Тема: Призначення, класифікація проводів

Лекція № 17

Мета: Вивчити фізико-хімічні властивості діелектриків

Методи: словесний

План:

1 Фізичні властивості діелектриків

2 Хімічні властивості діелектриків

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Схеми

З великої кількості напівпровідникових матеріалів у техніці застосовують в основному германій, кремній, селен і кар­бід кремнію. Деякі характеристики простих напівпровідників на­ведено в табл. 4.2.

Ширина забороненої зони елементарних напівпровідників (при 300 К), еВ

Елемент	Група в періодичній таблиці	Ширина забороненої зони
еВ	Дж
Бор	III	1,10	1,76
Кремній	IV	1,12	1,79
Германій	IV	0,72	1,15
Фосфор	V	1,50	2,40
Миш'як	V	1,20	1,92
Сірка	VI	2,50	4,00
Селен	VI	1,70	2,72
Телур	VI	0,36	0,58
Йод	VII	1,25	2,00

До складних напівпровідників належать сполуки елементів різних груп періодичної системи, відображені формулам] A^ІVB^IV(SiC),A^ІІІB^V(InSh, GaAs, GaP),A^IIB^VI(CdS,ZnS) і деякі окиси (на приклад Сu₂0).

Германій (Ge). Сировиною для видобутку германію служать цинкові та сульфідні руди. Спочатку отримують тетрахлорид, германію (GeCl₄), з якого дістають діоксид германію (Ge0₂) - порошок білого кольору. Цей порошок відновлюють у водневій печі за температур 650 - 700 °С до елементарного германію. Порошок германію протравлюють і сплавляють у виливки, які служать вихідним матеріалом для отримання дуже чистого матеріалу методом зонного розплавлення або безпосереднього витягування монокристалів з розтопу.

За зонного розплавлення (рис. 4.11) виливок германію кладуть у графітову ємність і встановлюють у кварцову трубу, через як постійно проходить інертний газ. З допомогою високочастотною контура зливок локально розплавляють. Домішки краще розчиняються у рідкій фазі германію, ніж у твердій, і виносяться роз плавленою зоною, яка переміщується вздовж виливка одночасно з переміщенням високочастотних витків. У результаті багаторазового очищення домішки концентруються біля одного кінця виливка. Забруднений кінець виливка відрізають.

Схема пристрою для зонної плавки: 1 - кварцова

труба; 2 - витки контура високочастотного генератора; 3 -

злиток очищуваного германію; 4 - графітовий човник; 5 - зони

плавлення, позначені в площині витків; 6 - рухома каретка, на якій закріплені витки

Для отримання монокристалів германій розплавляють у ваку­умній печі (тиск ~10^-3 Па). На кінець штока закріплюють затравку 10 (рис. 4.12), яку орієнтують у необхідному кристалографічному напрямі. За поступового опускання штоку в розплав затравка розплавляється з поверхні. Після цього шток із затравкою повільно обертаються навколо своєї осі і піднімаються разом зі стовпчиком розтопу, що підтримується поверхневим натягом. У зоні більш низьких температур над розплавленою поверхнею стовп розплаву твердне, утворюючи одне ціле із затравкою.

Схема установки для витягування монокристалів з j розплаву: 1 - робоча камера; 2-вікно спостереження; 3 - наг­рівам електроопору або високо­частотний індуктор; 4 - теплові екрани; 5 - шток для обертання тигля; б - графітовий тигель; 7 - кварцовий вкладиш; 8 - розплав; 9 - виростаючий монокристал; 10 - затравка; 11 - шток для кріплення затравки

Швидкість витягування змінюється в межах 10^-5 - 10^-4 м/с. Ви­тягуванням отримують монокристали германію діаметром у де­сятки міліметрів. З метою отримання германію з певною величи­ною і типом електропровідності в процесі витягування в моно­кристал вводять строго дозовані домішки. Для виготовлення напівпровідникових приладів зливки германію розрізають на плас­тинки і протравлюють для видалення поверхневих дефектів.

З германію виготовляють випростуванні змінного струму, транзис­тори, перетворювачі Холла, фото транзистори та ін. Германієві при­лади можуть експлуатуватись в діапазоні температур -60 - +70 °С і повинні захищатись від дії волого повітря.

Кремній (Si). Одним з найважливіших матеріалів для його до­бування служить кремнезем (Si0₂). Отримують кремній також від­новленням парами цинку SiCl₄. Кремній - це темно-сірий металоподібний крихкий матеріал. Питомий опір ідеально чистого кре­мнію за кімнатної температури близько 10⁶ Ом·см. Діелектрична проникливість є = 12. Залежно від природи елемента-домішки роз­різняють електронну (за наявності домішок V групи) і Зірко­ву (домішки III групи) провідності. За підвищених температур (600 °С) реагує з галогенами, утворюючи сполуки типу SiX₄, a також з киснем, азотом і сіркою. У розчинах кислот (за винятком сумішей азотної і плавикової) не розчиняється.

Верхня границя робочої температури напівпровідникових при­ладів на основі кремнію досягає 80 - 200 °С, тоді як на основі гер­манію - всього 70 - 80 °С. Тому кремнієві напівпровідники застосовують ширше, ніж германієві. Кремній використовують також в інтегральних напівпровідникових схемах у радіоелектроніці.

Селен (Se) - елемент шостої групи періодичної системи. Його отримують із залишків електролітичного рафінування міді. Се­лен у твердому стані існує у різних модифікаціях: склоподібний (аморфний), моноклінний і гексагональний. Чорний аморфний селен отримують швидким охолодженням розплаву до кімнатної температури. Його питомий опір 10¹¹ Ом·м. Сірий гексагона­льний селен має питомий опір 10² - 10³Ом·м. Ширина забороненої зони власної провідності становить біля 2 еВ. Його діста­ють з розплавленого аморфного селену повільним охолодженням від температури плавлення (220 °С) до кімнатної. Сірий кристалі­чний селен є домішковим напівпровідником р -типу.

Характеристики напівпровідникових матеріалів погіршують­ся під дією вологи, фонових випромінювань та ін. Для захисту напівпровідникові прилади вміщують у герметичні металічні, ке­рамічні чи пластмасові корпуси.

Карбід кремнію (SiC) - крихкий полікристалічний матеріал, що утворюється хімічним з'єднанням кремнію та вуглецю за кінце­вої температури ~2000 °С. Легований фосфором, сурмою чи віс­мутом карбід кремнію має темно-зелене забарвлення і електро­провідність п -типу, а легований галієм, алюмінієм або бором діс­тає темно-фіолетове забарвлення і провідність р -типу. Карбід кре­мнію є домішковим напівпровідником і лише за температури 1400 °С і вище у ньому виникає власна електропровідність. З монокристалів карбіду кремнію високої чистоти виготовляють діо­ди і транзистори на робочі температури до 700 °С, а також світло діоди.

Електропровідність напівпровідників змінюється під впливом температури, світла, електричного поля, механічних напружень. На цих змінах ґрунтується принцип дії відповідно *терморезисторів (термісторів), *фото резисторів, * нелінійних резисто­рів (варисторів), * тензорезисторів та ін.

Напівпровідникові системи можна використовувати для пере­творення різних видів енергії в енергію електричного струму (со­нячні батареї, термоелектричні генератори), а також як нагрівальні елементи (селітові стрижні).

Виготовлені з напівпровідникових матеріалів прилади вигідно вирізняються: великим терміном експлуатації; малими габаритами і масою; простотою і надійністю конструкції; спо­живанням малої потужності і малою інерційністю.

Використання напівпровідникових матеріалів забезпечує бур­хливий розвиток мікроелектроніки, зменшення маси і розмірів еле­ктронної апаратури, збільшення густини монтажу при одночас­ному підвищенні довговічності і надійності.

Література:

1 Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 2 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 3 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 4 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983