Занятие №8 Полупроводниковые и магнитные материалы их свойства и область применения
Полупроводниковые материалы
Полупроводниками – называются твёрдые вещества, которые в чистом виде, при нормальной температуре по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (удельное сопротивление 10-6…10-7 Ом×м).
Электропроводность полупроводников сильно зависит от:
а) температуры;
б) освещённости;
в) напряжённости электрического поля;
г) дозы примесей постороннего вещества.
Основные полупроводники (Ge, Si) – четырёхвалентны.
| Валентные электроны каждого атома связаны ковалентно с соседними по кристаллической решетке атомами, при этом все атомы имеют законченные 8-ми электронные внешние оболочки, и в чистом полупроводнике при температуре близкой к абсолютному нулю электропроводность отсутствует. |
При повышении температуры, увеличивается энергия электронов и ковалентные связи могут разрываться. При этом возникают свободные электроны (-) и незаполненные связи – дырки, несущие условный положительный заряд (+). Появляется незначительная собственная проводимость полупроводника.
Для создания полупроводниковых приборов требуются материалы с преимущественно электронной или дырочной проводимостью. Их получают вводя в чистый полупроводник легирующие примеси:
а) при введении в 4 - х валентный полупроводник донорной (5-ти валентной) примеси (например в германий - мышьяк или сурьму), в п/п образуется избыток свободных электронов и возникает проводимость типа «n» - электронная;
б) при введении акцепторной (3 - х валентной) примеси (например в германий- индий) в п/п образуются незаполненные ковалентные связи – дырки, и возникает проводимость типа «p» -дырочная.
Электронную и дырочную проводимости называют – примесными.
Основные полупроводниковые материалы:
а) чистые химические элементы: Ge, Si, Se, Te используют как основные полупроводники, а также химические элементы вводимые в виде активных примесей: P, As, B, Sn, In, Ga;
б) кристаллические окислы металлов: CuO, ZnO, KdO и др.;
в) бинарные и более сложные химические соединения: нитриды, фосфиды, арсениды, карбиды и др.;
г) органические полупроводники.
Германий - в природе встречается часто, но в очень малых количествах. В чистом виде серебристо - серого цвета, очень твёрдый и хрупкий. Плотность ~3,5 г/см3. Очищают Ge методом зонной плавки. Монокристаллы выращивают методом вытягивания из расплава.
Используют для диодов, транзисторов, датчиков и т.п. Рабочая температура до 80 0С.
Кремний - один из самых распространённых химических элементов. Менее технологичен, чем германий. В чистом виде тёмно-серого цвета. Плотность ~ 2,3 г/см3. Используют аналогично. Рабочая температура до 180 0С.
Селен - редкоземельный химический элемент. Для полупроводникового производства используют кристаллический серый селен. Основное назначение – выпрямители и фотоэлементы.
Карбид кремния (SiC) - используют в высокотемпературных полупроводниковых приборах. Рабочая температура до 700 0С.
Арсенид галлия (GaAs) – применяется для ВЧ приборов, работающих при температуре 300 … 400 0С.
Основным элементом полупроводниковых приборов являются «p-n» переходы, имеющие одностороннюю проводимость.
| З.Р. – зона рекомбинации, в которой практически отсутствуют свободные носители тока |
При приложении к «p-n» переходу электрического напряжения, возможны:
| а) прямое включение – через переход идёт значительный электрический ток |
| б) обратное включение – переход заперт и через него проходит только малый обратный ток. |
Виды п/п приборов:
1) Диоды (вентили, детекторы) – образованы одним «p-n» переходом и имеют одностороннюю проводимость.
По конструкции - точечные (маломощные) и плоскостные (вентили).
2) Транзисторы – содержат два «p-n» перехода. Бывают: прямой «p-n-p» и обратной «n-p-n» проводимости. Используются в усилителях, генераторах и других устройствах. Выпускают: малой, средней и большой мощности.
3) Тиристоры – имеют четырёхслойную структуру и характеризуются двумя устойчивыми состояниями: «открыт – закрыт». Различают:
а) диодные тиристоры (динисторы) - с двумя выводами, состояние «закрыт» или «открыт» определяется подводимым напряжением;
б) тринисторы – имеют управляющий электрод; подачей на него небольшого управляющего напряжения, можно регулировать большой проходящий ток;
в) симисторы – симметричные тиристоры, позволяющие регулировать оба полупериода проходящего тока.
2. 4Магнитные материалы
Все вещества в природе разделяются на:
1) Диамагнитные – ослабляют магнитное поле.
2) Парамагнитные – незначительно усиливают магнитное поле.
3) Ферромагнитные – способны намагничиваться и усиливать магнитное поле в десятки … сотни тысяч раз: Fe, Ni, Co и их сплавы.
Магнитные свойства характеризуют:
а) магнитным потоком Ф (Вб);
б) магнитной индукцией В (Тл), т.е. интенсивностью магнитного потока;
в) напряжённостью магнитного поля Н (А/м), т.е. интенсивностью поля в вакууме;
г) магнитной проницаемостью материалаμа = μо× μr,
где μо = 4π×10-7 Гн/м – магнитная постоянная, μr - относительная магнитная проницаемость. Для вакуума (воздуха) μr = 1.
| У ферромагнетиковμа сильно зависит от Н. |
Для них характерно также явление гистерезиса (т.е. отставание магнитной индукции от напряжённости поля), возникающее при намагничивании и перемагничивании ферромагнитного материала.
 
| ОА – кривая начального намагничивания, А и А' – точки магнитного насыщения материала, Вr – остаточная магнитная индукция, Нс – коэрцитивная сила, т.е напряжённость поля необходимая для полного размагничивания сердечника. |
Площадь петли гистерезиса построенная в масштабе, отображает потерю энергии на полный цикл перемагничивания ферромагнитного сердечника.
Материалы с малой Нс и малыми потерями на перемагничивание называют – магнитно-мягкими. Их используют для сердечников работающих в переменных магнитных полях (сердечники электрических машин, трансформаторов и др.).
Материалы с большими значениями Нс, Вr и широкой петлёй гистерезиса называют – магнитно-твёрдыми. Их используют для постоянных магнитов.
Каждый ферромагнетик имеет свою температуру Кюри, т.е. потери магнетизма. На магнитные свойства материалов сильно влияют их химический состав и технология изготовления.