Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
B_74.docx
Скачиваний:
3
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Свойства полупроводниковых соединений типа ашву

Группа и соединение

Свойства

Фосфиды

Арсениды

Антимониды

А1Р

ОаР

1 п Р

А1 Аб

ОаАз

ІП Аб

А1ЬЬ

ОаБЪ

ІпБЬ

Порядковый номер А111

13

31

49

13

31

49

13

31

49

Ву

15

15

15

33

33

33

51

51

51

Постоянная ре­шетки, нм . .

0,542

0,545

0,587

0,564

0,565

0,605

0,613

0,609

0,648

Плотность, Мг/м3

2,4

4,1

4,8

3,6

5,4

5,7

4,3

5,7

5,8

Показатель пре­ломления . . .

3,4

3,3

3,2

3,2

з,:

3,7

4,1

Температурный коэффициент ли­нейного расши­рения, О.;- 106,

К'1

4,8

4,5

3,5

5,4

4,8

4,2

6,2

5,0

Твердость по ми­нералогической шкале ....

5,5

5,0

5,0

4,5

4,0

4,8

4,5

3,8

Подвижность, м2/(В • с) электронов

0,008

0,019

0,50

0,03

0,95

3,30

0,02

0,40

10,00

дырок . . .

0,003

0,012

0,015

0,045

0,050

0,055

0,140

0,100

Рис. 8-27. Зависимости температуры плавления ширины запрещенной зоны и подвижности электронов соединений АШВУ от суммарного атомного номера

Т

6аР

1 1 1 1 1 ЙГ

о го 40 60 во юо(1шпт)

емпература плавления сое­динений Аш Ву понижается с ростом суммарного атомного номера и атомных масс, входя­щих в соединение элементов. Точки плавления лежат выше соответствующих температур плавления элементов, из кото­рых состоит соединение, за исключением антимонида ин­дия, температура плавления которого (536 °С) лежит между температурой плавления сурь­мы (630 °С) и индия (156 °С). С увеличением атомной массы и суммарного атомного номера соединений уменьшается шири­на запрещенной зоны, так как происходит размывание «элек­тронных облаков» ковалент­ных связей и они все более приближаются к металлическим. Скачко­образный переход к металлической связи наблюдается у сплавов индия с висмутом, галлия с сурьмой и т. д. Прямые, характеризу­ющие изменение ширины запрещенной зоны в зависимости от сум­марного атомного номера соединения (рис. 8-27), и прямые, показы­вающие изменение температуры плавления соединений, приближенно можно считать параллельными. Следовательно, между шириной запрещенной зоны и температурой плавления соединений имеется прямая пропорциональность. Наблюдаемая закономерность объяс­нима, если исходить из теоретических представлений о том, что ширина запрещенной зоны зависит от вида связи, а видом и проч­ностью связи определяется энергия кристаллической решетки и, следовательно, температура плавления вещества.

Из табл. 8-4 видно, что с увеличением суммарного атомного номера компонентов в пределах каждой из групп соединений про­исходит уменьшение твердости вещества. С уменьшением ширины запрещенной зоны в пределах каждой группы соединений наблю­дается закономерный рост подвижности носителей зарядов, более ярко выраженный для электронов, чем для дырок. Абсолютное значение подвижности электронов для большинства соединений существенно превышает подвижность дырок. Исключение представ­ляет только антимонид алюминия, у которого подвижность дырок почти в три раза превышает подвижность электронов. Плотность веществ по мере увеличения «металличности» соединений воз­растает.

Арсенид галлия — один из самых перспективных полу­проводниковых материалов, так как ширина запрещенной зоны его превышает ширину запрещенной зоны германия и кремния, но еще не очень велика (1,43 эВ). При этом подвижность электронов у него больше, чем у германия и кремния, а подвижность дырок сравнима с таковой для кремния (см. табл. 8-4).

Цинк, кадмий, медь являются акцепторами, уровни которых ле­жат выше потолка валентной зоны 0,08—0,37 эВ. Донорами служат сера, селен, теллур, а также элементы IV группы системы Д. И. Мен­делеева при малой концентрации, когда они замещают атомы галлия.

При больших концентрациях элементы IV группы становятся нейтральными примесями, так как входят в решетку парами, за­мещая и атомы йа и Лэ.

Из арсенида галлия изготовляют фотоэлементы с КПД около 7 %, дозиметры рентгеновского излучения, полупроводниковые лазеры. Из вырожденного арсенида галлия производят туннельные диоды.

Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по частотному пределу превосходят германиевые, а по максимальной рабочей тем­пературе (до 450 °С) — кремниевые.

Антимонид индия получают сплавлением в стехио- метрическом соотношении высокочистых индия и сурьмы. Материал проходит зонную очистку, а монокристаллы из него получают по методу вытягивания.

Основные свойства 1п5Ь приведены в табл. 8-4 и иллюстрируются рис. 8-27. Из табл. 8-4 видно, что 1п5Ь отличается очень высокой подвижностью электронов. Вследствие малой ширины запрещенной зоны (0,18 эВ) при комнатной температуре электропроводность его становится не примесной, а собственной. В области примесной электропроводности материал близок к вырождению. Фотопрово­димость 1пЭЬ охватывает широкую область, лежащую в инфра­красной части спектра, доходя до 8 мкм. Максимум фотопроводи­мости соответствует длине волны 6,7 мкм.

Антимонид индия применяют для изготовления фотоэлементов высокой чувствительности (основанных на использовании различных видов фотоэффекта), датчиков ЭДС Холла и оптических фильтров. Кроме того, 1п5Ь используют для термоэлектрических генераторов и холодильников.

Фосфид галлия — материал с широкой запрещенной зо­ной (2,3 эВ), используемый в практике для изготовления свето­диодов с красным или зеленым свечением в зависимости от вводимых в него примесей. Основные свойства его приведены в табл. 8-4.

К материалам с еще большей шириной запрещенной зоны (выхо­дящей за пределы, характерные для полупроводников) из соедине­ний АШВУ относятся нитриды бора, алюминия и галлия. Последний из них « 3,4 эВ) перспективен для изготовления светодиодов с голубым свечением.

Твердые растворы соединений АШВУ расширяют возможности получения материалов с нужными для техники параметрами.

Соединения А11 и ВУ1 и другие полупроводниковые материалы.

Свойства сульфидов, селенидов, теллуридов и оксидов

Соедине­

ния

Плотн ость, Мг/ма

Тт*

Бт/(м* К)

*Пл. °с

V, эВ

и, м!/(В-с)

для и-тнпа

для р-тппа

РЬБ

7,60

2,9

1114

0,37

0,06

0,070

в *2^3

7,39

2,0

720

1,30

—

С(15

4,82

—

1750 *

2,40

0,02

0,005

РЬ5е

8,15

1,7

1076

0,25

0,12

0,100

В]г5е3

7,40

2,5

706

0,28

0,10

—

С(!5е

5,81

—

1258

1,80

0,08

—

ПрБе

8,26

5,6

800

0,60

1,00

—

РЬТе

8,16

1,7

917

0,30

0,18

0,090

В12Те,

—

1,1

585

0,15

0,12

0,050

СсЗТе

5,86

8,5

1098

1,60

0,076

0,006

Н8Те

8,42

6,0

670

0,25

1,50

—

Си„0

5,90

6,1

— 1230

0,34

—

0,005

2пО

5,60

—

—

3,20

0,05

—

тго,

4,20

—

1640

2,90

—0,001

—

* При давлении 10 МПа.

Рассмотрим некоторые сульфиды, селениды, теллуриды и оксиды, которые нашли техническое применение и представляют определен­ный интерес.

Сульфиды — сернистый свинец (РЬБ), сернистый висмут (В^Бз) и сернистый кадмий (Сс15) — используют для изготовления фоторезисторов (фотосопротивлений).

Сернистый свинец встречается в природе в виде материала гале­нита (свинцовый блеск) и может быть получен искусственно несколь­кими способами. РЬБ бывает в аморфной и кристаллической моди­фикациях. Сернистый висмут получают сплавлением висмута с серой в отсутствии кислорода. Кристаллы относятся к ромбической си­стеме и имеют серо-черный цвет. Сернистый кадмий получают раз­личными способами; он может быть аморфным и кристаллическим. Цвет его зависит от модификации и содержания примесей. Чувстви­телен к рентгеновскому излучению.

Некоторые свойства сульфидов даны в табл. 8-5.

Сульфиды применяют и в качестве люминофоров. Кроме пере­численных в табл. 8-5 сульфидов, электролюминофором является сульфид цинка, активированный медью. Ширина запрещенной зоны 2пБ около 3,6 эВ.

Селениды — селенистый свинец (РЬБе), селенистый висмут (ВцБез), селенистый кадмий (С<Ке), селенистую ртуть (^Бе) — при­меняют для изготовления фоторезисторов, полупроводниковых тер­моэлементов и источников когерентного излучения (лазеров). Ос­новные свойства этих веществ даны в табл. 8-5.

Теллуриды — теллуристый свинец (РЬТе), теллуристый висмут (Вь2Те3), теллуристый кадмий (Сс1Те), теллуристая ртуть (^Те) — так же, как сульфиды и селениды, находят себе приме- пение в фоторезисторах, термоэлементах и пзлучательиых приборах. Теллуристый кадмий чувствителен к рентгеновскому излучению и обладает фоторезистивным эффектом в этой области спектра. Тел­луристая ртуть имеет малую ширину запрещенной зоны, как и некоторые другие соединения, но при этом отличается почти на по­рядок большей по сравнению с ними подвижностью электронов, что объясняется малой эффективной массой носителей заряда в этом соединении.

Соединения рассмотренных подг;. упп обладают узкой областью гомогенности. К недостаткам их относится изменение параметров с течением времени.

Оксиды. Гемиоксид меди (Си20) — вещество малинового цвета, является полупроводником только р-типа. Гемиоксид меди кристаллизуется в кубической системе. Проводимость Си20 в силь­ной степени зависит от инородных примесей, термической обработки и температуры. При прогреве на воздухе (в присутствии кислорода) проводимость Си20 возрастает.

Из окисленных медных пластин, на поверхности которых обра­зовался слой Си20, были получены первые типы полупроводниковых выпрямителей и фотоэлементов.

К другим полупроводниковым оксидам относится оксид цинка (2п0) с избытком цинка по сравнению со стехиометрическим соста­вом, являющийся примесным полупроводником только «-типа. При прокаливании на воздухе (в атмосфере, содержащей кислород) проводимость 2пО уменьшается. К полупроводникам относится и частично восстановленный диоксид титана ТЮ2 (см. табл. 8-5). Полупроводниковые оксиды используются в основном для изго­товления терморезисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом удельного сопротивления [—(3-М) %/К].

Терморезисторы (термисторы) изготовляют в виде стерженьков, пластинок или таблеток методами керамической технологии. Сопро­тивление и другие свойства терморезисторов зависят не только от состава, но и от крупности зерна, от технологического процесса изготовления: давления при прессовании (если полупроводник бе­рут в виде порошка) и температуры обжига. Терморезисторы исполь­зуются для измерения, регулирования температуры и термокомпен­сации, для стабилизации напряжения, ограничения импульсных пусковых токов, измерения теплопроводности жидкостей, в ка­честве бесконтактных реостатов и токовых реле времени.

Из полупроводниковой керамики, обладающей точкой Кюри (см. стр. 173), изготовляются терморезисторы, отличающиеся от всех других терморезисторов тем, что имеют не отрицательный, а очень большой положительный температурный коэффициент сопротив­ления (свыше +20 %/К) в узком интервале температур (около 10 °С). Такие терморезисторы называют позисторами. Их изготовляют в виде дисков небольшой толщины и предназначают для контроля и регулирования температуры, использования в си­стемах пожарной сигнализации, предохранения двигателей от пере­грева, ограничения токов, измерения потоков жидкостей и газов.

Полупроводниковые материалы сложного состава, использующиеся в термоэлектрических устройствах

Материал

° £ о. ь

ч 5

Л о _ в В ° <5 о*

н =

Ширина за­прещенной зоны« эВ

Максималь­ная рабочая температура.

Коэффициент теплопро­водности, Вт/(м* К)

Віо,45ЬіівТез

Р

0,19

650

1,0

ШгТег^Зед^

п

0,20

600

и

Аё5ЬТе,

Р

0,30

750

0,6

С*ео,з5>о,7

п

1,10

1200

3,8

Полупроводниковые материалы слож­ного состава находят техническое применение при изготов­лении термоэлементов, термогенераторов и холодильных устройств. К таким материалам относятся, например, тройной сплав ЕН—БЬ—2п, употребляющийся для положительных ветвей термоэлементов, твер­дые растворы 0,25 РЬ5-0,5 РЬ5е-0,25 РЬТе и 0,3 РЬ5-0,7 РЬБе и другие материалы, из которых изготовляют отрицательный элек­трод термоэлементов. Эффективность использования материала в тер­моэлектрических устройствах в простейшем случае оценивается критерием А. Ф. Иоффе

% — а2у/ут. (8-26)

где а — коэффициент термо-ЭДС.

В этом выражении заключены противоречивые требования к ма­териалу, так как для получения большого значения 1 удельная проводимость вещества у должна быть большой, а его коэффици­ент теплопроводности ут — малым. В табл. 8-6 приведены свой­ства некоторых материалов, разработанных для использования в термоустройствах.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Какие физические явления в полупроводниках являются наиболее важными и для каких целей они используются?

  2. Какую роль в свойствах полупроводников играют дефекты строения мате­риала и вводимые примеси?

  3. Какие виды полупроводниковых материалов применяются в технике?

  4. Почему кремний стал важнейшим материалом полупроводниковой электро­ники?

  5. Назовите перспективные полупроводниковые вещества.

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

9-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНИТНЫХ СВОЙСТВАХ МАТЕРИАЛОВ

В качестве магнитных материалов (стр. 14) техническое зна­чение имеют ферромагнитные вещества и ферримагнитные хими­ческие соединения (ферриты).

Ферромагнетик — кристаллическое вещество, в котором резуль­тирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от куля.

Антиферромагнетик — кристаллическое вещество, в котором ре­зультирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю.

Ферримагнетик — кристаллическое вещество, магнитную струк­туру которого можно представить в виде двух или более подреще- токГ причем результирующие магнитные моменты каждого из до­менов отличны от нуля.

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скры­тыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами яв­ляются: вращение электронов вокруг собственных осей — элек­тронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Явле­ние ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры (точки Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопи­ческих областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными параллельно друг другу и одинаково направленными. Таким образом, характерным для фер­ромагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроиз­вольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнит­ных моментов отдельных доменов получаются самыми различными, как это вытекает из закона о минимуме свободной энергии системы. Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет ра­вен нулю. Возможные размеры доменов для некоторых материалов составляют около 0,001—10 мм3 при толщине пограничных слоев между ними в несколько десятков — сотен атомных расстояний. У особо чистых материалов размеры доменов могут быть и больше. Существование доменов удалось показать экспериментально. При очень медленном перемагничивании ферромагнитного образца в те­лефоне, соединенном через усилитель с катушкой, охватывающей образец, можно различать отдельные щелчки, связанные непосред­ственно со скачкообразными изменениями индукции. На полирован­ной поверхности намагничиваемого образца ферромагнетика можно обнаружить появление типичных узоров, образующихся с помощью осаждения тончайшего ферромагнитного порошка на границах от-

Рис. 9-1. Очертания доменов раз­личных ферромагнетиков (фигуры Акулова)

д

я

ш

ельных доменов; эти узоры получили название фигур Акулова (рис. 9-1).

Монокристаллы ферро­магнитных веществ харак­теризуются магнитной ани­зотропией, выражающейся в различной легкости намагничива­ния вдоль разных осей. На рис. 9-2 показаны направления легкого, среднего и трудного намагничивания в монокристаллах трех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля, кобальта. Из рис. 9-2 видно, что направлением легкого намагничивания для ячейки монокристалла железа будет ребро куба, а наиболее труд­ного — диагональ; для ячейки никеля направление вдоль ребра куба будет соответствовать, наоборот, направлению трудного намагни­чивания. В тех случаях, когда анизотропия в поликристаллических магнетиках выражена достаточно резко, принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой. Получение заданной магнитной текстуры имеет большое значение и используется в тех­нике для создания в определенном направлении повышенных ма­гнитных характеристик материала.

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под вли­янием внешнего магнитного поля сводится: 1) к росту тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направ­лением поля, и к уменьшению размеров других доменов (процесс смещения границ доменов); 2) к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации). Магнитное на­сыщение достигается тогда, когда рост доменов прекратится и магнит­ные моменты всех спонтанно намагниченных микрокристаллических участков окажутся ориентированными в направлении поля. Схема ориентации спинов в доменах приведена на рис. 9-3.

При намагничивании ферромагнитных монокристаллов наблю­дается изменение их линейных размеров; это явление носит название магнитострищии. Магнитострикция монокристалла железа раз-

Легкое

ООО]

Среднее ЦЩ

Легкое

[НО

Среднее

ит

Легкое

[ООО!]

[то]

[ШЮ[

Рис. 9-2. Направления легкого, среднего и трудного намагничивания в монокри­сталлах железа, никеля, кобальта

Трудные

Н

Рис. 9-3. Схема ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика

л

Рис. 9-5

ична для разных направлений в кристалле. Монокристалл железа, намагниченный в направлении ребра куба, удлиняется в на­правлении диагонали, т. е. сжимается в направлении намагничи­вания. Магнитострикция наблюдается и у поликристаллических материалов. Из трех основных ферромагнитных элементов (Ре, №, Со) наибольшей магнитострикцией обладает никель (рис. 9-4). Знак магнитострикдионной деформации у различных материалов может быть как положительным (растяжение в направлении по­ля), так и отрицательным; изменение знака может наблю­даться также у одного и того же материала (например, железа) при изменении напряженности магнитного поля.

Протекание процессов намаг­ничивания ферромагнитного ма-

0 8 16 24 32 40 кА/м

Рис. 9-4

Рис. 9-4. Кривые магнитострикционной деформации никеля по трем направлениям

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]