B C N
Al Si P
Ga Ge As
In Sn Sb
акцепторы основа доноры
Для основного материала IV группы координационное число (число соседей) – 4.
У донорных примесей V группы оказывается лишний электрон, связь которого ослаблена. Именно этот электрон и формирует донорный уровень в запрещенной зоне собственного полупроводника.
У примесей III группы не хватает электрона для построения 4 координационной сетки. При заимствовании электрона у основного материала образуется «дырка» (разорванная связь). В запрещенной зоне формируется акцепторный уровень, на который легко переходят электроны из валентной зоны (но не в зону проводимости). Близкие уровни называются уровнями прилипания и способствуют увеличению времени жизни неравновесных носителей заряда. Глубокие примесные уровни (Cu, Mn, Fe, Au) способствуют рекомбинации неравновесных носителей заряда.
 |  |  | |  | |||||||
 | |||||||||||
 | |||||||||||
 | |||||||||||
 |  |  |  | |
а б в г д
Рис. Зонные диаграммы полупроводников: а - собственного, б – с донорной примесью, в – с акцепторной примесью, г – с высокой концентрацией примеси, д – сильно легированный.
В полупроводниках проводимость определяется дрейфом и электронов и дырок:
s = q (n un + p up),
s = so exp (-Eg / 2 k T), ln s = ln so - (Eg / 2 k T),
где Еg - ширина запрещенной зоны, so - постоянная, которой придается смысл проводимости при Т® ¥, когда возбуждены все электроны (s ® so).
Концентрация носителей заряда в полупроводнике существенно зависит от температуры, и проводимость s также зависит от температуры.
При 1 / Т = 0 ln s = ln so. По экспериментально полученной температурной зависимости можно вычислить величину Еg:
|
|
tg g = Eg / 2 k.
ln s
ln so
 |
1 2
3
g
 |
0 1 / QD 1 / T
Рис. Температурная зависимость проводимости (1) собственных, (2) сильнолегированных и (3) слаболегированных полупроводников.
При низких температурах доминирует примесная проводимость. Наибольшая проводимость слаболегированных полупроводников (3) соответствует максимуму подвижности в области дебаевской температуры. Максимум у сильнолегированных проводников (2) сглажен ввиду отсутствия области истощения примеси. При высоких температурах доминирует собственная проводимость (1).
С увеличением давления запрещенная зона может существенно уменьшаться, превращая диэлектрик в проводник. При низкой температуре могут проявиться сверхпроводниковые свойства.
У металлов и сильнолегированных полупроводников ТКС, как правило, положительное, т.к. с увеличением температуры все больше доминирует взаимодействие электронов с решеткой. Собственные и слаболегированные полупроводники имеют отрицательное значение ТКС, поскольку с увеличением температуры Т увеличивается концентрация носителей заряда и, следовательно, проводимость, а удельное сопротивление падает. Температурная зависимость проводимости полупроводников гораздо резче, чем у металлов. Эта зависимость в терморезисторах (термисторах) используется для измерения и регулировки температуры. Изменение концентрации носителей заряда может происходить не только под влиянием температуры Т, но и сильных электрических полей и электромагнитного излучения для измерения их количественных характеристик также используются термисторы.
|
|
К температурным свойства резисторов в зависимости от применения могут предъявляться следующие требования:
1 - постоянство сопротивления,
2 - изменение сопротивления пропорционально температуре (положительный ТКС),
3 - изменение сопротивления обратно пропорционально температуре (отрицательный ТКС),
4 - резкое изменение сопротивления при определенной температуре (пороговая, бинарная характеристика типа выключателя).
Наиболее широко применяются термисторы с линейной характеристикой в качестве датчиков температуры, силы тока, расхода жидкости или газа. Положительный ТКС обеспечивают металлы, отрицательный – полупроводники (германий, оксид рутения). Используется платиновая проволока. Тонкопленочные термисторы изготавливают на основе платины, сплава родия с железом.
Термисторы с положительным ТКС может использоваться в цепях токовой защиты. При увеличении тока сопротивление термистора увеличивается, уменьшая падение напряжения во внешней цепи.
Сочетание термисторов с отрицательным и положительным ТКС обеспечивает равномерность сопротивления резистора в широком диапазоне температур.
Для бинарного термистора (резистора с 2-мя основными значениями сопротивления) может быть использован сегнетоэлектрик титанат бария (Ba Ti O3). При низкой температуре высокая диэлектрическая проницаемость ε препятствует образованию потенциальных барьеров на границах зерен, т.е. обусловливает низкое сопротивление. При температуре выше точке Кюри (123oC) ε резко уменьшается, и появление потенциальных барьеров способствует резкому повышению сопротивления. Вне окрестностей температуры Кюри имеет место небольшой отрицательный ТКС.
|
|
Резко нелинейное сопротивление имеет и полимерный резистор, в котором между тонкими слоями пластика помещены гранулы графита. При низкой температуре гранулы контактируют друг с другом, образуя проводниковые дорожки. На небольшом интервале повышения температуры наблюдается увеличение сопротивления за счет расширения слоя пластика до тех пор, пока не наступит полная изоляция гранул графита.
Термисторы с бинарной характеристикой используются в системах автоматического включения освещения, предохранителях.
Проводимость в сильном электрическом поле
В зависимости от величины напряженности происходят различные эффекты в веществе.
Под действием электрического поля электрон увеличивает скорость дрейфа. Это явление известно как термоэлектронная ионизация (Френкеля). Слово “термо” связано с тем, что ускоренные электроны (разогретые) чаще сталкиваются с КР, передавая ей энергию. Растет концентрация фононов. Т.о. энергия электрического поля переходит в энергию теплового движения. В стационарном состоянии количество энергии, получаемой электронами от поля, равно количеству энергии, передаваемой ими КР и выделяющейся в виде тепла.
Закон Джоуля - Ленца в дифференциальной форме показывает какое количество тепла Q должно выделиться в единице объема проводника в единицу времени:
Q = N Vдр q T = q N u E2 = s E2 = i E.
Е [ В/см]
1011 — Холодная эмиссия
107 — Пробой
106 — Электростатическая ионизация
105 — Ударная ионизация
104 —
103 — } Термоэлектронная ионизация
10 —
0 —
При Е > 105 В/см электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации вещества. При столкновении электронов с атомами происходит генерация электронно-дырочных пар. Это ударная ионизация. Проводимость s начинает зависеть от напряженности поля Е. Нарушается закон Ома (j = s E).
При Е > 106 В/см существенно повышается вероятность туннельных переходов через запрещенную зону. Это еще больше увеличивает концентрацию носителей заряда. Происходит электростатическая ионизация вещества (эффект Зиннера).
При Е > 107 В/см происходит лавинообразный рост концентрации носителей заряда, приводящий к невосстанавливаемому разрушению полупроводников.
При Е > 1011 В/см не только понижается потенциальный барьер, но уменьшается его толщина. Электроны приобретают достаточно энергии для выхода их из кристалла - происходит холодная эмиссия электронов. Дрейфовая скорость движения электронов становится сопоставимой с тепловой скоростью. Поток электронов имеет направленный характер. Плотность тока при холодной эмиссии:
j = C E2 exp (- a / E),
где С и а - постоянные, характеризующие потенциальный барьер.
Выбор электропроводящих материалов.
Критерии
- электрические: проводимость (с учетом скин - слоя),
– механические: адгезия, жесткость, упругость, пластичность, противостояние истиранию, прочность на изгиб, вибропрочность,
- тепловые: термостабильность, мощность рассеяния – допустимая температура перегрева (Тдоп),
- сопротивляемость (резистентность) воздействию внешней среды: коррозионная стойкость, кислотостойкость,
- оптическая прозрачность.
Объемные материалы
| Вид проводникового материала | Условия применения | Механические, термические требования |
| Al, Cu с покрытиями Ag, Bi - Sn, реже Au | Провода: цельные ↔ многожильные | Пластичность |
| Сталь | Высоковольтные многожильные провода | Прочность |
| Сплавы Fe, Al, Cu | Корпуса с электромагнитной защитой | Жесткость |
| Пасты с углеродом (для металлизации полимерного корпуса) | Корпуса с электростатической защитой | Вязкость, Сочетание ТКЛР проводящего покрытия и материала корпуса |
| Сталь с покрытием, Сплавы меди (бронза) | Пружины контактные, плоские (мембранные), витые | Упругость, прочность на изгиб |
Контактные материалы.
Для разрывных контактов в слаботочных контактах, кроме чистых тугоплавких металлов вольфрама и молибдена применяют платину, золото,серебро, сплавы на их основе и металлокерамические композиции, например, Ag - CdO. Сильноточные разрывные контакты обычно изготовляют из металлокерамических материалов и композиций, например, серебро - никель, серебро - графит, медь - вольфрам - никель и др. Для скользящих контактов часто используют контактные пары из металлического и графитосодержащего материалов, а также проводниковые бронзы, латуни (сплавы меди и цинка), твердую медь и медь, легированную серебром (для коллекторных пластин) и др. материалы.
Материалы пленочных проводников.
Фольгированные диэлектрики.
Тонкопленочны е проводники многослойны. Основу составляют напыляемые материалы высокой проводимости: Ag, Cu. Однако эти материалы обладают малой адгезией с материалом подложки, поэтому возникает необходимость дополнительного напыляемого адгезионного слоя из NiCr или Pd (подслоя) между подложкой и основным слоем. Для устройств, функционирующих на частотах выше 3 ГГц толщина проводника порядка 4 – 6 мкм бывает достаточной – это около 3 d (толщин скин- слоев).
Для низкочастотных устройств толщина проводника должна быть больше. Это достигается гальваническим наращиванием напыленного проводника. Для защиты от внешней среды гальванически наносится еще один слой: Au или Sn-Bi (используется также для селективного травления и облегчения облуживания).
Толстопленочные проводника многокомпонентны. Основным проводящим материалом является Ag. (Ni и сплавы обусловливают меньшую проводимость.) Стекло обеспечивает после отжига адгезию между пленкой и керамической подложкой. Органическая связка объединяет компоненты в пасту определенной вязкости, необходимой нанесения на подложку способом сеткографии.
Аналогичная проводящая композиция с низкотемпературными компонентами для нанесения на органические основания получили название чернил. Чернила обладают меньшей вязкостью, поэтому могут наноситься струйными устройствами, например, принтерами (epson). Этот метод используется для многослойных печатных плат и элементов на гибких основаниях для мембранных переключателей, клавиатур компьютеров и мобильных телефонов, смарт-карт, RFID-брелков.
Проводящие компаунды на основе Ag в матрице силикона, эпоксидного клея, полиуритана. Технологическая жизнеспособность 1-2 часа. Для однокомпонентной структуры используется термоактивация. Добавка отвердителя позволяет провести технологическую операцию без нагревания. Благодаря в 2-3 раза большей прочности соединения компаунды используются для
- монтажа LED- и диодных устройств на гибкие подложки,
- присоединения теплопроводных элементов к подложке,
- экранирования – обработки швов механически соединенных деталей.
Барьерные функции проводниковых материалов – противодействие диффузии.
| Материал барьера | Разделяемые материалы между | Условия |
| Cr, V | Si и Al | T > 673 K |
| Cu | C и B | |
| Sn | N | |
| Pd | Ti (адгезионный) и Au (основной) |
Материалы припоев – для многоступенчатой пайки.
| Состав функциональных материалов,% | Т плавления, оС | Название сплава |
| Bi-50, Pb-25, Sn-25 | Розе | |
| Bi-50, Pb-26,7, Sn-13,3, Cd-10 | Липовица | |
| Bi-50, Pb-25, Sn-12,5, Cd-12,5 | Вуда |
Для реализации контактных площадок микросхем и устройств, работающих в оптическом диапазоне необходимы прозрачные электропроводящие материалы. Они должны обладать невысоким сопротивлением и шириной запрещенной зоны Еg > 2,5 эВ.
.
| Материалы | Диапазон прозрачности | Применение |
| Si | ИК, рентгеновский | Выявление дефектов полупроводниковых кристаллов |
| Sn O2, легированный In2 O3 | видимый | оптоэлектроника |
| ZnO | УФ | Индикация УФ с помощью жидких кристаллов. |
Выбор резистивных материалов
Критерии:
- электрические: удельное сопротивление ρ, допуск Δ ρ, электрический контакт (толстопленочных резисторов),
- механические: адгезия, когезия, прочность на изгиб, прочность к истиранию,
- тепловые: заданный ТКС αR, рабочий температурный диапазон, тепловой шум, допустимая температура перегрева (Т доп), мощность рассеяния,
- коррозионная стойкость.
Материалы с высоким удельным сопротивлением.
| Материал | ρ, Ом.м | ТКС, α, 1/0С | σ, 1/Ом.м |
| W | 5,6 . 10-8 | 0,0045 | 1,79 . 107 |
| Fe | 9,7 . 10-8 | 0,0065 | 1,03 . 107 |
| Pl | 10,6 . 10-8 | 0,0039 | 0,94 . 107 |
| Ta | |||
| Re (рений) |
Удельная проводимость σ сплавов при комнатной температуре.
| Материал | Манганин Cu 84Mn12Ni4 | Константан Cu60 Ni40 | Нихром Ni-Cr |
| σ x 106, Сим/m | 2,3 | 2,0 | 1,0 |
Манганины - сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu, 12% Mn, 3% Ni.. Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, приборов и т.д., имеют малую термо-э.д.с. в паре с медью (1 - 2 мкВ/К), бр= 450 - 600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15 - 30%, максимальную длительную рабочую температуру не более 200оС. Можно изготавливать в виде проволоки толщиной до 0.02 мм с эмалевой и др. изоляцией. Константан - медно-никелевый сплав (средний состав 60% Cu, 40%Ni), α =(5 - 25). 10-6К-1, бр= 400 - 500 МПа, относительное удлинение перед разрывом 20 - 40%. Термо-э.д.с. в паре с медью 45 - 55 мкВ/К, поэтому константан можно использовать для термопар. Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450оС.
Жаростойкие сплавы - это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO. Сплавы системы Fe-Ni-Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х - хром, Н - никель, Ю - алюминий, Т титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла.
| Марка сплава | Тип сплава |  ρ, 10-6 Ом. м
| α, 105 1/oC | Максимально допустимая температура, oC |
| Х20Н80 | Нихром | 1.04 - 1.17 | ||
| Х13Ю4 | Фехраль | 1.2 - 1.34 | ||
| Х23Ю5Т | Хромаль | 1.3 - 1.5 |
Основная область применения этих сплавов - электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.
Интерметаллические соединения - силициды с Si (Cr Si2, Fe Si2). Они входят в состав тонкопленочных материалов РС3001 (Cr – 30-%, Fe – 01%, остальное Si), РС3710 (Cr – 37-%, Fe –10%, остальное Si). Силицидные сплавы используются в виде мишени для напыления или ионно-плазменного распыления, в виде порошка – для взрывного испарения.
Использование полупроводников.
Удельная проводимость σ собственных полупроводников при комнатной температуре.
| Материал | (С) | Ge | Si | Sn |
| σ, Сим/m | (2,8 x 104) | 1,7 | 4,3 x 10-4 |