Учебная дисциплина электротехническое материаловедение

Июль 28, 2022

Главная
Разное
Учебная дисциплина электротехническое материаловедение

Содержание

2. ТЕМА № 3 Полупроводниковые материалы ЛЕКЦИЯ № 5 Свойства полупроводниковых материалов
3. Учебные цели 1. Знать свойства германия, кремния и карбида кремния. 2. Знать перспективы развития полупроводниковых материалов.
4. Учебные вопросы Введение 1. Германий. 2. Кремний. 3. Карбид кремния. Заключение
5. Список рекомендуемой литературы Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с. Привалов Е.Е. , Гальвас
6. Введение Свойствами п.п. обладают вещества: неорганические и органические; кристаллические и аморфные; твердые и жидкие; немагнитные и
7. Свойства п.п. проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической системы Д. И. Менделеева. Ведущее
8. Рисунок 1 – Классификация п.п. материалов
9. Таблица 1 - Значения ширины запрещенной зоны элементарных п.п. в эВ
10. 1. Германий Существование и свойства п.п. предсказал в 1870г. Д. И. Менделеев. Только в 1886г. немецкий
11. Физико-химические и электрические свойства Ge обладает металлическим блеском, высокой твердостью и хрупкостью. Подобно Si кристаллизуется в
12. Ge при Т = 200С не растворяется в воде, соляной и серной кислотах. Растворители Ge -
13. Даже в расплавленном состоянии Ge не взаимодействует с графитом и стеклом. Ширина запрещенной зоны при Т
14. Таблица 2 – Свойства основных п.п. материалов
15. Рассмотрим зависимость сопротивления Ge от концентрации примесных атомов при Т = 200С (рисунок 5.4). При невысокой
17. Зависимость подвижности электронов и дырок от концентрации примесей (рисунок 5.5). При одинаковой степени легирования подвижность дырок
18. На основе Ge выпускают диоды и транзисторы (плоскостные диоды и сплавные биполярные транзисторы). Плоскостные диоды пропускают
19. Благодаря высокой подвижности носителей заряда Ge применяют в датчиках Холла. Выпускают Ge фототранзисторы и фотодиоды, оптические
20. 2. Кремний Si - один из распространенных элементов в земной коре (29,5% по массе). Занимает 2
21. В элементарном виде Si был получен в 1811г., но нашел применение в 20 столетии после разработки
22. Химические свойства 1. Кристаллический при Т =200С - инертное вещество нерастворимое в воде. 2. Не реагирует
23. 5. Обладает высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии - химически активен. 6. Кварц и графит
24. Si плоскостные диоды выдерживают обратные напряжения до 1500В и ток до 1500А, а стабилитроны напряжение от
25. Достоинства Благодаря тому, что Si имеет более широкую запрещенную зону, чем германий, Si - приборы работают
26. 3. Карбид кремния SiC - единственное бинарное соединение среди п.п. приборов. В природе встречается редко и
27. Таблица 3 - Электрофизические свойства основных политипов карбида кремния
28. У политипов α и β - карбида кремния различные значения ширины запрещенной зоны и подвижности электронов.
29. Электропроводность при Т = 200С примесная (тип проводимости и окраска зависят от примесей). Чистый SiC бесцветен.
30. Особенность SiC - способность к люминесценции в видимой области спектра. Используют при создании светодиодов (принцип инжекционной
31. Недостаток светодиодов – невысокий КПД при преобразовании электрической энергии в световую. Преимущество - стабильность характеристик и
36. Скачать презентацию

Слайд 2

ТЕМА № 3
Полупроводниковые материалы
ЛЕКЦИЯ № 5
Свойства полупроводниковых материалов

Слайд 3

Учебные цели
1. Знать свойства германия, кремния и карбида кремния.
2. Знать перспективы

развития полупроводниковых материалов.

Слайд 4

Учебные вопросы
Введение
1. Германий.
2. Кремний.
3. Карбид кремния.
Заключение

Слайд 5

Список рекомендуемой литературы
Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
Привалов

Е.Е. , Гальвас А.В. Электротехнические материалы: Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред. Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 – 728с.

Слайд 6

Введение
Свойствами п.п. обладают вещества:
неорганические и органические;
кристаллические и аморфные;
твердые

и жидкие;
немагнитные и магнитные.
П.п. объединены общей способностью сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.

Слайд 7

Свойства п.п. проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической

системы Д. И. Менделеева.
Ведущее место среди п.п. по совокупности электрофизических свойств, разработанности технологических процессов, количеству и номенклатуре выпускаемых приборов занимают кремний и германий.
Структурная схема классификации п.п. показана на рисунке 1.

Слайд 8

Рисунок 1 – Классификация п.п. материалов

Слайд 9

Таблица 1 - Значения ширины запрещенной зоны элементарных п.п. в эВ

Слайд 10

1. Германий
Существование и свойства п.п. предсказал в 1870г. Д. И. Менделеев.

Только в 1886г. немецкий химик К. Винклер обнаружил новый элемент и назвал германием (Ge).
Открытие Ge - торжество Периодического закона Д. И. Менделеева.
Содержание Ge в земной коре - 0, 0007% (равно природным запасам олова и свинца).
Получение Ge затруднено.
Источники промышленного получения Ge - побочные продукты цинкового производства.

Слайд 11

Физико-химические и электрические свойства
Ge обладает металлическим блеском, высокой твердостью и

хрупкостью.
Подобно Si кристаллизуется в структуре алмаза, элементарная ячейка которого содержит восемь атомов.
Кристаллический Ge химически устойчив на воздухе при комнатной температуре.
Из-за нестабильности свойств собственный окисел на поверхности Ge не служит надежной защитой от разрушения.

Слайд 12

Ge при Т = 200С не растворяется в воде, соляной и

серной кислотах.
Растворители Ge - смесь азотной и плавиковой кислот, а также раствор перекиси водорода.
При нагревании Ge интенсивно взаимодействует с галогенами, серой и её соединениями.
Ge обладает температурой плавления 936°С и малым давлением насыщенного пара, что упрощает очистку и выращивание монокристаллов.

Слайд 13

Даже в расплавленном состоянии Ge не взаимодействует с графитом и стеклом.
Ширина

запрещенной зоны при Т > 200К изменяется по линейному закону.
При Т = 200С подвижность электронов в два раза превышает подвижность дырок (при изменении температуры соотношение меняется).
Основные физические свойства германия приведены в таблице 2.

Слайд 14

Таблица 2 – Свойства основных п.п. материалов

Слайд 15

Рассмотрим зависимость сопротивления Ge от концентрации примесных атомов при Т =

200С (рисунок 5.4).
При невысокой концентрации примеси (влияние еще не сказывается на изменении подвижности носителей заряда) зависимость носит линейный характер (прямая а).
Линейность нарушается в области сильного легирования, что является следствием уменьшения подвижности носителей заряда.

Слайд 16

Слайд 17

Зависимость подвижности электронов и дырок от концентрации примесей (рисунок 5.5).
При одинаковой

степени легирования подвижность дырок в Ge р - типа меньше подвижности электронов в Ge n – типа.
Зависимость удельного сопротивления от концентрации легирующих примесей для Ge
р - типа идет выше, чем аналогичная зависимость для Ge n - типа.

Слайд 18

На основе Ge выпускают диоды и транзисторы (плоскостные диоды и

сплавные биполярные транзисторы).
Плоскостные диоды пропускают токи (0,3…1000)А при падении напряжения не более 0,5В.
Недостаток Ge диодов – малые допустимые обратные напряжения.
Нанесением пленочной изоляции из Si O2 изготавливают транзисторы по планарной технологии.
Ge используется в туннельных и точечных диодах.

Слайд 19

Благодаря высокой подвижности носителей заряда Ge применяют в датчиках Холла.
Выпускают Ge

фототранзисторы и фотодиоды, оптические фильтры, модуляторы света и коротких радиоволн.
Недостаток. Небольшой рабочий диапазон температур Ge приборов (от - 60 до + 70°С).
Невысокий верхний предел рабочей температуры главный недостаток Ge.

Слайд 20

2. Кремний
Si - один из распространенных элементов в земной коре (29,5%

по массе). Занимает 2 место после кислорода.
Песок и глина, образующие минеральную часть почвы - соединения Si, например - двуокись кремния SiO2).
Свободная SiO2 встречается в виде минерала кварца (чистота кварцевого песка до 99,9%).
Si в свободном состоянии в природе не встречается.

Слайд 21

В элементарном виде Si был получен в 1811г., но нашел применение

в 20 столетии после разработки современных методов очистки.
По сравнению с Ge кремний:
1. Кристаллизуется в структуре алмаза с меньшим периодом идентичности решетки.
2. Меньшие расстояния между атомами в решетке обусловливают более сильную ковалентную химическую связь и широкую запрещенную зону.

Слайд 22

Химические свойства
1. Кристаллический при Т =200С - инертное вещество нерастворимое в

воде.
2. Не реагирует с кислотами. Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот.
3. Устойчив на воздухе при Т < 900°С, а выше -окисляться с образованием двуокиси Si O2.
4. Растворим в расплавленных металлах (Аl, Au, Ag и др.), а с рядом металлов (Fe, Си, Mg и др.) образует соединения - силициды.

Слайд 23

5. Обладает высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии - химически

активен.
6. Кварц и графит взаимодействуют с Si при высоких температурах (реакция с углеродом (C) дает карбид кремния Si C).
Si - базовый п.п. для планарных транзисторов и интегральных микросхем.
П.п. интегральные микросхемы применяют в схемах автоматики ЭУ и в преобразовательной технике (выпрямители, стабилизаторы, инверторы, конверторы).

Слайд 24

Si плоскостные диоды выдерживают обратные напряжения до 1500В и ток до

1500А,
а стабилитроны напряжение от 3 до 400В.
В схемах автоматики ЭУ применяют Si фотодиоды и фотоэлементы.
Солнечные батареи используют в системах питания зданий (к.п.д. батареи 10 - 12%).
Изготавливают датчики Холла и тензодатчики (сильная зависимость удельного сопротивления от механических деформаций).

Слайд 25

Достоинства
Благодаря тому, что Si имеет более широкую запрещенную зону, чем

германий, Si - приборы работают при более высоких температурах, чем германиевые.
Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает (180…220)°С.
Si плоскостные диоды выдерживают обратные напряжения до 1500В.

Слайд 26

3. Карбид кремния
SiC - единственное бинарное соединение среди п.п. приборов. В

природе встречается редко и в ограниченных количествах.
По типу химической связи SiC относится к ковалентным кристаллам (сильные химические связи между атомами Si и C; высокая химическая и температурная стабильность и твердость).
Свойства распространенных политипов SiC систематизированы в таблице 3.

Слайд 27

Таблица 3 - Электрофизические свойства основных политипов карбида кремния

Слайд 28

У политипов α и β - карбида кремния различные значения ширины

запрещенной зоны и подвижности электронов.
SiC - очень твердое вещество (твердость по минералогической шкале 9,5).
Устойчив против окисления до Т = 1400°С.
При Т = 200С не взаимодействует ни с какими кислотами (при нагревании растворяется в расплавах щелочей).

Слайд 29

Электропроводность при Т = 200С примесная (тип проводимости и окраска

зависят от примесей). Чистый SiC бесцветен.
Избыток Si приводит к электронной электропроводности SiC, а С - к дырочной.
Собственная электропроводность с Т = 1400°С.
Проводимость порошкообразного SiC зависит от проводимости зерен исходного материала, их размера, степени сжатия порошка, напряженности электрического поля и температуры.

Слайд 30

Особенность SiC - способность к люминесценции в видимой области спектра.

Используют при создании светодиодов (принцип инжекционной электролюминесценции).
Основой светодиода является p-n-переход. Диффузию проводят при температуре 2000°С.
Распространены светодиоды желтого излучения (диффузия бора в SiC p-типа, легированного азотом).

Слайд 31

Недостаток светодиодов – невысокий КПД при преобразовании электрической энергии в световую.
Преимущество

- стабильность характеристик и отсутствие старения материала.
Светодиоды применяют в качестве опорных источников света в автоматике ЭУ.
Рассмотрим влияние активных примесей на смещение спектра электролюминесценции светодиодов на основе политипа 6H (рисунок 6).

Слайд 32

Слайд 33

Слайд 34

Учебная дисциплина электротехническое материаловедение

Содержание

ТЕМА № 3 Полупроводниковые материалыЛЕКЦИЯ № 5Свойства полупроводниковых материалов

Учебные цели1. Знать свойства германия, кремния и карбида кремния.2. Знать перспективы

Учебные вопросыВведение1. Германий. 2. Кремний. 3. Карбид кремния.Заключение

Список рекомендуемой литературыПривалов Е.Е. Электроматериаловедение: Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.Привалов

ВведениеСвойствами п.п. обладают вещества: неорганические и органические; кристаллические и аморфные; твердые