Собственные и примесные полупроводники. Статистика носителей заряда в полупроводниках

 

Учреждение образования

Белорусский государственный  университет информатики и радиоэлектроники

 

Факультет заочного обучения

 

Специальность: «Медицинская электроника»

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по дисциплине

«Конструкционные и электротехнические материалы средств медицинской электроники»

вариант № 22

 

 

 

Савчука Юрия Игоревича

Группа № 001801

Зачетная книжка № 001801-18

 

 

       

 

 

 

 

Минск 2012

1 Собственные и примесные  полупроводники. Статистика носителей  заряда в полупроводниках.

Собственные полупроводники – это полупроводники, в которых можно пренебречь влиянием примесей на электропроводность  при  данной  температуре  ввиду  их  малого  количества.  В  них  отсутствуют  легирующие  элементы, которые вводят на этапе выращивания кристалла для обеспечения нужной величины удельного сопротивления.   При температурах, отличных от нуля, некоторые из электронов за счёт тепловых флуктуаций преодолевают потенциальный барьер и оказываются в зоне проводимости. В собственном полупроводнике при переходе электрона в зону проводимости в валентной зоне образуется дырка – положительный заряд, по модулю равный заряду электрона. Благодаря существованию дырок электроны валентной зоны тоже принимают участие в процессе электропроводности за счёт перехода по дыркам на более высокие разрешённые уровни валентной зоны. Таким образом, в этой зоне дырки движутся навстречу электронам, неся положительный заряд и обладая некоторой эффективной массой.                                                         Ч   Чем выше температура и меньше ширина запрещённой зоны, тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда–   электронов   и   дырок.   Одновременно   с   генерацией   в   полупроводнике   происходит   противоположный   процесс   –рекомбинация, т.е. возвращение электрона в валентную зону и исчезновение пары свободного электрона и дырки.

Примесные полупроводники, или легированные – это полупроводники, содержащие донорные или акцепторные атомы  или стехиометрически избыточные атомы  в количестве, сравнимом с количеством  собственных носителей заряда. Количеством   примесей   в   полупроводниках   и   положением   примесных   уровней   в   запрещённой   зоне   существенно определяются кинетические явления в полупроводниках, в том числе величина и тип проводимости, а также оптические свойства полупроводниковых мате-риалов.                                                                                                         П  Примеси в полупроводниках – это инородные атомы, растворённые в полупроводниках. Примеси в полупроводниках либо замещают в кристаллической решётке атомы основного вещества, образуя твёрдые растворы замещения, либо располагаются в междоузлиях, образуя твёрдые растворы внедрения.                                                      С   Следует различать остаточные примеси, которые не были удалены из полупроводника при очистке или случайно были введены в полупроводниковый материал при последующих технологических операциях, и легирующие примеси, намеренно вводимые в заданных количествах в полупроводник при легировании как в процессе приготовления поликристаллической шихты или выращивания монокристалла, так и в процессе изготовления p-n-переходов с целью придания всему материалу или определённым его участкам требуемых электрофизических свойств (например, определённой величины и типа проводимости). Введение легирующих примесей может обеспечивать воспроизводимые результаты только в том случае, если их концентрация в полупроводнике (которая должна быть ниже их предела растворимости при температурах, близких к комнатной)  значительно  выше  концентрации  остаточных  примесей.  Примеси  в  соответствии  с  их  воздействием  на физические свойства полупроводника могут находиться в электрически активном и электрически неактивном состояниях (в зависимости от условий введения и обработки). Электрически активные примеси могут быть однозначно активными, т.е. проявлять себя либо как доноры, либо как акцепторы, или амфотерно активными: часть примесных атомов может проявлять донорные свойства, а другая – акцепторные.                Э    Электрическая активность примеси характеризуется в основном числом и распределением связей атома примеси с соседними атомами полупроводника. Например, в полупроводниковых кристаллах со структурой типа алмаза (алмаз, Si, Ge) акцепторами  являются  элементы  III  группы  периодической  системы  Менделеева  (атомы  которых  устанавливают  связь только с тремя из четырёх окружающих их атомов и вызывают появление дырки), а донорами – элементы V группы (у которых после установления связей со всеми четырьмя соседними атомами остаётся один свободный электрон). Энергия ионизации примесных атомов III и V групп в Si и Се близки к 0,01 эВ, поэтому при комнатных температурах такие примеси почти полностью ионизированы. При малых концентрациях примеси создают локализованные энергетические уровни, расположенные  в  запрещённой  зоне  (примесные  уровни).  В  зависимости  от  того,  мало  или  сравнимо  с  шириной запрещённой зоны расстояние от примесного уровня до ближайшей разрешённой зоны, различают мелкие и глубокие примесные уровни. При больших концентрациях уровни сливаются, образуя примесные зоны, примыкающие к разрешённым зонам (такие полупроводники называются сильнолегированными). При изготовлении полупроводниковых приборов для создания p-n-переходов нужной конфигурации иногда приходится локально перекомпенсировать примесь одного типа (например, акцепторную) примесью другого типа (донорной), чтобы создать слой материала требуемого типа проводимости.             К   К группе электрически неактивных примесей (при определённых условиях, например при комнатной температуре) относятся атомы тех групп периодической системы, которые для данного полупроводника не являются однозначно легирующими примесями. Эти примеси в полупроводнике создают в запрещённой зоне два (иногда и более) глубоких примесных уровня. Их иногда намеренно вводят в полупроводник для придания ему особых свойств, например резкого уменьшения времени жизни неосновных носителей заряда. Примеси такого типа создают глубокие уровни, которые часто являются  эффективными  центрами  захвата  и  рекомбинации  носителей  заряда.  В  некоторых  случаях,  например  при изготовлении  полупроводниковых  кристаллофосфоров,  осуществляется  легирование  примесями,  создающими  глубокие уровни, и необходимая излучательная рекомбинация происходит между краем одной из разрешённых зон и глубоким уровнем или между двумя примесными уровнями, один из которых глубокий.                                                                                                                  П    Удельная электропроводность полупроводника сильно зависит от концентрации носителей. Концентрация носителей заряда положительно зависит от температуры. Следовательно, и удельная электропроводность полупроводника зависит от температуры.                                                             П   При увеличении температуры изменяется и подвижность носителей, которая уменьшается в результате увеличения рассеяния на тепловых колебаниях решётки. Но изменение подвижности незначительно по сравнению с изменением концентрации носителей, и поэтому она не играет практически роли в изменении удельной электропроводности при нагревании и охлаждении.

 
1.1 Вычислить собственную концентрацию носителей заряда в кремнии при T=250K, если ширина его запрещенной зоны Eg=1,12еВ, а эффективные массы носителей заряда m_n=1,05m₀, m_p=0,56m_{0 .}  

Решение. 
 
Концентрация собственных носителей заряда рассчитывается по формуле: 

 
 
 
 
где N_c – эффективная плотность состояний в зоне проводимости, 
 
N_v – эффективная плотность состояний в валентной зоне. 
 
Рассчитаем эффективные плотности: N_c=0, 9·10¹⁹ см^-3, N_v=0,35·10¹⁹ см^-3. 
 
Подставим эти значения в формулу концентрации собственных носителей заряда.

 
 
Ответ: n_i=5.35·10⁹ см^-3, N_c=0, 9·10¹⁹ см^-3, N_v=0,35·10¹⁹ см^-3.

 

 

2. Полимеры: классификация, структура, основные свойства, получение, применение.

Полимеры — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.                                                                                        Е   Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил межмолекулярного взаимодействия, они называются термопласты, если с помощью химических связей — реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвлённым, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно  выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (—СН₂—CHCl—)_n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров  в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения:белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множествонеорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Свойства:

Особые механические свойства:

• эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров  объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы  имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Классификация:

По химическому составу  все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

• Органические полимеры.
• Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремнийорганические соединения.

Следует отметить, что  в технических материалах часто  используют сочетания разных групп  полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвлённые (частный случай — звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость  в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей — молекул с разобщённым распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными. Полимеры с неполярными звеньями — неполярными, гидрофобными. Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными. Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами.

По отношению к нагреву  полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

 

Применение:

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

 

 

 

3. Низкокоэрцитивные  сплавы для слабых магнитных  полей.

 

Низкокоэрцитивные сплавы включают пермаллой и альсиферы.

Пермаллой - железоникелевый сплав, обладающий большой магнитной проницаемостью и очень малой коэрцитивной силой. Высоконикелевые сплавы содержат 72-83% никеля, а низконикелевые 40-50%. Для улучшения свойств пермаллоев в них, кроме никеля, вводят легирующие добавки: кобальт, марганец, хром, кремний и другие.                                                                     У    Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.                                   В     Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения. Низконикелевые сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.                                                                                                         С   Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом.                                                                                 А     Альсиферы - Тройные сплавы железа (85%) с кремнием (9.5%) и алюминием (5.5%), отличаются твёрдостью и хрупкостью.                                 П   Пермаллои применяют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, а альсиферы - высокочастотных прессованных сердечников.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

 

1.  Пасынков В.В.,  Сорокин  В.С.  Материалы электронной техники.-  М.:

Лань, 2001.- 368 с.

2.  Материалы микроэлектронной  техники.-  В.М.Андреев,  М.Н.Бронгулеева,  С.Н.Дацко,  Л.В.Яманова.  Под ред.  В.М.Андреева. -  М.:  Радио и связь - 1989. - 352 с.

3.  Преображенский А.А.,  Бишард Е.Г.  Магнитные материалы  и элеме-

менты - М.: Высш. шк., 1986.- 352 с.

4.  Материалы в приборостроении  и автоматике:  Справочник /  Под  ред. 

Ю.М.Пятина. -М.: Машиностроение. - 1982. -528 с.