Полупроводникови елементи

[Mozo]

У Х Т – П Л О В Д И В
ТЕХНИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ
КАТЕДРА - АВТОМАТИКА, ИНФОРМАЦИОННА И УПРАВЛЯВАЩА ТЕХНИКА


Р Е Ф Е Р А Т

Тема:
Полупроводникови материали

на
Илхан Илязов Мехмедов
Фак.№ : 28027
специалност : АИУТ
курс : IV





Пловдив Научен ръководител:…………………….
2014 г. /доц. Иван Маслинков/
Съдържание

1. Общи свойства на полупроводниците
1.1 Свойства на силиция, германия и селена
2. Електропроводимост в полупроводниковите материали
2.1 Механизъм на собствената проводимост
2.2 Механизъм на примесната проводимост
2.3 Влияние на външни фактори върху електропроводимостта
1. Влияние на температурата
2. Влияние на облъчването и електрическото поле
3. Видове полупроводникови материали и приложението им в техниката
3.1 Химични елементи, като полупроводникови материали
3.2 Химични съединения, като полупроводникови материали

1. Общи свойства на полупроводниците и видове

Полупроводниците са материали със специфично съпротивление при нормална температура в границите 10-5÷10 8, Ω.m. Те, както и металите, притежават електронна проводимост, но преминаването на електричен ток през тях е сложно квантово явление. Присъщи на полупроводниковите материали свойства са:
• многократно изменение на специфичното съпротивление в резултат на външни енергетични въздействия – светлина, топлина, електрично и магнитно поле, механични напрежения и др.;
• значителна зависимост на електричната проводимост от примеси;
• чрез подходяща технология е възможно реализиране на елемент с еднопосочна електрична проводимост.
• сравнително малка забранена зона, с широчина от порядъка на 0,2 – 3еV
Полупроводниковите материали имат кристална структура, най – често с ковалентна връзка.
Понастоящем за направата на полупроводникови елементи най-широко се използват силиция, германия и селенът. Полупроводниците се разделят на две големи групи.
а) елементарни полупроводници – силиций (Si), германий (Ge), селен (Se), телур (Те), въглерод С, бор (В), сяра (S), фосфор (Р), арсен (As) и др.
б) полупроводникови съединения - меден окис (Cu2O), кадмиев сулфид (CdS), силициев карбид (SiC), галиев арсенид (GaAs), индиев антимонид (InSb), оловен сулфид (PbS) и др. Тук спадат и съединения от вида АIII и BV, представляващи съединения между химическите елементи от III и IV група на периодичната система.Тук могат да се отнесат и редица органични съединения, които имат полупроводникови свойства.

Фиг. 1.1
Главните особености, които характеризират всички полупроводници са следните:
1. По своята електрическа проводимост (при стайна температура) чистите полупроводници заемат средно място между проводниците и изолаторите (фиг. 1.1). От там е дошло и тяхното наименование;
2. Прибавянето на много малък процент примеси повишава естествената електрическа проводимост на полупроводниците;
3. Температурата особено силно влияе върху електрическото съпротивление на полупроводниците, като с нейното повишаване съпротивлението им намалява. Следователно за разлика от металите полупроводниците имат отрицателен температурен коефициент на съпротивлението;
4. Механизмът на електрическата проводимост на полупроводниците се различава качествено от този на металите. При металите електрическата проводимост е само електронна, а при полупроводниците тя е електронна и дупчеста.
1.1 Свойства на силиция, германия и селена
Силиций. Открит е 1824 г. от Берцелиус и принадлежи към IV група от периодичната система, т.е. той е от IV валентност. Поредния му номер е 14, а атомната му маса е 28.06. Съществуват две модификации на силиций – аморфна и кристална. В природата силиция се среща само в съединено състояние главно във вид на окиси, които образуват кварц, пясък, глина, гранити и др. Кристалния силиций е тъмносиво, твърдо и крехко вещество, с метален блясък, което се топи при 14140. Специфичното му съпротивление при стайна температура е r=105Wcm. Оставен на въздуха се покрива с окисен пласт. Чистия силиций се получавай най-често чрез окисляване в електрическа пещ, а пречистването му може да се извърши по метода на зонното стапяне (фиг. 1.2).

Фиг. 1.2
Той се основава на факта, че разтворимостта на повечето примеси е по-голяма в течна фаза отколкото в твърда. Ето защо при постепенното охлаждане на разтопения полупроводник във втвърдените части ще има по-малко примеси отколкото в останалите течни части. Осъществява се, като силициевата отливка се поставя в продълговат графитен съд. Той се вкарва в кварцова тръба, през която циркулира водород, за да не се окислява силиция. Около тръбата е навита бобина, през която тече голям високочестотен ток и стопява част от отливката, обхваната от бобината. Когато бобината се движи бавно спрямо тръбата, стопеният участък също се мести от единия край към другия. При това местене в стопената зона остават чуждите примеси, а останалата част, която изстива, е вече пречистена. Ако тази операция се повтори много пъти или ако кварцовата тръба се направи дълга и върху нея се поставят няколко бобини, може да се получи извънредно чист силиций.
Така полученият силиций има поликристална структура. За получаването на монокристали се използва методът на Чохралски, който се състои във следното. В разтопен силиций, който има температура близка до втвърдяването, се потапя пръчка (“зародиш”) също от силиций. Понеже пръчката има по-ниска температура,силиция, който е в непосредствена близост до нея се втвърдява и залепва за нея. При бавно изтегляне и въртене (скорост 3-4 сантиметра в час и 1-2 оборота в минута) се образува силициев монокристал. За да се избегне окисляването, целия процес се извършва в неутрална атмосфера.
Германий. Германият представлява крехък, светлосив материал. Неговото съществуване е предсказано от Менделеев през 1870г., който го е нарекъл екасилиций. През 1886г. е открит от Винклер, който му дава съвременното наименование. Германият е твърде рядък елемент – съдържанието му в земната кора се оценява на около 7.10-4%. Получава се от GeCl4, който се хидролизира, докато се получи GeO2. Последният се редуцира до прахообразен германий във водородна среда и се преработва чрез топене в графитна ладия и инертна атмосфера до получаване на германиеви слитъци. По-нататъшната обработка има за цел почистване на германиевите слитъци от примесни атоми и кристализация до получаването на бездефектни кристали с необходимата чистота. Това става по методите на зонното топене или изтегляне на кристал от течна фаза.
Примесните германиеви полупроводници от N - тип се получават чрез легиране с антимон или арсен, а от P - тип – чрез легиране с галий. Работният температурен интервал за германиевите елементи е от –60 до +70°С.
Сравнително ниската горна гранична температура е сериозен недостатък на германиевите прибори.
Изработеният през 1948г. транзистор е германиев, но впоследствие постепенно
германият започва да отстъпва на силиция като материал за изработване на полупроводникови елементи. Независимо от това, той се използва за изработване на специални прибори – датчици на магнитни полета, оптични лещи за инфрачервени лъчи, оптични филтри, модулатори на светлината, броячи на ядрени частици.

Целият материал: