Лекции по материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

При комнатной температуре 300 К (20

◦

С) тепловая энергия равна kТ = 0,025 эВ, что

намного меньше ширины запрещенной зоны полупроводника E

 1 эВ. Поэтому в

соответствии с (*) концентрация свободных электронов, а значит и проводимость

полупроводника, оказывается небольшой по сравнению с металлами. Свойства

типичных полупроводников приведены в табл.1.

Табл.1. Характеристики полупроводников Ge и Si

элемент Е

, Омм



см

/В





см

/В



γ, г/см

М, г/моль t

раб.мах.

◦

Ge 0,66 0,8 4000 3000 5,3 73 70-80

Si 1,12 2000 1900 400 2,3 28 120-140

Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере

условный характер, поскольку четкой границы между диэлектриками и полупроводниками

не существует. Так алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре Е

5,2LэВ, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах 500

С и

может уже считаться полупроводником.

1.2.2. Примесные полупроводники

Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примеси. Примеснные атомы

имеют свои собственные энергетические уровни, которые могут располагаться как в

разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника. Для применения полупроводника в

электронных устройствах примеси вводят специально для придания ему необходимых свойств.

Такая технологическая операция называется легированием.

Роль примесей могут играть дефекты кристаллической решетки – вакансии,

дислокации, границы зерен, поры, трещины.

В зависимости от рода примесных атомов различают донорные и акцепторные

примеси. Разберем их подробнее.

Донорные примеси.

Рассмотрим кристалл германия, в котором часть атомов замещена атомами

пятивалентного элемента, например, мышьяка (As) (рис.25.). Германий имеет решетку типа

алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним

валентными связями. Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует

четыре валентных электрона; пятый

электрон оказывается лишним. и может

легко отсоединится от атома мышьяка. При

сообщении небольшой энергии он

отрывается от атома и приобретает

способность свободно перемещаться в решет-

ке германия, превращаясь, таким образом, в

электрон проводимости.

С точки зрения зонной теории этот

процесс можно представить следующим

образом. Энергетические уровни пятого элек-

трона атомов мышьяка располагаются в

запрещенной зоне полупроводника. Эти

уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости на расстоянии E

≈ 0,01

эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней небольшой энергии ≈0,01 эВ они

переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды на атомах

мышьяка неподвижны и в электропроводности не участвуют.

Чем больше примесных атомов мышьяка, тем больше будет свободных электронов.

Таким образом, концентрация свободных электронов в таком кристалле больше

концентрации дырок.

> n

, (2.9)

Соответственно, электронная проводимость будет больше дырочной.

> σ

, (2.10)

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называют донорными

примесями. А полупроводники, их содержащие, называются донорными или электронными

полупроводниками, или полупроводниками n-типа (от английского слова «negative» –

«отрицательный»).

Акцепторные примеси.

Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов германия замещена

атомами трехвалентного элемента, например, индия (In) (рис.26.).

У индия всего 3 валентных электрона и для образования связей с четырьмя

ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заим-

Рис.25. Донорная примесь в полупроводнике.

ствовать» у соседнего атома германия. Разорванная связь представляет собой дырку,

которая заполняется при присоединении электрона со стороны. В этом случае дырка

перемещается к соседнему атому германия, и далее движется по всей кристаллической

решетке. Таким образом, введение

трехвалентных атомов примеси приведет к

увеличению концентрации дырок:

> n

(2.11)

Соответственно, дырочная

проводимость будет больше электронной.

> σ

, (2.12)

Энергетические уровни примесных

атомов индия располагаются в запрещенной

зоне полупроводника вблизи валентной зоны

проводимости на расстоянии E

≈ 0,01 эВ.

При небольшом возбуждении электроны

валентной зоны легко переходят на уровни примеси, порождая дырки.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют

акцепторными. Полупроводники, содержащие также примеси, называют акцепторными

полупроводниками, или дырочными полупроводниками, или полупроводниками p-типа (от

английского слова «positive» – «положительный»).

Оба вида примесных полупроводников p-типа n-типа находят применение в технике.

1.2.3. Применение полупроводников

Полупроводники обладают разнообразными и необычными свойствами, которые

определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа

образуются p-n переходы – основа почти всех полупроводниковых приборов.

В полупроводнике p-типа проводимость в основном определяется движением дырок,

т.е. дырки являются основными носителями тока. Соответственно в полупроводнике n-типа

Рис.26. Акцепторная примесь в полупроводнике.

основными носителями будут электроны. Если взять два полупроводника n-типа и p-типа и

соединить их, то на границе будут встречатся носители разных типов – элекроны и дырки.

При этом они взаимно уничтожаются, или

говорят происходит процесс

рекомбинации. В результате в пограничном

слое свободных носителей заряда

практически не остается, значит получается

изолирующий материал или диэлектрик,

называемый запирающим слоем.

Образовавшаяся структура называется p-n

переходом.

Этот p-n переход обладает интересным свойством, односторонней проводимостью.

При подключении внешнего источника напряжения положительным полюсом к n-

области, отрицательным — к p-области (см. рис.27а.) , дырки под действием внешнего

электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. В результате изолирующий

слой расширяется, препятствуя протеканию тока. Тока в цепи нет. Такое подключение

называют обратным включением p-n перехода.

Если же положительный полюс источника напряжения подключен к p-области, а

отрицательный – с n-областью (см. рис.27б.), то дырки под действием внешнего

электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. Ширина изолирующего слоя

уменьшается, тем самым способствуя резкому возрастанию электрического тока через p-n

переход. Такое подключение называют прямым включением p-n перехода.

Рис.27. Обратное (a) и прямое (б) включение

p-n перехода.

Прибор, обладающий односторонней проводимостью, называется диодом, он широко

применяется в различных электрических схемах.

 Полупроводниковый диод

Рассмотрим полупроводникового диод на основе

p-n

перехода. Если к диоду

приложить напряжение, то в нем будет течь ток, который зависит от величины и полярности

напряжения. Эта зависимость тока от напряжения называется вольт–амперной характери-

стикой (ВАХ) (рис.28).

Ток I, протекающий в цепи диода, определятся формулой

)1(



eII

, (2.13)

где U – приложенное напряжение, q –

заряд носителей, Т – абсолютная температура.

При положительном напряжении ток

резко экспоненциально возрастает. При

отрицательном – слагаемое

будет

стремиться к нулю, поэтому график будет

стремиться к значению тока, равному – I

. Это

так называемый обратный ток p-n-перехода.

 Стабилитрон

Стабилитрон устроен практически так

же, как и диод. То есть имеется p-n-переход,

но напряжение в нем включается в

обратной полярности. В этом случае

переход запирается, то есть образуется

изолирующий слой, вследствие чего

обратный ток будет малым. Как и для

любого другого изолятора, величина

приложенного к изолирующему слою

напряжения будет иметь некий предел, при

превышении которого начнется

электрический пробой. При этом обратный

Рис.28. Вольт-амперная характеристика полупро-

водникового диода.

Рис.29. Включение и вольт-амперная характе-

ристика стабилитрона.

ток резко возрастает, что соответствует почти вертикальному участку обратной ветви ВАХ

стабилитрона (рис.29.). Если протекающий ток не очень большой и не приводит к

значительному нагреву, то этот процесс пробоя оказывается обратимым и разрушения

кристаллической решетки не происходит.

Такой режим работы оказывается вполне

устойчивым. На этом участке ВАХ, при

изменении тока в больших пределах,

напряжение практически постоянно. Поэтому

такие приборы используются для стабилизации

напряжения и называют стабилитронами.

 Варикап

Приложим к p-n переходу обратное

напряжение. В результате образуется

изолирующий слой. некоторой толщины этого

слоя будет равна d. Причем толщина его

зависит от приложенного напряжения: чем

больше величина напряжения, тем больше

толщина изолирующего слоя в соответствии с

соотношением

(2.14)

Рассмотрим схему такой структуры

(рис.30а.). Здесь между двумя проводящими ток материалами находится изолятор.

Данная система представляет собой конденсатор, емкость которого определяется по

формуле

Sεε

C 

(2.15)

где S – площадь обкладок конденсатора, d- расстояние между обкладками,



–

диэлектрическая проницаемость среды.

Поскольку d является функцией от напряжения (*), следовательно, и емкость С будет

зависеть от приложенного напряжения:

, (2.16)

Рис.30. Схема варикапа и его емкостная

характеристика.

Такой прибор, величиной емкости которого можно управлять с помощью

напряжения, называется варикап (от английского «vary capacity» – «переменная

ёмкость»). На рис.30б. приведен график зависимости емкости от напряжения на

варикапе. Его используют в системах автоматической подстройки частоты

радиоприемников, телевизоров, регулируемых фильтров и др.

 Светодиод

Светодиод - устройство, основанное на p-n переходе, включенном в прямом

направлении (рис.31.). В этом случае под действием электрического поля внешнего

источника потоки электронов и дырок

движутся навстречу друг другу. В зоне p-n

перехода они встречаются и происходит

рекомбинация электронов и дырок, т.е.

взаимное уничтожение. Но исчезают они не

бесследно, а выплескивая свою энергию виде

квантов света – фотонов. Таким образом

светодиод излучает свет. У светодиодов КПД

преобразования электрической энергии в световую очень высок, и составляет 20-70%. Если

сравнивать с лампой накаливания, то у нее лишь 4% энергии переходит в световую.

Остальная часть энергии идет на нагревание нити лампы до 2500 ˚С.

Светодиоды используют в качестве экономичных источников света, индикаторов,

цветных сигнализаторов. Современные информационные табло, мониторы, экраны состоят

из большого количества светодиодов формирующих изображение. Для изготовления

светодиодов используются специальные полупроводники GaAs, InAs, GaP, SiC.

 Фотодиод

Фотодиод представляет собой p-n-переход включенный в обратном направлении

(рис.34.). В этом случае при отсутствии светового потока фотодиод ток не пропускает.

Если на изолирующий слой направить

свет, то в этом p-n переходе при поглощении

фотонов будут рождаться пары электрон-

дырка. Этот процесс обратный тому, что

происходит в светодиодах. Образовавшиеся

электроны и дырки под действием

Рис.31. Схема работы светодиода.

Рис.32. Схема работы фотодиода.

электрического поля разбегаются в противоположные стороны из изолирующего слоя,

образуется электрический ток.

Фотодиоды являются светочувствительными приборами, так же как и фоторезисторы.

Однако они выгодно отличаются большей чувствительностью, очень малыми размерами и

весом. Фотодиоды являются быстродействующими приборами, что позволяет их

использовать в качестве приемников и детекторов модулированного светового сигнала.

С помощью большого количества фотодиодов создаются фотодиодные матрицы,

которые могут считывать изображения, преобразуя его в электрический сигнал. На такой

технологии основана работа видеокамер.

 Терморезистор

Терморезистор - это полупроводниковый материал, к которому присоединено два

контакта (рис.32.). В полупроводниках концентрация свободных электронов определяется

экспоненциальной формулой (2.3):

n = n



exp(–E

/kT)

Чем выше температура, тем больше

концентрация свободных носителей , а значит

тем выше проводимость материала (2.1):

σ= nqμ

Поэтому эти приборы очень

чувствительны к изменению температуры.

Терморезисторы используют как высокочувствительные датчики для измерителей

температуры и систем терморегулирования.

 Фоторезистор

Кроме температуры изменять концентрацию носителей заряда может так же свет

(рис.33.).

При облучении светом энергия фотонов передается электронам и они могут

переходить в зону проводимости. Чем больше световой поток, тем больше образуется

свободных электронов, тем выше

проводимость полупроводника. Т.е.

фоторезистор является светочувствительным

прибором.

Рис.33. Схема терморезистора.

Рис.34. Схема фоторезистора.

Эти приборы применяются в устройствах автоматического включения фонарей,

которые работают в зависимости от освещенности улицы, в турникетах метро, системах

охраны, слежения за перемещением и т.д.

 Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют полупроводниками?

2. Каково строение энергетических зон полупроводников?

3. Для чего легируют полупроводники?

4. Где их применяют?

5. Приведите примеры электронных устройств на основе полупроводников.

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

2.1. Диаграмма растяжения

Мы изучили разные материалы с точки зрения их электрических свойств –

полупроводники, диэлектрики, проводники. Для применения не менее важными являются их

механические свойства.

К механическим свойствам относятся твердость, прочность. пластичность, упругость

и др.

Познакомимся с ними подробнее.

Рассмотрим образец, имеющий первоначальную длину l

(рис.35.).

Приложим к нему некоторую растягивающую силу F. Под действием силы материал

удлинился до длины l . Разность длин

∆l = l – l

0 ,

(3.1)

называют абсолютным удлинением

образца, а отношение

∆l/l

= δl = ε , (3.2)

относительным удлинением δl или

деформацией образца ε.

Если обозначить сечение образца за S, то механическое напряжение σ будет

определяться отношением

σ = F/S , (3.3)

При малых растяжениях между деформацией ε и напряжением σ существует

линейная зависимость:

ε = k σ, (3.4)

где k – коэффициент податливости,

или

σ = E ε, (3.5)

где Е – модуль упругости или модуль Юнга.

Такая линейная зависимость называется законом Гука. Но он выполняется не всегда,

а в определенных пределах деформации и напряжения. При больших деформациях

зависимость имеет сложный вид.

Если построить график зависимости растягивающей силы от удлинения образца, то

получится диаграмма растяжения. На рис.36. приведен характерный вид такой диаграммы.

На графике можно выделить несколько характерных участков или зон.

Рис.35. Растяжение образца.