2018-03-09
175
Полупроводники – это широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности, промежуточными между электропроводностью металлов (k = 106 – 108 Ом-1×м-1) и диэлектриков (k = 10-10 – 10-8 Ом-1×м-1). Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от проводников первого рода (металлов), является резкое возрастание электропроводности их с ростом температуры. Как правило, удельная электропроводность полупроводников меняется с температурой по экспоненциальному закону. Для полупроводников, не содержащих примесей:
,
где DE – ширина запрещённой зоны, эв (1эв = 1,6×10-19Дж).
Электропроводность полупроводников сильно зависит от содержания примесей и наличия дефектов кристаллической решётки, а также от различного рода внешних воздействий (например, различных излучений). Возможность управлять электропроводностью с помощью изменения температуры, легирования и т.д. – это основа применения полупроводников. Свойства некоторых полупроводников приведены в таблице 3.4. В таблице 3.4 u- и u+ - это абсолютные подвижности электронов и дырок соответственно. Полупроводники подразделяют на несколько групп по их строению.
Элементы IV группы – Si и Ge – это классические полупроводники. Они наиболее полно изучены и широко применяются в электронике.
Алмазоподобные полупроводники. Это соединения элементов III группы (B, Al, Ga, In) с элементами V группы (P, As, Sb): GaAs, InSb, InP, GaP и др.
Таблица 3.4 - Свойства некоторых полупроводников
| Полупроводник | п л., °С | DЕ, эв | u -, см2/(В×с) | u+, см2/(В×с) |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| В | 2300 | 1,1 | 10 | 10 |
| C (алмаз) | 4027 | 6 | 1800 | 1600 |
| Si | 1410 | 1,12 | 1500 | 600 |
| Ge | 937 | 0,75 | 3900 | 1900 |
| Sn (серое) | – | 0,08 | 3000 | – |
| Te | 449 | 0,36 | 1700 | 1200 |
| I | 113,5 | 1,3 | 25 | – |
| SiC | 3100 | – | 400 | 50 |
| AlSb | 1050 | – | 200 | 420 |
| BP | 1300 | – | 200 | 420 |
| GaN | 1700 | – | – | – |
| GaSb | 706 | – | 4000 | 1400 |
| GaAs | 1239 | – | 8500 | 400 |
| GaP | 1467 | – | 110 | 75 |
| InSb | 527 | – | 78000 | 750 |
| InAs | 943 | – | 33000 | 460 |
| InP | 1060 | – | 4600 | 150 |
| CdS | 1750 | – | 300 | 50 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| CdSe | 1258 | – | 800 | – |
| CdTe | 1045 | 1,45 | 450 | 100 |
| ZnO | 1975 | 3,2 | 200 | – |
| ZnS | 1650 | – | 165 | – |
| ZnTe | 1240 | 0,6 | 100 | – |
| PbS | 1114 | 1,2 | 650 | 800 |
| PbSe | 1065 | 0,5 | 1400 | 1400 |
| Ag2Te | 955 | 0,17 | 4000 | 100 |
| AgBr | 430 | 1,35 | 35 | – |
| B2Te3 | 585 | 0,25 | 600 | – |
Элементы V и VI групп и их аналоги: Te, Se, As, Sb, Bi, PbSe, PbS, PbTe, GeTe, SnTe и др.
Соединения элементов IV и VI группы с переходными или редкоземельными металлами и элементами II группы, например с Ti, V, Mn, Fe, Ni, Sm, Eu, Gd, Mg, Hg, Zn, Cd и др., а также другие типы неорганических веществ.
Органические полупроводники. Это некоторые кристаллы и полимеры на основе тетрацианхинодиметана, комплексы на основе перилена, виолантрена и др.
Общим свойством полупроводников является наличие двух типов разноимённо заряженных носителей тока – электронов и дырок. В идеальных кристаллах эти носители всегда появляются парами. Но это не означает, что их вклад в электропроводность одинаков, так как скорость их перемещения различна.
О скорости перемещения электронов и дырок можно судить по их абсолютной подвижности u±, выражаемой в м2/(В×с) или см2/(В×с):
,
где V± – это скорость движения частиц, м/с; Е – напряжённость электрического поля, В/м.
Таким образом, абсолютная подвижность частицы – это скорость её перемещения, приобретаемая в электрическом поле напряжённостью 1В/м. В реальных кристаллах вследствие наличия примесей и дефектов кристаллической решётки, равенство концентраций электронов и дырок нарушается, поэтому электропроводность осуществляется в этом случае преимущественно только одним типом носителей. Примеси в полупроводниках бывают двух типов – донорные и акцепторные. Донорные примеси – это примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же количества дырок. Например, примесь As в кремнии – это донорная примесь, а такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Акцепторные примеси – это примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым избыточное количество дырок. Например, примесь In в кремнии – это акцепторная примесь, а такой полупроводник называется полупроводником p-типа.
Главные технические задачи полупроводниковой технологии – это получение полупроводниковых материалов с заданными свойствами, включая реализацию сложных полупроводниковых структур (сложных совокупностей p-n переходов). Образование p-n переходов сводится к введению в полупроводник необходимого количества нужных примесей. В настоящее время распространены три способа получения p-n переходов: сплавление, диффузия, ионное внедрение (имплантация).
Основные контролируемые параметры полупроводников:
- химический состав;
- тип проводимости;
- удельная электропроводность;
- время жизни носителей;
- подвижность носителей;
- уровень легирования.
Исходными материалами для создания полупроводниковых приборов являются материалы, которые должны иметь строго заданные состав и структуру. Нередко эти материалы должны обладать исключительно высокой чистотой и совершенством структуры. В этой связи предъявляются очень жёсткие требования к условиям производства по влажности, запылённости, спецодежде и чистоте рук и т.п. Так, одна пылинка в несколько микрон, попавшая на поверхность пластинки в ходе изготовления полупроводника, всегда приводит к неисправимому браку. Поэтому воздух в таких цехах не должен содержать более четырёх пылинок размером £0,5мкм в 1 литре.
Порошковые материалы
Материалы, полученные методами порошковой металлургии, называются порошковыми материалами или спечёнными материалами.
Первые спечённые материалы – это платиновые изделия и полуфабрикаты (чаши, тигли, медали) были изготовлены П.Г. Соболевским и В.В. Любарским в 1826 г. На рубеже XIX – XX веков были изготовлены тугоплавкие спечённые материалы, напримермер, вольфрам, получение которого плавлением (Тпл. =3680К) было тогда невозможно. Первые композиты из спечённых материалов, которые можно получать только порошковой металлургией были изготовлены в 1900г. Это композит медь – графит для щёток генераторов и электродвигателей). Во время I мировой войны были разработаны магнитодиэлектрики на основе ферромагнитных металлических порошков, распределённых в диэлектрической связке. В начале 30-х годов XX века начали выпускать спечённые твёрдые сплавы на основе систем вольфрам – медь, серебро – графит и др. композиции из спечённых материалов на основе Cu – Sn, Pb, Zn с добавками неметаллических компонентов (обычно SiO2) для фрикционных дисков.
В дальнейшем производство пористых спечённых материалов непрерывно прогрессировало, и на их основе стали получать: металлические фильтры для тонкой очистки жидкостей и газов; снарядные пояски из пористого железа, заменявшие медные во время II мировой войны; порошковые материалы для топливных элементов; порошковые материалы для антиобледенителей в самолётах; пламегасители во взрывоопасной атмосфере; порошковые материалы для химических реакций; порошковые материалы для транспорта сыпучих материалов в «кипящем» слое и др.
В 30-х годах началось массовое производство спечённых материалов на основе железа и меди в виде точных деталей, не требующих обработки резанием (шестерни, зубчатые колёса и др.). С 50-х годов для атомной промышленности получают спечённый бериллий, так как литой бериллий крупнозернистый и обладает пониженными механическими свойствами. В конце 60-х начали производить спечённую быстрорежущую сталь. В 70-х годах разработаны теплообменные металлические трубы с пористым слоем из меди, никеля, нержавеющей стали и жаропрочные порошковые суперсплавы на основе никеля.
Последняя по времени возникновения группа спечённых материалов – это высококачественные спечённые материалы, которые по свойствам (прочность, жаропрочность, износостойкость и др.) превосходят литые сплавы аналогичного состава и назначения (у литых сплавов крупнее зерно и есть ликвация). Получены жаростойкие спечённые материалы на основе Ni-Mo, Ni-Cr, Ni-Mo-Cr.
В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов:
1) производство порошков;
2) смешивание порошков;
3) уплотнение (прессование, брикетирование);
4) спекание.
Основные способы производства порошковых материалов представлены в таблице 3.5.
Таблица 3.5 – Основные способы получения порошковых материалов
| Степень нагруженности деталей | Класс точности | Группа сложности | Низкосерийное производство | Среднесерийное массовое производство | ||
| Основные технологичес кие операции | Дополнительные операции | Основные технологичес кие операции | Дополнительные операции | |||
| Малонагруженные | 4-7 | 1-7 | А | М, И, П | А | К, И, П |
| 1-3 | 1-7 | А | М, И, П | А, Б | К, И, П | |
| Умереннонагружен- ные | 4,7 | 1-7 | Б, Е.Ж | М, ТО, И, П | Б, Е, Ж | И, П |
| 1,3 | 1-4 | Б | М, ТО, И, П | Б | ТО, И, П | |
| 5,7 | Б | ТО, Д, И, П | Б | ТО, Д, И, П | ||
| Средненагруженные | 4-7 | 1-7 | Г, Е, Ж | М, ТО, П | Г,Е,Ж | ТО, П |
| 1-3 | 1-7 | В, Г, Ж | ТО, Д, П | В, Г, Ж | ТО, П, Д | |
| Тяжелонагруженные | 4-7 | 1-7 | В, Г, Н | М, ТО, П | В, Г, Н | ТО, П |
| 1-3 | 1-7 | В, Г, Н | ТО, Д, П | В, Г, Н | ТО, Д, П | |
Примечание: А – холодное прессование + спекание. Б – двойное прессование + спекание. В – холодное прессование + спекание + холодная штамповка + отжиг. Г – холодное прессование + спекание + горячая штамповка + отжиг. Д – шлифовка или доводка. Е – холодное прессование + пропитка легким металлом. Ж – спекание порошка в форме + пропитка легким металлом. И – пропитка кремнийорганической жидкостью и полимеризация. К – калибровка. М – механическая обработка. Н – холодное прессование + спекание + горячая штамповка с истечением металла + отжиг. П – нанесение покрытий. ТО – термическая обработка
Производство порошковых материалов развивается в связи с рядом их преимуществ по сравнению с металлическими материалами, получаемыми плавлением. Путём плавления трудно или даже невозможно производить материалы с некоторыми особенностями свойств и состава: композиции из металлических и неметаллических материалов и псевдосплавы из компонентов, не смешивающихся в жидком виде (Fe-Pb, W-Cu и др.); пористые металлы и материалы (самосмазывающиеся подшипники, например). Их можно изготовить только способами порошковой металлургии. Путём спекания получают сразу готовые изделия, не требующие дальнейшей обработки резанием. Спечённые материалы в ряде случаев имеют более высокий уровень свойств, чем аналогичные материалы, получаемые плавлением (например, некоторые быстрорежущие и твёрдые материалы, жаропрочные сплавы, бериллий и др.).
Производство спечённых материалов развивается более высокими темпами, чем получение плавленых металлических материалов, так с 1964 по 1972 годы выпуск спечённых материалов в США возрос в 2,5 раза, а в Японии в 4 раза.
Имеются следующие ограничения по применению спечённых материалов:
- наибольший экономический эффект возможен лишь при достаточно массовом выпуске деталей;
- высокая стоимость исходных порошков;
- необходимость получения достаточно чистых по примесям исходных порошков, особенно железа и его сплавов, так как спечённые материалы не могут быть эффективно очищены от примесей, находящихся в исходных материалах.
Последнее ограничение постепенно теряет своё значение ввиду расширения производства порошков методом распыления расплава железа.
Контрольные вопросы
1) Что подразумевают под прецизионными сталями и сплавами?
2) Дайте общую классификацию прецизионным сталям и сплавам?
3) Магнитно-мягкие сплавы. Общие понятия и область применения?
4) Магнитотвёрдые материалы. Общие понятия и область применения?
5) Сплавы с заданным коэффициентом термического расширения. Общие понятия и область применения?
6) Сплавы с особыми упругими свойствами. Общие понятия и область применения?
7) Сверхпроводящие материалы. Общие понятия и область применения?
8) Твёрдые материалы. Общие понятия и область применения?
9) Жаропрочные стали и сплавы. Общие понятия и область применения?
10) Полупроводниковые материалы. Общие понятия и область применения?
11) Порошковые материалы. Общие понятия и область применения?
