Характеристика кристаллических решеток

Карбид кремния. Он является единственным бинарным соединением, образованным полупроводниковыми элементами IV группы таблицы Менделеева. Это полупроводниковый материал с большой шириной запрещенной зоны (2,8...3,1 эВ) (в зависимости от модификаций). Карбид кремния применяют для изготовления полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах (до 700 °С).

Кристаллы карбида кремния  полупроводниковой чистоты получают методом возгонки в печах с графитовыми нагревателями и экранами. Процесс кристаллизации проводят в атмосфере аргона при температуре 2400... 2600 °С. Получаемые кристаллы обычно имеют пластинчатую форму с размером в поперечнике примерно 1 см. Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив к окислению до температур свыше 1400 °С.

Электропроводность кристаллов SiC при нормальной температуре примесная. Тип электропроводности и окраска кристаллов карбида кремния зависят от инородных примесей или определяются избытком атомов Si или С по сравнению со стехиометрическим составом. Избыток Si приводит к электронной электропроводности SiC, а избыток С - к  дырочной.

Карбид кремния применяется  для серийного выпуска варисторов (нелинейных резисторов), светодиодов, а также высокотемпературных диодов, транзисторов, тензорезисторов, счетчиков частиц высокой энергии, способных работать в химически агрессивных средах.

Полупроводниковые соединения А^/// В^V/ являются ближайшими аналогами кремния и германия. Практическое значение имеют нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Получают эти соединения или из расплава, который содержит элементы в равных атомных концентрациях, или из раствора соединения, имеющего в избытке элементы III группы, а также из газовой фазы. Кристаллы антимонидов, арсенидов галлия и индия обычно выращивают из расплава вытягиванием на затравку из-под инертного флюса. Монокристаллы, полученные из расплава, обладают недостаточно высокой химической чистотой. Для очистки используются те же методы, что и для очистки германия и кремния.

Арсенид галлия среди соединений  занимает особое положение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая подвижность электронов (0,85 м²/В·с) позволяют создавать на его основе приборы, работающие при высоких температурах и высоких частотах.

Первым полупроводником являлся GaAs, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер. Он используется для изготовления светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Для изготовления детекторов в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, термоэлектрических генераторов, тензометров применяется антимонид индия InSb, имеющий очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов (7,7 м²/В·с).

Широкое применение в  серийном производстве светодиодов нашел фосфид галлия GaP, имеющий большую ширину запрещенной зоны (2,25 эВ). В отличие от других соединений группы чрезвычайно высокой чувствительностью к механическим напряжениям обладает антимонид галлия GaSb. Удельное сопротивление GaSb увеличивается в 2 раза при воздействии давления 4·10⁸ Па. При таком же давлении, приложенном к кристаллам GaAs и IпР, их удельное сопротивление меняется лишь на 3 %. Благодаря высокой чувствительности к деформациям антимонид галлия используют при изготовлении тензометров.

К полупроводниковым  соединениям A^//B^V/ относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды.

Технология выращивания  монокристаллов соединений A^//B^V/ разработана гораздо менее полно, чем технология полупроводников типа A^///B^V. Широкозонные полупроводники A^//B^V/ представляют собой в технологическом отношении трудные объекты, так как обладают высокими температурами плавления и высокими давлениями диссоциации в точке плавления. Выращивание таких материалов в большинстве случаев осуществляется перекристаллизацией предварительно синтезированного соединения через паровую фазу в запаянных кварцевых ампулах.

Применяют соединения A^//B^V/ в большинстве случаев для создания промышленных люминофоров, фоторезисторов, высокочувствительных датчиков Холла и приемников далекого инфракрасного излучения.

Среди полупроводниковых  соединений типа A^//B^V/ наиболее изученными являются халькогениды свинца: PbS, PbSe, PbTe, сульфид, селенид и теллурид свинца. Эти соединения являются узкозонными полупроводниками. Халькогениды свинца используют для изготовления фоторезисторов в инфракрасной технике, инфракрасных лазеров, тензометров и термогенераторов, работающих в интервале температур от комнатной до 600 °С.

5.4. Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством  которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, иолекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров роложительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Используемые в качестве изоляционных материелов диэлектрики  называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения.

По химическому составу  их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

Из многообразия свойств  диэлектриков, определяющих их техническое  применение, основными являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном  воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей  скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере.. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

Диэлектрическая проницаемость  и поляризованность. На рис.18 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h.  В конденсаторе (рис.35,а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рис.35,б) – диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U , то напряженность электрического поля E = U / h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q₀ (на рис.35,а – квадраты).

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные  и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические  диполи с электрическим моментом: m = ql, где q – суммарный положительны (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l – рсстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Рис.35

Для компенсации поляризационных  зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д. Суммарный полный заряд в конденсаторе с диэлектриком: Q = Q₀ + Q_д = ε_rQ₀,

где ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость  конденсатора с вакуумом между электродами:

С₀ = Q₀/U.

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами:

C = Q/U.

Из этих формул следует, что ε_r = С/С₀ – отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости того же конденсатора, где между электродами вакуум.

Емкость плосконо конденсатора: С = ε₀ ε_r S/h, где ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м – электрическая постоянная. Произведение ε₀ ε_r = ε, называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Поляризованное состояние  диэлектрика характеризуется также  электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р (Кл/м²), которая связана с диэлектрической пронициемостью Р = ε₀(ε_r –1)Е. Поляризованность является векторной величиной.

Поляризация диэлектриков.

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток. К таким быстрым поляризациям относятся электронная (завершающаяся за время 10^-16…10^-13с) и ионная упругая (завершающаяся за время 10^-14…10^-13с).

Электронная поляризация. В электрическом поле в атомах, ионах или молекулах деформируются электронные оболочки. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10^-13 м) в пределах своих атомов и молекул. Такая поляризация происходит у всех атомов и молекул независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации.

Нв рис.36,а схематически изображены деформация в электрическом  поле электронной оболочки атома  водорода.

Рис.36

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются: газы – гелий, водород, азот, метан; жидкости – бензол, четыреххлористый углерод; твердые – алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин.

Значение диэлектрической  проницаемости газообразных диэлектриков мало отдичается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с ростом температуры уменьшается незначительно и не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 10¹² ... 10¹³ Гц. На рис.37 представлена зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков.

Рис.37

Ионная упругая поляризация происходит в кристаллических диэлектриках, построенных их положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рис.36,б).  Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость. Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10¹² – 10¹³ Гц. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле.

Неупругие поляризации.

К неупругим относится  дипольная поляризация, которая наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательных зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH₃, пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензол C₆H₅Cl, нитробензол C6H5NO₂. В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация (дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул.

Для ориентации диполя требуется  время, называемое временем релаксации τ, которое прямо пропорционально  вязкости диэлектрика и обратно  пропорционально температуре. При  увеличении температуры вязкость диэлектрика  экспоненциально уменьшается, поэтому уменьшается и τ. В этой области температур ε_r с ростом температуры увеличивается (рис. 38,а, участок б-в). Уменьшение ε_r на участке в-г вызывается разориентацией полярных молекул в результате теплового движения; на участке а-б  -  уменьшением плотности.