Примесные полупроводники - раздел Образование, И.З. ШАРИПОВ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Полупроводники Любой Степени Чистоты Всегда Содержат Примеси. Примеснные Атом...
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 решетке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости.
С точки зрения зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Энергетические уровни пятого электрона атомов мышьяка располагаются в запрещенной зоне полупроводника. Эти уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости на расстоянии Ed ≈ 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.
ne > np , (2.9)
Соответственно, электронная проводимость будет больше дырочной.
σe > σp , (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 «заимствовать» 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:
np > ne , (2.11)
Соответственно, дырочная проводимость будет больше электронной.
σp > σe, (2.12)
Энергетические уровни примесных атомов индия располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи валентной зоны проводимости на расстоянии Ed ≈ 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.
Все темы данного раздела:
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Рекомендовано редакционно-издательским советом УГАТУ в качестве учебного пособия для студентов вечерней и заочной формы обучения
I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
К неметаллическим материалам относятся разнообразные по природе и строению материалы – органические и неорганические, полимерные и мономерные, кристаллические и аморфные. Например, графит, стекло,
Основные процессы в диэлектриках в электрическом поле
При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем происходят четыре основных процесса:
1. электропроводность,
2. поляризация,
3. диэлектрические потери
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным изолятором, т.е. совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках всегда содержатся примеси, их структура имее
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрики практически не содержат свободных зарядов, однако любое вещество состоит из электрически заряженных частиц, которые находятся в связанном состоянии. П
Электронная поляризация
Электронная поляризация возникает в неполярных диэлектриках, в которых молекулы не обладают собственным дипольным моментом. В этом случае атом или молекула (например, атом водорода) представляет со
Ионная поляризации
Данный вид поляризации происходит в случае, когда вещество образуют ионы. Рассмотрим, например, ионный кристалл NaCl. Кристаллическая решетка его представляет собой пространственную кубическую реше
Дипольная поляризация
Дипольная поляризация возникает в полярных диэлектриках, молекулы которых являются диполями. В этом случае при отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотич
Спонтанная поляризация
Спонтанная поляризация происходит в материалах, называемых сегнетоэлектриками. Первоначально такой механизм поляризации был обнаружен у сегнетовой соли, из-за чего весь класс матер
Активные диэлектрики
Активными диэлектриками называют материалы с особыми электрическими свойствами – с большой величиной диэлектрической проницаемости, сильной зависимостью от внешних воздействий и т.д. К ним относятс
Диэлектрические потери
Диэлектрические потери это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с двумя рассмотренными процессами в диэлектрике: электропровод
Зависимость тангенса угла потерь от температуры
Общие потери диэлектрика складываются из потерь на электропроводность и потерь на поляризацию. При нагревании меняются все свойства диэлектрика, в том числе и электропроводность и п
Зависимость тангенса угла потерь от частоты
Для неполярных
При воздействии электрического поля свободные носители зарядов разго
Пробой диэлектриков
Пробой диэлектрика – это потеря материалом диэлектрических свойств, то есть при больших напряженностях электрического поля, температурах и других внешних воздействиях диэлектрик может про
Электрический пробой
Почему же при больших напряженностях электрического поля диэлектрик начинает проводить электрический ток, что происходит в материале?
В исходном состоянии диэлектрик не проводит электричес
Электротепловой пробой
Материал, помещенный в электрическое поле, нагревается из-за диэлектрических потерь, т.е. выделения тепла. Нагретое тело отдает тепло окружающей среде, и чем больше нагревается – тем больше отдаетс
Электрохимический пробой
В диэлектрике под действием электрического поля происходят различные химические процессы, что с течением времени приводит к изменению химического состава диэлектрика: в нем появляются продукты разл
Собственные полупроводники
Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов: германий, кремний, селен, теллур и др., и многие химические соединения: а
Применение полупроводников
Полупроводники обладают разнообразными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа образуются p-n переход
II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
2.1. Диаграмма растяжения
Мы изучили разные материалы с точки зрения их электрических свойств – полупроводники, диэлектрики, проводники. Для применения не
III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов
3.1. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла
При деформации металла большая часть затрачиваемой работы (~95%) идет на
Рекристаллизация
При нагреве деформированного металла до более высоких температур (>0,4 Тпл) начинается рекристаллизация (рис.43.). Образуются совершенно новые зерна, с неискаженной решеткой, отделенн
Цементация
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом С.
Азотирование
Азотированием называется процесс насыщения поверхности металла азотом N. Для создания активной среды используют газ аммиак (NH3), который под действием высокой температуры диссоциирует,
Нитроцементация
Нитроцементация – процесс одновременного насыщения поверхности металла азотом N и углеродом С. Средой является газовая смесь метана и амммиака.
Условия протекания процесса:
t = 84
Цианирование
Обработка металла в жидкой среде расплавленных цианистых солей натрия NaCN.
Условия протекания процесса:
t = 820 - 920 ˚C
τ = 0,5– 1 ч
∆ = 0,15 -
Диффузионная металлизация
Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхности деталей различными металлами. Диффузия металлов идет значительно медленнее, чем азота или углерода, поэтому образующиеся слои в десятки раз
IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления д
Критерии оценки конструкционной прочности материалов
Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.
Критерии прочности материала выбирают
Медные сплавы
Медь – металл желтого цвета, высокотехнологичный, хорошо сваривается, паяется, обрабатывается давлением, обладает отличной пластичностью, характеризуется высокими теплопроводностью и электропровод
Алюминиевые сплавы
Алюминий –очень легкий серебристо-белый металл, его плотность 2.7 г/см3 , т.е. он в три раза легче меди. Алюминий обладает высокой пластичностью, хорошими теплопроводностью и электропро
Магний и его сплавы
Магний – сверхлегкий металл, легче алюминия, плотность 1,74 г/см3 , температура плавления 651 оС. Химически чрезвычайно активен, при нагреве на воздухе воспламеняется и горит
Титан и его сплавы
Титан – тугоплавкий металл серого цвета, температурой плавления t = 1665 оС, с высокой прочностью sв = 250 МПа и пластичностью d = 70% . При этом плотность его небольшая r = 4
Химический состав
В качестве конструкционных материалов широко применяются органические полимеры. Органические полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из длинной углеродной цепи к которой присоединены атом
Строение полимеров
Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из очень длинных цепочек атомов, называемых макромолекулами. Они состоят из многократно повторяющихся одинаковых звеньев – мономеров. М
Свойства полимеров
Рассмотрим общие свойства некоторых распространенных полимерных материалов (Табл.11.).
· Термопласты
Полиэтилен – продукт полимеризации этилена,
Полимеры с наполнителями
Полимеры с наполнителями являются композиционными материалами, которые подробнее мы рассмотрим в следующих разделах. Здесь же приведем свойства некоторых из них.
Гетинакс
Эффективность применения полимеров
Современные полимерные материалы все шире применяются в технике из-за их высоких свойств и технологичности. Так например, для изготовления детали из металла требуется сделать отливку, отрезать, обт
Ситаллы
Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной кристаллизации с помощью добавок катализаторов. В результате доля кристаллической фазы составляет 30–90%, размеры крис
Керамика
Керамика — неорганический материал, получаемый путем обжига при высокой температуре 1200—2500°С. Первоначально керамикой называли обожженную глину, «керамикос» по гречески глиняный. Сейчас этот тер
Волокнистые композиционные материалы
Волокнистые композиционные материалы представляют собой относительно мягкую матрицу, которая связыв
Новости и инфо для студентов