чтобы снять остаточную индукцию (В=0). Чем больше величина Нс, тем в меньшей степени материал размагничивается.

3) максимальная индукция Bmax, которая достигается при полном насыщении образца;

4) удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, которые характеризуются площадью, охватываемой петлей гистерезиса. Это потери, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала (Вт/кг).

6. Потери энергии на вихревые токи. Зависят не только, от магнитных, но и от электрических свойств материала, а также от формы и конструкции магнитного сердечника.

Для уменьшения потерь на вихревые токи, особенно на высоких частотах, магнитопроводы изготавливают из материала повышенного удельного сопротивления, используют тонкие пластины, изолированные друг от друга.

 

 

5.3 Магнитомягкие материалы.

  Для использования на низких частотах магнитомягкие материалы должны обладать низкой коэрцитивной силой, малыми потерями на гистерезис, высокой магнитной проницаемостью. Используются они в тех случаях, когда необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. Из них изготавливают сердечники трансформаторов, электромагнитов, измерительных приборов.

         К низкочастотным магнитомягким материалам относятся:

1. Технически чистое железо – содержит небольшие примеси углерода (<0,1%), серы, марганца, кремния и др., ухудшающие свойства.

μ =4000; Нс=8 А/м; В25=1,65 Тл.

2. Электротехническая сталь – сплав Fe c Si (0,5 – 5%).

Введение примесей:

·  повышает удельное сопротивление (http://www.radioforall.ru/images/stories/radiomat/lect/Image169.gif=6*10-5 Ом*см), что снижает потери на вихревые токи

·  способствует выделению углерода в виде графита, что увеличивает http://www.radioforall.ru/images/stories/radiomat/lect/Image170.gif, уменьшает Нс и снижает потери на гистерезис.

·  Снижается магнитострикция и анизотропия, строение приобретает крупнозернистую структуру. С ростом содержания кремния снижается индукция В5, повышается хрупкость и твердость.

         Горячекатанные (листы толщиной 0,35 – 1 мм).

Для f=50 и 400 Гц и 0,1 - 0,2 для повышенных частот. Удельные потери возрастают с ростом индукции и частоты. Магнитные свойства снижаются под действием внутренних напряжений, поэтому их подвергают отжигу после штамповки магнитопроводов. Используют для генераторов, двигателей и трансформаторов на частоты 50 и 400 Гц.

Холоднокатанные.

При холодной прокатке зерна получают преимущественную ориентацию наз. текстурой проката. Возникающие напряжения снимаются отжигом.

Холоднокатанная сталь – анизотропна – при намагничивании по направлению прокатки магнитные свойства выше, чем по другим направлениям. Обладает более высокой индукцией и меньшими потерями.

3.                     Пермаллои.

Сплав Fe – Ni. Легированные хромом, молибденом, кремнием, медью. Обладают высоким удельным сопротивлением, магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Делятся на:

высоконикелевые(до 72 – 80% Ni)

низконикелевые (до 40 – 50% Ni)

у высоконикелевых в несколько раз больше, а индукция насыщения в 1,5 раза меньше.

Сравнение:

Низконикелевые - μмах до 45000, В3 = 1,5 Тл, r =45*10-6 Ом*см;

высконикелевые - μмах до 150000, В3 = 75 Тл, r =9*10-6 Ом*см;

Разница в свойствах и их четкое использование: высоконикелевые используются на постоянном токе, низконикелевые в переменных полях повышенной частоты.

Магнитные и электрические свойства зависят от химического состава, поэтому плавку ведут в вакууме или в составе нейтрального газа.

4. Пермендюр.

Сплав Fe – Co (50%) – ванадий (1,8%). Обладает высокой индукцией насыщения В3 = 2,45 Тл. При введении кобальта изменяется расстояние между атомами и увеличивается при намагничивании суммарно ММ в единице объема.

Использование: сердечники в измерительных приборах, работающие с подмагничиванием, в магнитных осциллографах, в динамических громкоговорителях.

 

 

 

5.4 Магнитотвердые материалы.

К ним относят материалы с большой Нс, составляющей десятки тысяч – сотни тысяч А/м. Наличие высокой Нс объясняется существованием изолированных намагниченных доменов среди слабомагнитной фазы, возникающих в процессе охлаждения. Процессы смещения в них затруднены и перемагничивание возможно только с помощью процессов вращения. Исследование показывает, что достаточно небольшое количество изолируемых намагниченных частиц, чтобы была велика Нс.

Применение:

·  для изготовления постоянных магнитов

·  материалы для записи и длительного хранения информации

 По составу:

·  легированные стали, закаленные на мартенсит

·  литые магнитотвердые стали

·  магниты из порошков

·  магнитотвердые ферриты

·  неметаллическая и металлическая лента и проволока для записи звука.

 

5.5 Ферриты

Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe2O4, где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu,  Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl2O4.  Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

MnO*ZnO x 2Fe2O3 - марганцево-цинковый феррит;

Nio*ZnO x 2Fe2O3 - никель-цинковый феррит;

MgO*MnO*2Fe2O3 - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10-109  Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.
Ферриты делятся на три подгруппы:

а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;

б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;

в) ферриты со специальными свойствами.

Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к.  никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е.  для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.

Благодаря своим свойствам ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле, сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек),  запоминающих и переключающих цепей и т.п.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные параметры магнитных материалов.

2. Чем принципиально отличаются магнитомягкие от магнитотвердых материалов?

3. Ферриты. Основные характеристики и применение.

 

.

.

Тема урока: Применение полупроводниковых  материалов в 

                       электронной  технике.

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесный атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

. В современном понимании полупроводниковая техника стала бурно развиваться в середине XX века. Создателями первого транзистора, в 1947 году, стали американцы (Прил. 1) Дж. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли. Их открытие стало началом полупроводниковой эры.

самое замечательное событие произошло на пороге нового тысячелетия. В 2000 году академик  Ж.И.Алферов удостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году - за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий, в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытие идеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых биполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.

 Гетерострукту́ра — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны.

Планарная технология — совокупность технологических операций, используемых при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. 

Развитие современной полупроводниковой электроники и переход к наноэлектронике, связаны с использованием полупроводниковых наноматериалов и нанотехнологий. Их применение в наноэлектронике приведет к созданию наноструктурных микропроцессоров, увеличению пропускной способности каналов связи, появлению нового поколения роботизированных систем, новые возможности предоставятся при объединении устройств наноэлектроники с наноструктурными сенсорами и т.д. Развитие наноэлектроники предусматривает использование в достижениях физики квантоворазмерных систем и включает применение нанотехнологий, которые обладают атомной точностью при получении полупроводниковых наноструктур с необходимым химическим составом и конфигурацией и включают методы комплексной диагностики наноструктур, в том числе контроль в процессе изготовления и управление на этой основе технологическими процессами.

В производстве полупроводниковых приборов используют следующие виды полупроводниковых материалов: простые и сложные

Простые полупроводники.

Простыми называют п/п, основной состав которых образован атомами одного и того же элемента. Большинство п/п материалов являются твердыми кристаллическими веществами с решеткой типа алмаза. К простым п/п относятся:

1. Германий – элемент IV группы. Плотность – 5,35 г/м3 .  Температура плавления = 937оС.   Собственное удельное сопротивление r = 0,68 Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 0,75 эВ. Т.к. ширина запретной  зоны невелика, поэтому рабочая температура п/п приборов на основе германия не более +80оС. Отрицательная рабочая  температура не ниже  – 60о.

Все сорта германия обладают высокой твердостью и хрупкостью.

Для использования в производстве п/п элементов легируют донорными и акцепторными примесями.

Применяется для изготовления диодов и транзисторов различного назначения. Также применяют в производстве фотодиодов, фототранзисторов, варикапов и т.д.

Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов выпускают в виде слитков диаметром около 30мм. Маркируется германий следующим образом:

ГЭС-15, где Г- германий; Э – тип проводимости(электронная); С – легированный сурьмой;

Цифра обозначает удельное сопротивление, т.е. r = 15 ом*см.

ГДГ-7,5; германий с дырочной проводимостью, легированный галием,  r=7,5 ом*см.

2. Кремний – элемент IV группы. Плотность – 2,32 г/см3. Температура плавления = 1414оС. Собственное удельное сопротивление r = 2,3 * 103Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 1,12 эВ. Большая, чем у германия, величина запретной зоны позволяет создавать п/п приборы с верхним температурным пределом около 200оС. Кремний является базовым материалом для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Также из кремния выпускают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, биполярные транзисторы различной мощности.

Монокристаллический кремний маркируется следующим образом:

КЭФ-3/2,  где К – кремний; Э- электронная проводимость; Ф – легирован фосфором; r = 3 ом*см;      2 – время жизни заряда в мксек. 

3. Селен – элемент VI группы. Может существовать как в аморфной, так и в кристаллической модификации.       Аморфный селен является диэлектриком  его  удельное сопротивление r = 1012 ом*см., кристаллический полупроводником, удельное сопротивление которого уменьшается за счет введения примесей.

Для получения электронной проводимости вводят элементы  VII группы  -  бром, хлор, йод.

Для получения дырочной проводимости вводят элементы V группы – фосфор, сурьма, мышьяк.

Из селена изготавливают выпрямители, фоторезисторы, фильтры в приборах инфракрасного диапазона.

Сложные полупроводники.

Их основной состав образован двумя или более элементами. Наиболее широко в производстве РЭА применяются двойные соединения следующих типов:

1. АIVВ IV

Единственным соединением такого типа является карбид кремния  - SiC. Является очень прочным, твердым материалом с повышенной термостойкостью. Ширина запретной зоны составляет DW=3,2эВ. Большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния п/п элементы рабочая температура которых достигает 700оС.

2. АIIIВV

Это соединение бора, индия, галлия, алюминия (III гр.) с азотом, фосфором, сурьмой, мышьяком (Vгр.). Широко используются следующие материалы:

2.1 арсенид галлия GaAs. DW=1,4эВ. Применяется в производстве туннельных, импульсных, ВЧ- диодов, полевых транзисторов, элементов микросхемотехники.

2.2 фосфид галлия GaР DW=2,24эВ. Применяется в производстве мощных выходных транзисторов, светодиодов, солнечных батарей.

2.3 антимонид индия InSb. Обладает свойством изменять свое сопротивление при воздействии магнитного поля и обладает фоточувствительностью. Используют в датчиках магнитного излучения  и в производстве магниторезисторов.

3. АIIВVI

Это соединения цинка, кадмия, ртути (II гр) с серой селеном и теллуром (VIгр). Такие соединения называются халькогенидами. Все халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства. Широко применяются халькогениды цинка (сульфид, теллурид, селенид). Самым чувствительным фоторезистом в видимой части спектра сульфид кадмия.

Применяется в качестве люминофора, для изготовления дозиметров различного излучения, счетчиков частиц и т. д.

 Полупроводники: перспективы развития
3.1. Будущее за графеномОсновной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода. Графен состоит из одиночного слоя атомов углерода, собранных а гексагональную решетку (Прил. 8).
Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом кристалле, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Заключение
Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
Представляя информацию о полупроводниках, как о материалах, применяемых в электротехнических и электронных устройствах, можно сделать вывод о важности характеристик и о широте спектра их применения.
Полупроводниковые явления прочно закрепились в современной электронике и являются основой для развития полупроводниковой техники и технологий.

 

.

Тема урока: Применение полупроводниковых  материалов в 

                       электронной  технике.

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесный атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

. В современном понимании полупроводниковая техника стала бурно развиваться в середине XX века. Создателями первого транзистора, в 1947 году, стали американцы (Прил. 1) Дж. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли. Их открытие стало началом полупроводниковой эры.

самое замечательное событие произошло на пороге нового тысячелетия. В 2000 году академик  Ж.И.Алферов удостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году - за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий, в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытие идеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых биполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.

 Гетерострукту́ра — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны.

Планарная технология — совокупность технологических операций, используемых при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. 

Развитие современной полупроводниковой электроники и переход к наноэлектронике, связаны с использованием полупроводниковых наноматериалов и нанотехнологий. Их применение в наноэлектронике приведет к созданию наноструктурных микропроцессоров, увеличению пропускной способности каналов связи, появлению нового поколения роботизированных систем, новые возможности предоставятся при объединении устройств наноэлектроники с наноструктурными сенсорами и т.д. Развитие наноэлектроники предусматривает использование в достижениях физики квантоворазмерных систем и включает применение нанотехнологий, которые обладают атомной точностью при получении полупроводниковых наноструктур с необходимым химическим составом и конфигурацией и включают методы комплексной диагностики наноструктур, в том числе контроль в процессе изготовления и управление на этой основе технологическими процессами.

В производстве полупроводниковых приборов используют следующие виды полупроводниковых материалов: простые и сложные

Простые полупроводники.

Простыми называют п/п, основной состав которых образован атомами одного и того же элемента. Большинство п/п материалов являются твердыми кристаллическими веществами с решеткой типа алмаза. К простым п/п относятся:

1. Германий – элемент IV группы. Плотность – 5,35 г/м3 .  Температура плавления = 937оС.   Собственное удельное сопротивление r = 0,68 Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 0,75 эВ. Т.к. ширина запретной  зоны невелика, поэтому рабочая температура п/п приборов на основе германия не более +80оС. Отрицательная рабочая  температура не ниже  – 60о.

Все сорта германия обладают высокой твердостью и хрупкостью.

Для использования в производстве п/п элементов легируют донорными и акцепторными примесями.

Применяется для изготовления диодов и транзисторов различного назначения. Также применяют в производстве фотодиодов, фототранзисторов, варикапов и т.д.

Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов выпускают в виде слитков диаметром около 30мм. Маркируется германий следующим образом:

ГЭС-15, где Г- германий; Э – тип проводимости(электронная); С – легированный сурьмой;

Цифра обозначает удельное сопротивление, т.е. r = 15 ом*см.

ГДГ-7,5; германий с дырочной проводимостью, легированный галием,  r=7,5 ом*см.

2. Кремний – элемент IV группы. Плотность – 2,32 г/см3. Температура плавления = 1414оС. Собственное удельное сопротивление r = 2,3 * 103Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 1,12 эВ. Большая, чем у германия, величина запретной зоны позволяет создавать п/п приборы с верхним температурным пределом около 200оС. Кремний является базовым материалом для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Также из кремния выпускают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, биполярные транзисторы различной мощности.

Монокристаллический кремний маркируется следующим образом:

КЭФ-3/2,  где К – кремний; Э- электронная проводимость; Ф – легирован фосфором; r = 3 ом*см;      2 – время жизни заряда в мксек. 

3. Селен – элемент VI группы. Может существовать как в аморфной, так и в кристаллической модификации.       Аморфный селен является диэлектриком  его  удельное сопротивление r = 1012 ом*см., кристаллический полупроводником, удельное сопротивление которого уменьшается за счет введения примесей.

Для получения электронной проводимости вводят элементы  VII группы  -  бром, хлор, йод.

Для получения дырочной проводимости вводят элементы V группы – фосфор, сурьма, мышьяк.

Из селена изготавливают выпрямители, фоторезисторы, фильтры в приборах инфракрасного диапазона.

Сложные полупроводники.

Их основной состав образован двумя или более элементами. Наиболее широко в производстве РЭА применяются двойные соединения следующих типов:

1. АIVВ IV

Единственным соединением такого типа является карбид кремния  - SiC. Является очень прочным, твердым материалом с повышенной термостойкостью. Ширина запретной зоны составляет DW=3,2эВ. Большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния п/п элементы рабочая температура которых достигает 700оС.

2. АIIIВV

Это соединение бора, индия, галлия, алюминия (III гр.) с азотом, фосфором, сурьмой, мышьяком (Vгр.). Широко используются следующие материалы:

2.1 арсенид галлия GaAs. DW=1,4эВ. Применяется в производстве туннельных, импульсных, ВЧ- диодов, полевых транзисторов, элементов микросхемотехники.

2.2 фосфид галлия GaР DW=2,24эВ. Применяется в производстве мощных выходных транзисторов, светодиодов, солнечных батарей.

2.3 антимонид индия InSb. Обладает свойством изменять свое сопротивление при воздействии магнитного поля и обладает фоточувствительностью. Используют в датчиках магнитного излучения  и в производстве магниторезисторов.

3. АIIВVI

Это соединения цинка, кадмия, ртути (II гр) с серой селеном и теллуром (VIгр). Такие соединения называются халькогенидами. Все халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства. Широко применяются халькогениды цинка (сульфид, теллурид, селенид). Самым чувствительным фоторезистом в видимой части спектра сульфид кадмия.

Применяется в качестве люминофора, для изготовления дозиметров различного излучения, счетчиков частиц и т. д.

 Полупроводники: перспективы развития
3.1. Будущее за графеномОсновной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода. Графен состоит из одиночного слоя атомов углерода, собранных а гексагональную решетку (Прил. 8).
Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом кристалле, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Заключение
Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
Представляя информацию о полупроводниках, как о материалах, применяемых в электротехнических и электронных устройствах, можно сделать вывод о важности характеристик и о широте спектра их применения.
Полупроводниковые явления прочно закрепились в современной электронике и являются основой для развития полупроводниковой техники и технологий.

 

.

Тема урока: Применение полупроводниковых  материалов в 

                       электронной  технике.

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесный атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

. В современном понимании полупроводниковая техника стала бурно развиваться в середине XX века. Создателями первого транзистора, в 1947 году, стали американцы (Прил. 1) Дж. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли. Их открытие стало началом полупроводниковой эры.

самое замечательное событие произошло на пороге нового тысячелетия. В 2000 году академик  Ж.И.Алферов удостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году - за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий, в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытие идеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых биполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.

 Гетерострукту́ра — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны.

Планарная технология — совокупность технологических операций, используемых при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. 

Развитие современной полупроводниковой электроники и переход к наноэлектронике, связаны с использованием полупроводниковых наноматериалов и нанотехнологий. Их применение в наноэлектронике приведет к созданию наноструктурных микропроцессоров, увеличению пропускной способности каналов связи, появлению нового поколения роботизированных систем, новые возможности предоставятся при объединении устройств наноэлектроники с наноструктурными сенсорами и т.д. Развитие наноэлектроники предусматривает использование в достижениях физики квантоворазмерных систем и включает применение нанотехнологий, которые обладают атомной точностью при получении полупроводниковых наноструктур с необходимым химическим составом и конфигурацией и включают методы комплексной диагностики наноструктур, в том числе контроль в процессе изготовления и управление на этой основе технологическими процессами.

В производстве полупроводниковых приборов используют следующие виды полупроводниковых материалов: простые и сложные

Простые полупроводники.

Простыми называют п/п, основной состав которых образован атомами одного и того же элемента. Большинство п/п материалов являются твердыми кристаллическими веществами с решеткой типа алмаза. К простым п/п относятся:

1. Германий – элемент IV группы. Плотность – 5,35 г/м3 .  Температура плавления = 937оС.   Собственное удельное сопротивление r = 0,68 Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 0,75 эВ. Т.к. ширина запретной  зоны невелика, поэтому рабочая температура п/п приборов на основе германия не более +80оС. Отрицательная рабочая  температура не ниже  – 60о.

Все сорта германия обладают высокой твердостью и хрупкостью.

Для использования в производстве п/п элементов легируют донорными и акцепторными примесями.

Применяется для изготовления диодов и транзисторов различного назначения. Также применяют в производстве фотодиодов, фототранзисторов, варикапов и т.д.

Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов выпускают в виде слитков диаметром около 30мм. Маркируется германий следующим образом:

ГЭС-15, где Г- германий; Э – тип проводимости(электронная); С – легированный сурьмой;

Цифра обозначает удельное сопротивление, т.е. r = 15 ом*см.

ГДГ-7,5; германий с дырочной проводимостью, легированный галием,  r=7,5 ом*см.

2. Кремний – элемент IV группы. Плотность – 2,32 г/см3. Температура плавления = 1414оС. Собственное удельное сопротивление r = 2,3 * 103Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 1,12 эВ. Большая, чем у германия, величина запретной зоны позволяет создавать п/п приборы с верхним температурным пределом около 200оС. Кремний является базовым материалом для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Также из кремния выпускают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, биполярные транзисторы различной мощности.

Монокристаллический кремний маркируется следующим образом:

КЭФ-3/2,  где К – кремний; Э- электронная проводимость; Ф – легирован фосфором; r = 3 ом*см;      2 – время жизни заряда в мксек. 

3. Селен – элемент VI группы. Может существовать как в аморфной, так и в кристаллической модификации.       Аморфный селен является диэлектриком  его  удельное сопротивление r = 1012 ом*см., кристаллический полупроводником, удельное сопротивление которого уменьшается за счет введения примесей.

Для получения электронной проводимости вводят элементы  VII группы  -  бром, хлор, йод.

Для получения дырочной проводимости вводят элементы V группы – фосфор, сурьма, мышьяк.

Из селена изготавливают выпрямители, фоторезисторы, фильтры в приборах инфракрасного диапазона.

Сложные полупроводники.

Их основной состав образован двумя или более элементами. Наиболее широко в производстве РЭА применяются двойные соединения следующих типов:

1. АIVВ IV

Единственным соединением такого типа является карбид кремния  - SiC. Является очень прочным, твердым материалом с повышенной термостойкостью. Ширина запретной зоны составляет DW=3,2эВ. Большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния п/п элементы рабочая температура которых достигает 700оС.

2. АIIIВV

Это соединение бора, индия, галлия, алюминия (III гр.) с азотом, фосфором, сурьмой, мышьяком (Vгр.). Широко используются следующие материалы:

2.1 арсенид галлия GaAs. DW=1,4эВ. Применяется в производстве туннельных, импульсных, ВЧ- диодов, полевых транзисторов, элементов микросхемотехники.

2.2 фосфид галлия GaР DW=2,24эВ. Применяется в производстве мощных выходных транзисторов, светодиодов, солнечных батарей.

2.3 антимонид индия InSb. Обладает свойством изменять свое сопротивление при воздействии магнитного поля и обладает фоточувствительностью. Используют в датчиках магнитного излучения  и в производстве магниторезисторов.

3. АIIВVI

Это соединения цинка, кадмия, ртути (II гр) с серой селеном и теллуром (VIгр). Такие соединения называются халькогенидами. Все халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства. Широко применяются халькогениды цинка (сульфид, теллурид, селенид). Самым чувствительным фоторезистом в видимой части спектра сульфид кадмия.

Применяется в качестве люминофора, для изготовления дозиметров различного излучения, счетчиков частиц и т. д.

 Полупроводники: перспективы развития
3.1. Будущее за графеномОсновной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода. Графен состоит из одиночного слоя атомов углерода, собранных а гексагональную решетку (Прил. 8).
Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом кристалле, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Заключение
Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
Представляя информацию о полупроводниках, как о материалах, применяемых в электротехнических и электронных устройствах, можно сделать вывод о важности характеристик и о широте спектра их применения.
Полупроводниковые явления прочно закрепились в современной электронике и являются основой для развития полупроводниковой техники и технологий.

 

.

Тема урока: Применение полупроводниковых  материалов в 

                       электронной  технике.

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесный атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

. В современном понимании полупроводниковая техника стала бурно развиваться в середине XX века. Создателями первого транзистора, в 1947 году, стали американцы (Прил. 1) Дж. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли. Их открытие стало началом полупроводниковой эры.

самое замечательное событие произошло на пороге нового тысячелетия. В 2000 году академик  Ж.И.Алферов удостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году - за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий, в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытие идеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых биполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.

 Гетерострукту́ра — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны.

Планарная технология — совокупность технологических операций, используемых при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. 

Развитие современной полупроводниковой электроники и переход к наноэлектронике, связаны с использованием полупроводниковых наноматериалов и нанотехнологий. Их применение в наноэлектронике приведет к созданию наноструктурных микропроцессоров, увеличению пропускной способности каналов связи, появлению нового поколения роботизированных систем, новые возможности предоставятся при объединении устройств наноэлектроники с наноструктурными сенсорами и т.д. Развитие наноэлектроники предусматривает использование в достижениях физики квантоворазмерных систем и включает применение нанотехнологий, которые обладают атомной точностью при получении полупроводниковых наноструктур с необходимым химическим составом и конфигурацией и включают методы комплексной диагностики наноструктур, в том числе контроль в процессе изготовления и управление на этой основе технологическими процессами.

В производстве полупроводниковых приборов используют следующие виды полупроводниковых материалов: простые и сложные

Простые полупроводники.

Простыми называют п/п, основной состав которых образован атомами одного и того же элемента. Большинство п/п материалов являются твердыми кристаллическими веществами с решеткой типа алмаза. К простым п/п относятся:

1. Германий – элемент IV группы. Плотность – 5,35 г/м3 .  Температура плавления = 937оС.   Собственное удельное сопротивление r = 0,68 Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 0,75 эВ. Т.к. ширина запретной  зоны невелика, поэтому рабочая температура п/п приборов на основе германия не более +80оС. Отрицательная рабочая  температура не ниже  – 60о.

Все сорта германия обладают высокой твердостью и хрупкостью.

Для использования в производстве п/п элементов легируют донорными и акцепторными примесями.

Применяется для изготовления диодов и транзисторов различного назначения. Также применяют в производстве фотодиодов, фототранзисторов, варикапов и т.д.

Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов выпускают в виде слитков диаметром около 30мм. Маркируется германий следующим образом:

ГЭС-15, где Г- германий; Э – тип проводимости(электронная); С – легированный сурьмой;

Цифра обозначает удельное сопротивление, т.е. r = 15 ом*см.

ГДГ-7,5; германий с дырочной проводимостью, легированный галием,  r=7,5 ом*см.

2. Кремний – элемент IV группы. Плотность – 2,32 г/см3. Температура плавления = 1414оС. Собственное удельное сопротивление r = 2,3 * 103Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 1,12 эВ. Большая, чем у германия, величина запретной зоны позволяет создавать п/п приборы с верхним температурным пределом около 200оС. Кремний является базовым материалом для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Также из кремния выпускают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, биполярные транзисторы различной мощности.

Монокристаллический кремний маркируется следующим образом:

КЭФ-3/2,  где К – кремний; Э- электронная проводимость; Ф – легирован фосфором; r = 3 ом*см;      2 – время жизни заряда в мксек. 

3. Селен – элемент VI группы. Может существовать как в аморфной, так и в кристаллической модификации.       Аморфный селен является диэлектриком  его  удельное сопротивление r = 1012 ом*см., кристаллический полупроводником, удельное сопротивление которого уменьшается за счет введения примесей.

Для получения электронной проводимости вводят элементы  VII группы  -  бром, хлор, йод.

Для получения дырочной проводимости вводят элементы V группы – фосфор, сурьма, мышьяк.

Из селена изготавливают выпрямители, фоторезисторы, фильтры в приборах инфракрасного диапазона.

Сложные полупроводники.

Их основной состав образован двумя или более элементами. Наиболее широко в производстве РЭА применяются двойные соединения следующих типов:

1. АIVВ IV

Единственным соединением такого типа является карбид кремния  - SiC. Является очень прочным, твердым материалом с повышенной термостойкостью. Ширина запретной зоны составляет DW=3,2эВ. Большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния п/п элементы рабочая температура которых достигает 700оС.

2. АIIIВV

Это соединение бора, индия, галлия, алюминия (III гр.) с азотом, фосфором, сурьмой, мышьяком (Vгр.). Широко используются следующие материалы:

2.1 арсенид галлия GaAs. DW=1,4эВ. Применяется в производстве туннельных, импульсных, ВЧ- диодов, полевых транзисторов, элементов микросхемотехники.

2.2 фосфид галлия GaР DW=2,24эВ. Применяется в производстве мощных выходных транзисторов, светодиодов, солнечных батарей.

2.3 антимонид индия InSb. Обладает свойством изменять свое сопротивление при воздействии магнитного поля и обладает фоточувствительностью. Используют в датчиках магнитного излучения  и в производстве магниторезисторов.

3. АIIВVI

Это соединения цинка, кадмия, ртути (II гр) с серой селеном и теллуром (VIгр). Такие соединения называются халькогенидами. Все халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства. Широко применяются халькогениды цинка (сульфид, теллурид, селенид). Самым чувствительным фоторезистом в видимой части спектра сульфид кадмия.

Применяется в качестве люминофора, для изготовления дозиметров различного излучения, счетчиков частиц и т. д.

 Полупроводники: перспективы развития
3.1. Будущее за графеномОсновной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода. Графен состоит из одиночного слоя атомов углерода, собранных а гексагональную решетку (Прил. 8).
Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом кристалле, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Заключение
Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
Представляя информацию о полупроводниках, как о материалах, применяемых в электротехнических и электронных устройствах, можно сделать вывод о важности характеристик и о широте спектра их применения.
Полупроводниковые явления прочно закрепились в современной электронике и являются основой для развития полупроводниковой техники и технологий.

 

Тема урока: Применение полупроводниковых  материалов в 

                       электронной  технике.

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесный атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

. В современном понимании полупроводниковая техника стала бурно развиваться в середине XX века. Создателями первого транзистора, в 1947 году, стали американцы (Прил. 1) Дж. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли. Их открытие стало началом полупроводниковой эры.

самое замечательное событие произошло на пороге нового тысячелетия. В 2000 году академик  Ж.И.Алферов удостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году - за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий, в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытие идеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых биполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.

 Гетерострукту́ра — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны.

Планарная технология — совокупность технологических операций, используемых при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. 

Развитие современной полупроводниковой электроники и переход к наноэлектронике, связаны с использованием полупроводниковых наноматериалов и нанотехнологий. Их применение в наноэлектронике приведет к созданию наноструктурных микропроцессоров, увеличению пропускной способности каналов связи, появлению нового поколения роботизированных систем, новые возможности предоставятся при объединении устройств наноэлектроники с наноструктурными сенсорами и т.д. Развитие наноэлектроники предусматривает использование в достижениях физики квантоворазмерных систем и включает применение нанотехнологий, которые обладают атомной точностью при получении полупроводниковых наноструктур с необходимым химическим составом и конфигурацией и включают методы комплексной диагностики наноструктур, в том числе контроль в процессе изготовления и управление на этой основе технологическими процессами.

В производстве полупроводниковых приборов используют следующие виды полупроводниковых материалов: простые и сложные

Простые полупроводники.

Простыми называют п/п, основной состав которых образован атомами одного и того же элемента. Большинство п/п материалов являются твердыми кристаллическими веществами с решеткой типа алмаза. К простым п/п относятся:

1. Германий – элемент IV группы. Плотность – 5,35 г/м3 .  Температура плавления = 937оС.   Собственное удельное сопротивление r = 0,68 Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 0,75 эВ. Т.к. ширина запретной  зоны невелика, поэтому рабочая температура п/п приборов на основе германия не более +80оС. Отрицательная рабочая  температура не ниже  – 60о.

Все сорта германия обладают высокой твердостью и хрупкостью.

Для использования в производстве п/п элементов легируют донорными и акцепторными примесями.

Применяется для изготовления диодов и транзисторов различного назначения. Также применяют в производстве фотодиодов, фототранзисторов, варикапов и т.д.

Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов выпускают в виде слитков диаметром около 30мм. Маркируется германий следующим образом:

ГЭС-15, где Г- германий; Э – тип проводимости(электронная); С – легированный сурьмой;

Цифра обозначает удельное сопротивление, т.е. r = 15 ом*см.

ГДГ-7,5; германий с дырочной проводимостью, легированный галием,  r=7,5 ом*см.

2. Кремний – элемент IV группы. Плотность – 2,32 г/см3. Температура плавления = 1414оС. Собственное удельное сопротивление r = 2,3 * 103Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 1,12 эВ. Большая, чем у германия, величина запретной зоны позволяет создавать п/п приборы с верхним температурным пределом около 200оС. Кремний является базовым материалом для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Также из кремния выпускают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, биполярные транзисторы различной мощности.

Монокристаллический кремний маркируется следующим образом:

КЭФ-3/2,  где К – кремний; Э- электронная проводимость; Ф – легирован фосфором; r = 3 ом*см;      2 – время жизни заряда в мксек. 

3. Селен – элемент VI группы. Может существовать как в аморфной, так и в кристаллической модификации.       Аморфный селен является диэлектриком  его  удельное сопротивление r = 1012 ом*см., кристаллический полупроводником, удельное сопротивление которого уменьшается за счет введения примесей.

Для получения электронной проводимости вводят элементы  VII группы  -  бром, хлор, йод.

Для получения дырочной проводимости вводят элементы V группы – фосфор, сурьма, мышьяк.

Из селена изготавливают выпрямители, фоторезисторы, фильтры в приборах инфракрасного диапазона.

Сложные полупроводники.

Их основной состав образован двумя или более элементами. Наиболее широко в производстве РЭА применяются двойные соединения следующих типов:

1. АIVВ IV

Единственным соединением такого типа является карбид кремния  - SiC. Является очень прочным, твердым материалом с повышенной термостойкостью. Ширина запретной зоны составляет DW=3,2эВ. Большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния п/п элементы рабочая температура которых достигает 700оС.

2. АIIIВV

Это соединение бора, индия, галлия, алюминия (III гр.) с азотом, фосфором, сурьмой, мышьяком (Vгр.). Широко используются следующие материалы:

2.1 арсенид галлия GaAs. DW=1,4эВ. Применяется в производстве туннельных, импульсных, ВЧ- диодов, полевых транзисторов, элементов микросхемотехники.

2.2 фосфид галлия GaР DW=2,24эВ. Применяется в производстве мощных выходных транзисторов, светодиодов, солнечных батарей.

2.3 антимонид индия InSb. Обладает свойством изменять свое сопротивление при воздействии магнитного поля и обладает фоточувствительностью. Используют в датчиках магнитного излучения  и в производстве магниторезисторов.

3. АIIВVI

Это соединения цинка, кадмия, ртути (II гр) с серой селеном и теллуром (VIгр). Такие соединения называются халькогенидами. Все халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства. Широко применяются халькогениды цинка (сульфид, теллурид, селенид). Самым чувствительным фоторезистом в видимой части спектра сульфид кадмия.

Применяется в качестве люминофора, для изготовления дозиметров различного излучения, счетчиков частиц и т. д.

 Полупроводники: перспективы развития
3.1. Будущее за графеномОсновной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода. Графен состоит из одиночного слоя атомов углерода, собранных а гексагональную решетку (Прил. 8).
Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом кристалле, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Заключение
Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
Представляя информацию о полупроводниках, как о материалах, применяемых в электротехнических и электронных устройствах, можно сделать вывод о важности характеристик и о широте спектра их применения.
Полупроводниковые явления прочно закрепились в современной электронике и являются основой для развития полупроводниковой техники и технологий.

 


Войти