Материаловедение (Арзамасов Б. Н.)
Материаловедение (Арзамасов Б. Н.)
ОглавлениеВведениеГлава 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 1.1. Элементы кристаллографии 1.2. Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов Молекулярные кристаллы. Ковалентные кристаллы. Металлические кристаллы. Ионные кристаллы. 1.3. Фазовый состав сплавов Твердые растворы. Промежуточные фазы. 1.4. Дефекты кристаллов Линейные дефекты. Поверхностные дефекты. 1.5. Диффузия в металлах и сплавах 1.6. Жидкие кристаллы 1.7. Структура полимеров, стекла и керамики Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛИТЫХ МАТЕРИАЛОВ 2.1. Самопроизвольная кристаллизация 2.2. Несамопроизвольная кристаллизация 2.3. Форма кристаллов и строение слитков 2.4. Получение монокристаллов 2.5. Аморфное состояние металлов Глава 3. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА РАВНОВЕСНУЮ СТРУКТУРУ СПЛАВОВ 3.1. Методы построения диаграмм состояния 3.2. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно растворимы в твердом состоянии и образую! перитектику Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов.  Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии. 3.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов Превращения в сплавах системы железо-цементит. Превращения в сплавах системы железо-графит. 3.4. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей Карбиды в легированных сталях. Влияние легирующих элементов на температуры фазовых превращений сталей при нагреве и на состав точек S и Е диаграммы. 4.1. Пластическая деформация моно- и поликристаллов Механизм пластической деформации Пластическая деформация поликристаллических металлов. Деформирование двухфазных сплавов оказывается более сложным. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. 4.2. Возврат и рекристаллизация Глава 5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 5.  2. Основное оборудование для термической обработки5.3. Термическая обработка сплавов, не связанная с фазовыми превращениями в твердом состоянии Рекристаллизационный отжиг. Диффузионный отжиг (гомогенизация). 5.4. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии 5.5. Термическая обработка сталей с эвтектоидным превращением Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения. 5.6. Основные виды термической обработки стали Нормализация сталей. Закалка сталей. Закаливаемость в прокаливаемость сталей. Отпуск закаленных сталей. Глава 6. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 6.2. Диффузионное насыщение углеродом и азотом Азотирование стали. Ионное азотирование и цементация. Одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом. 6.3. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами Раздел первый. Конструкционные материалы 7.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам 7.  2. Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки7.3. Методы повышения конструкционной прочности 7.4. Классификация конструкционных материалов Глава 8. СТАЛИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЖЕСТКОСТЬ, СТАТИЧЕСКУЮ И ЦИКЛИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ 8.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали 8.3. Углеродистые стали 8.4. Легированные стали Легированные стали нормальной и повышенной статической прочности. Легированные высокопрочные стали. Легированные стали с повышенной циклической прочностью. Глава 9. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 9.1. Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием 9.2. Стали с высокое технологической пластичностью и свариваемостью 9.3. Железоуглеродистые сплавы с высокими литейными свойствами Серые чугуны. Высокопрочные чугуны. Ковкие чугуны. 9.4. Медные сплавы Общая характеристика и классификация медных сплавов. Латуни. Бронзы.  Глава 10. ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 10.2. Закономерности изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа 10.3. Материалы с высокой твердостью поверхности Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания. Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок. 10.4. Антифрикционные материалы Неметаллические материалы. Комбинированные материалы. Минералы. 10.5. Фрикционные материалы Глава 11. МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКИМИ УПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ 11.1. Рессорно-пружинные стали 11.2. Пружинные материалы приборостроения Глава 12. МАТЕРИАЛЫ С МАЛОЙ ПЛОТНОСТЬЮ 12.1. Сплавы на основе алюминия Общая характеристика и классификация алюминиевых сплавов. Деформируемые алюминиевые сплавы. Литейные алюминиевые сплавы. Гранулированные сплавы. 12.2. Сплавы на основе магния Общая характеристика и классификация магниевых сплавов. Деформируемые магниевые сплавы. Литейные магниевые сплавы.  12.3. Неметаллические материалы Механические свойства термопластичных пластмасс. Механические свойства термореактивных пластмасс. Глава 13. МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ 13.1. Титан и сплавы на его основе Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов. Особенности термической обработки титановых сплавов. Промышленные титановые сплавы. 13.2. Бериллий и сплавы на его основе Бериллиевые сплавы. 13.3. Композиционные материалы Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. Волокнистые композиционные материалы. Композиционные материалы на неметаллической основе. Композиционные материалы на металлической основе. Глава 14. МАТЕРИАЛЫ, УСТОЙЧИВЫЕ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАБОЧЕЙ СРЕДЫ 14.1. Коррозионно-стойкие материалы Коррозионно-стойкие непассивирующиеся металлы. Коррозионностойкие пассивирующиеси металлы. Коррозионно-стойкие покрытия. 14.2. Жаростойкие материалы Жаростойкость металлов.  Жаростойкость сплавов. 14.3. Жаропрочные материалы Основные группы жаропрочных материалов. 14.4. Хладостойкие материалы Основные группы хладостойких материалов. 14.5. Радиационно-стойкие материалы Влияние облучения на коррозионную стойкость. Раздел второй. Материалы с особыми физическими свойствами 15.1. Общие сведения о ферромагнетиках 15.2. Магнитно-мягкие материалы Низкочастотные магнитно-мягкие материалы Высокочастотные магнитно-мягкие материалы. Материалы со специальными магнитными свойствами. 15.3. Магнитно-твердые материалы Магнитно-твердые лнтые материалы. Порошковые магнитно-твердые материалы. Деформируемые магнитно-твердые сплавы. Глава 16. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕПЛОВЫМИ СВОЙСТВАМИ 16.1. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширении Глава 17. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 17.1. Материалы высокой электрической проводимости Проводниковые материалы.  17.2. Полупроводниковые материалы Кристаллофизические методы получения сверхчистых материалов. Легирование полупроводников и получение p-n-переходов. 17.3. Диэлектрики Раздел третий. Инструментальные материалы Глава 18. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕЖУЩИХ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ 18.1. Материалы для режущих инструментов Низколегированные стали. Быстрорежущие стали. Спеченные твердые сплавы. Сверхтвердые материалы. 18.2. Стали для измерительных инструментов Глава 19. СТАЛИ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 19.1. Стали для инструментов холодной обработки давлением 19.2. Стали для инструментов горячей обработки давлением Приложение Список литературы |
Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер. Полупроводники – это новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач. В настоящее время насчитывается свыше двадцати различных областей, в которых с помощью полупроводников разрешаются важнейшие вопросы эксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов. К полупроводниковым материалам относится большинство минералов, неметаллические элементы IV, V, VI групп периодической системы Менделеева, неорганические соединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов, органические красители. При температурах около абсолютного нуля в идеальном кристалле кремния или германия все ковалентные связи заполнены, а все электроны связаны с атомами и не могут участвовать в процессе электропроводности. Чтобы электрон мог проводить электрический ток, нужно затратить некоторую работу для его освобождения из ковалентной связи. Это происходит при освещении кристалла. Свет, как известно, представляет собой поток частиц – фотонов, или квантов света. Если энергия фотона больше или равна энергии разрыва связи, то электрон может стать свободным и сможет принимать участие в процессе электропроводности. С прекращением освещения электропроводность кристалла начнёт уменьшаться, так как электроны, которые освободились под действием света, будут размещаться в связях, т.е. произойдёт рекомбинация электронов и дырок. Этот процесс заканчивается в течение тысячных долей секунды или меньше и кристалл снова перестаёт проводить электрический ток. Наименьшая энергия, которая необходима для перевода электрона из заполненной зоны в зону проводимости, определяет собой величину энергетического интервала между этими двумя или ширину запретной зоны. Для разрыва валентных связей при очень низких температурах необходима энергия, равная 1,2 эв (≈0.1922 адж) для кремния и 0,75 эв (≈0,1201 адж) для германия. В световом луче энергия фотонов значительно выше: так, для жёлтого света она составляет 2 эв (≈0,3204 адж). Освобождение электронов может произойти и другим путём, например при нагревании кристалла, когда энергия колебания атомов в кристаллической решётке может увеличиться настолько, что связи разрушатся и электроны смогут освободиться. Этот процесс также протекает с образованием дырок. В идеальных кристаллах, где количества электронов и дырок равны, проводимость называется собственной. Идеальные кристаллы, не содержащие никаких примесей, встречаются очень редко. Примеси в кристаллах полупроводников могут увеличивать количество электронов или дырок. Было установлено, что введение одного атома сурьмы в кубический сантиметр германия или кремния приводит к появлению одного электрона, а одного атома бора – к появлению одной дырки. Появление электронной или дырочной проводимости при введении в идеальный кристалл различных примесей происходит следующим образом. Предположим, что в кристалле кремния один из атомов замещен атомом сурьмы. Сурьма на внешней электронной оболочке имеет пять электронов (V группа периодической системы). После того как «лишний», пятый, электрон удалён, атом сурьмы становится положительно заряженным ионом, имеющим четыре валентных электрона, как и все атомы кремния, т. Примеси, обусловливающие возникновение электронной проводимости в кристаллах, называются донорами. В кремнии и германии ими являются элементы V группы таблицы Менделеева – сурьма, фосфор, мышьяк и висмут. Трёхвалентный атом примеси бора в решётке кремния ведёт себя поиному. На внешней оболочке атома бора имеются только три валентных электрона. Значит, не хватает одного электрона, чтобы заполнить четыре валентные связи с четырьмя ближайшими соседями. Свободная связь может быть заполнена электроном, перешедшим из какойлибо другой связи, эта связь заполнится электронами следующей связи и т.д. Положительная дырка (незаполненная связь) может перемещаться по кристаллу от одного атома к другому (при движении электрона в противоположном направлении). Когда электрон заполнит недостающую валентную связь, примесный атом бора станет отрицательно заряженным ионом, заменяющим атом кремния в кристаллической решётке. Дырка будет слабо связана с атомом бора силами электростатического притяжения и будет двигаться около него по орбите, подобной орбите электрона в атоме водорода. Количество носителей тока, возникающих при введении примеси каждого вида в отдельности, зависит от концентрации примеси и энергии её ионизации в данном полупроводнике. Однако большинство практически используемых примесей при комнатной температуре полностью ионизировано, поэтому концентрация носителей, создаваемая при этих условиях примесями, определяется только их концентрацией и для многих из них равна числу введенных в полупроводник атомов примеси. Каждый атом донорной примеси вносит один электрон проводимости, следовательно, чем больше донорных атомов в каждом кубическом сантиметре полупроводника, тем больше концентрация их превышает концентрацию дырок, и проводимость носит электронный характер. Обратное положение имеет место при введении акцепторных примесей. При равной концентрации донорной и акцепторной примесей в кристалле проводимость будет обеспечиваться, как и в собственном полупроводнике, электронами и дырками за счёт разрыва валентных связей. Такой полупроводник называется компенсированным. Количество электричества, переносимого дырками или электронами, определяется не только концентрацией носителей, но и подвижностью электронов и дырок. Важнейшей характеристикой, определяющей качество германия и кремния в технике полупроводниковых приборов, является величина τ, называемая временем жизни неосновных носителей тока. В большинстве случаев τ желательно иметь максимальным. Для использования германия и кремния в полупроводниковых приборах (например, солнечных батареях, преобразующих световую энергию в электрическую) и инфракрасной оптике важно знать коэффициент преломления, отражательную способность и пропускание света в широком диапазоне длин волн. Наряду с элементарными полупроводниками в полупроводниковой технике находят широкое применение полупроводниковые соединения, получаемые путём сплавления или химической обработки чистых элементов. Таковы закись меди (Cu2O), из которой изготавливают полупроводниковые выпрямители разнообразных типов, сурьмянистый цинк (SbZn), используемый для изготовления полупроводниковых термобатарей, теллуристый свинец (PbTe), нашедший применение для изготовления фотоэлектрических приборов и для отрицательной ветви термоэлементов и многие другие. Особый интерес представляют соединения типа АIIIВV. Получают их путём синтеза элементов III и V групп периодической системы элементов Менделеева. Из соединений этого типа наиболее интересными полупроводниковыми свойствами обладают A1P, A1As, A1Sb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. По ряду свойств эти соединения близки к полупроводниковым элементам IV группы германию и кремнию. Подвижность носителей тока в них достигает больших значений; ширина запрещённой зоны у некоторых из этих соединений также велика; примеси, вводимые в них, изменяют механизм электропроводности; так, некоторые атомы II группы ведут себя как акцепторы, а ряд атомов VI группы – как доноры. Полупроводниковая техника требует применения особо чистых материалов. Примеси, как было уже отмечено, изменяют свойства полупроводников. Поэтому в зависимости от назначения материалов количество примесей в них ограничивают. Легирующие добавки, вводимые в полупроводники для придания им определённых свойств, также должны быть чисты от примесей. В современной технике пользуются рядом способов получения материалов высокой чистоты. Таковы йодидный метод, применяемый для очистки некоторых металлов, и метод зонной плавки; оба они описаны в разделе производства титана. Кроме этих методов, для очистки полупроводниковых материалов применяют некоторые виды их переплавки. Простейшей является открытая переплавка в тигле, устанавливаемом в электрической печи. Во время переплавки порошкообразного материала из него удаляются влага, газы и окислы (последние всплывают вверх). Некоторые окислы затвердевают на поверхности расплава, который можно слить, пробиванием отверстия в корке окислов. Более полной является очистка, производимая при переплавке в вакууме. Материал, подлежащий очистке, загружают в кварцевую ампулу, которую помещают в электрическую печь. Открытый конец ампулы соединяют с вакуумной установкой и откачивают выделяющиеся во время расплавления материала газы и летучие соединения. Откачка длится от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от времени плавки. Высокую степень чистоты полупроводниковых материалов получают возгонкой или сублимацией. Этот метод основан на способности некоторых твёрдых веществ переходить в парообразное состояние, минуя жидкую фазу, а затем в обратном порядке переходить из парообразного в твёрдое состояние, образуя твёрдый продукт – сублимат. Такими свойствами обладают некоторые полупроводники. Возможность возгонки определяется упругостью паров примесей или чистого вещества при данной температуре. Полупроводниковые материалы обладают довольно высокой упругостью паров, что даёт возможность производить возгонку при относительно низких температурах и небольшом вакууме. Различные методы очистки полупроводников дают возможность получать продукт требуемой чистоты. Так, например, зонной плавкой загрязнённого германия удаётся снизить число атомов примеси в нём до одного на 10 атомов германия. | ||
Широко применяемыми полупроводниковыми материалами являются элементы IV группы периодической системы Менделеева – германий и кремний. Это вещества, кристаллизирующиеся в решётке типа алмаза. Такая решётка представляет собой тетраэдр, по вершинам которого расположены четыре атома, окружающие атом, находящийся в центре тетраэдра. Здесь каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями силами ковалентной связи, так как каждый из них имеет четыре внешних валентных электрона.
Здесь происходит переход электронов из наружной заполненной зоны в зону проводимости. При этом вместо ушедшего электрона в кристалле появляется незаполненная связь, которая может быть занята электроном из другой какойнибудь связи. Одновременно в ранее заполненной зоне образуется дырка. Таким образом, незаполненная связь или дырка может перемещаться по кристаллу. Эта незаполненная связь эквивалентна положительной частице, двигающейся по кристаллу под действием внешнего электрического поля. В действительности дырки не представляют собой положительно заряженных частиц. Очевидно, что в идеальном кристалле количество дырок будет равно количеству свободных электронов.
Явление, при котором возникает электрический ток под действием света в кристалле, помещённом во внешнее электрическое поле, называется фотопроводимостью.
Так как удельное сопротивление идеальных кристаллов полупроводников зависит только от температуры, то величина его может служить характеристикой данного полупроводника. Сопротивление идеальных кристаллов называют собственным сопротивлением полупроводника, например, для кремния при 300°К собственное удельное сопротивление равно 63600 Ом·см (636 Ом·м), а для германия при той же температуре 47 Ом·см (0,470 Ом·м).
Четыре электрона образуют парные электронные связи с четырьмя ближайшими соседними атомами кремния. Оставшийся пятый электрон будет двигаться около атома сурьмы по орбите, подобной орбите электрона в атоме водорода, но сила его электрического притяжения к ядру уменьшится соответственно диэлектрической проницаемости кремния. Поэтому, чтобы освободить пятый электрон, нужна незначительная энергия, равная примерно 0,05 эв (≈0,008 адж). Слабо связанный электрон легко может быть оторван от атома сурьмы под действием тепловых колебаний решётки при низких температурах. Такая низкая энергия ионизации примесного атома означает, что при температурах около –100°с, все атомы примесей в германии и кремнии уже ионизированы, а освободившиеся электроны участвуют в процессе электропроводности. В этом случае основными носителями заряда будут электроны, т.е. здесь имеет место электронная проводимость или проводимость n-типа (n — первая буква слова negative).
е. ион сурьмы становится заместителем кремния в кристаллической решётке.
Энергия ионизации, т.е. энергия, необходимая для отрыва дырки от отрицательного иона бора, будет примерно равна 0,05 эв. Поэтому при комнатной температуре все трёхвалентные примесные атомы ионизированы, а дырки принимают участие в процессе электропроводности. Если в кристалле кремния имеется примесь трёхвалентных атомов (III группа периодической системы), то проводимость осуществляется в основном дырками. Такая проводимость носит название дырочной или проводимости р (р — первая буква слова positive). Примеси, вызывающие дырочную проводимость, называются акцепторами. К акцепторам в германии и кремнии относятся элементы третьей группы периодической системы: галлий, таллий, бор, алюминий.
Сублимат осаждается на стенках вертикально установленного конденсатора, причём наиболее летучие примеси оседают в верхней зоне, наименее летучие – внизу, а труднолетучие остаются в остатке. В результате повторной возгонки получают более чистый продукт.— определение, примеры, типы Мы используем полупроводниковые материалы в электронных устройствах, таких как диоды и транзисторы (BJT, JFET, MOSFET) и даже в технологии интегральных схем. Так вот, об этих материалах должен знать каждый студент, изучающий электронику, среди которых и наиболее часто используемый полупроводниковый материал.
Материалы можно разделить на три категории в зависимости от ширины запрещенной зоны проводимости/энергии. Это проводники, полупроводники и изоляторы.
В этой статье вы получите обзор полупроводникового материала. Кроме того, вы будете знать типы доступных полупроводниковых материалов и примеры для каждого типа.
Загрузить формулы для электроники и средств связи GATE — система управления
Прочитать статью полностью
Что такое полупроводниковый материал?
Полупроводник представляет собой материал, имеющий проводимость между проводниками и изоляторами. Наиболее часто используемым полупроводниковым материалом является Si (кремний). Это также наиболее широко используемый полупроводниковый материал в электронных устройствах.
Определение полупроводникового материала
Материал называется полупроводниковым, если его проводимость больше, чем у изолятора, и меньше, чем у проводника. Это означает, что проводимость полупроводника находится между проводимостью изолятора и проводника.
Загрузить формулы для электроники и техники связи GATE — цифровые схемы
Пример полупроводникового материала
Несколько примеров широко используемых полупроводниковых материалов: Si (кремний), Ge (германий), Sn (олово), селен (Se).
), теллур (Te) и арсенид галлия (GaAs)
Мы также можем определить полупроводниковый материал на основе ширины запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны — это разница между самым низким уровнем зоны проводимости и самым высоким уровнем валентной зоны. Материал называется полупроводниковым, если его ширина запрещенной зоны больше, чем у проводника, и меньше, чем у изолятора. Это означает, что запрещенная зона полупроводников находится между проводником и изолятором. Уровень Ферми существует в энергетической зоне и различает уровни, занятые электроном, и незанятые уровни. Вы можете легко понять это из следующей диаграммы.
Типы полупроводниковых материалов
Мы можем классифицировать полупроводники в основном на два типа полупроводников в зависимости от уровня чистоты.
- Собственный полупроводник
- Внешний полупроводник
Загрузить формулы для электроники и средств связи GATE — электронные устройства
Применение полупроводникового материала
В большинстве электронных устройств и интегральных схем мы используем полупроводниковые материалы.
Среди них наиболее часто используемым полупроводниковым материалом является кремний (Si). Мы используем полупроводники, такие как арсенид галлия (GaAs) и родственные соединения для оптических и очень высокоскоростных устройств.
Он известен как полупроводниковое устройство, если мы используем полупроводниковый материал в электронном устройстве. Примерами полупроводниковых устройств являются диоды (диод с p-n переходом, пробивной диод, туннель, варактор, светодиод, лазер и фотодиоды), транзисторы (BJT, JFET и MOSFET) и интегральные схемы (аналоговые ИС и цифровые ИС).
Определение свойств полупроводникового материала
Полупроводники по своей природе ведут себя с некоторыми свойствами, используемыми для их применения. Эти свойства делают их востребованными для многочисленных применений.
- Возбудимое состояние электронов: Разница в электрическом потенциале может привести к тому, что полупроводниковый материал выйдет из теплового равновесия и перейдет в неравновесное состояние.
При этом электроны и дырки вводятся в систему, где они взаимодействуют посредством диффузии. Всякий раз, когда тепловое равновесие полупроводникового материала нарушается, в нем изменяется количество дырок и электронов. - Излучение света: Некоторые полупроводники позволяют возбужденным электронам возвращаться в расслабленное состояние, излучая свет вместо выделения тепла. Эти полупроводники можно использовать для изготовления светодиодов (светоизлучающих диодов).
- Теплопроводность и преобразование энергии : Высокий коэффициент термоэлектрической мощности полупроводника делает его полезным для термоэлектрических генераторов и термоэлектрических охладителей.
- Переменная электропроводность: Природные полупроводники плохие, так как ток требует потока электронов, что предотвращается из-за заполненных валентных зон. Немногие методы, такие как легирование и стробирование, позволяют им действовать как проводящие материалы.
При этом электроны и дырки вводятся в систему, где они взаимодействуют посредством диффузии. Всякий раз, когда тепловое равновесие полупроводникового материала нарушается, в нем изменяется количество дырок и электронов. 
Последние достижения в области полупроводниковых материалов
Хотя кремний в течение некоторого времени был основным материалом для полупроводниковой промышленности, его полезность подходит к концу. Поскольку эффективность кремния сейчас почти на пределе закона Мура, отраслевые эксперты опасаются, что вскоре он может его превзойти. Исследования в отрасли дали несколько многообещающих достижений:
- Мощный нитрид галлия. Высокое критическое энергетическое поле означает, что этот материал можно использовать в электрических сетях для более эффективного и быстрого преобразования энергии.
- Графен. На основе графена создается новое поколение полупроводниковых материалов. Тем не менее, есть еще некоторое время, прежде чем мы сможем увидеть их для коммерческого использования.
- Пирит. Пирит может заменить теллурид кадмия в солнечных элементах, редкоземельный элемент с ограниченным запасом, где пирит в изобилии доступен и недорог.
Получите полную информацию о шаблоне экзамена GATE, отсечении и всем, что связано с ним, на официальном канале YouTube Byju Exam Prep.
Ежедневные бесплатные занятия по APP и Youtube, инженерные вакансии, бесплатный PDF и многое другое. Присоединяйтесь к нашей группе Telegram. Присоединяйтесь.
Часто задаваемые вопросы о полупроводниковых материалах
-
Что такое полупроводниковый материал?
Материал, который имеет среднюю проводимость и ширину запрещенной зоны по сравнению с проводниками и изоляторами, известен как полупроводниковый материал . Есть два типа полупроводников. Это собственные полупроводники и внешние полупроводники. Они классифицируются по степени чистоты.
-
Что такое полупроводник n-типа и какие полупроводниковые материалы легированы для формирования полупроводника этого типа?
Когда мы делаем легирование элемента группы 5А кремнием (Si) или германием (Ge), тогда четыре электрона каждого элемента образуют ковалентные связи. Один электрон элемента группы 5А свободен. Таким образом, по мере увеличения легирования количество свободных электронов также будет увеличиваться.
Следовательно, этот материал называется полупроводником n-типа, а электроны являются основными носителями заряда. -
Что такое полупроводник p-типа?
Когда мы делаем легирование элемента группы 3А кремнием (Si) или германием (Ge), тогда три электрона каждого элемента образуют ковалентные связи. Но будет нехватка одного электрона из-за элемента группы 3А. Это отсутствие электрона известно как дырка. Таким образом, по мере увеличения легирования количество дырок также будет увеличиваться. Следовательно, этот материал называется полупроводником p-типа, а дырки являются большинством носителей заряда.
-
Какой полупроводниковый материал наиболее часто используется среди всех полупроводниковых материалов?
В большинстве электронных устройств и интегральных схем мы используем полупроводниковые материалы. Среди них наиболее часто используемым полупроводниковым материалом является кремний (Si). Для оптических устройств и очень высокоскоростных устройств мы используем полупроводники, такие как арсенид галлия (GaAs) и родственные соединения.
-
Каковы другие названия внешних полупроводников, используемых для создания полупроводниковых материалов?
В собственных полупроводниках плохая проводимость и отсутствуют примеси. Если мы добавим примеси в собственный полупроводник, то проводимость увеличится. Этот материал называется внешним полупроводником. Другими названиями внешних полупроводников являются легированные полупроводники и примесные полупроводники.
Следовательно, этот материал называется полупроводником n-типа, а электроны являются основными носителями заряда. 
ESE и GATE EC
Electronic & Comm.GATEGATE ECESEESE ECOДругие экзаменыСерия тестов
Избранные статьи
Следите за нашими обновлениями
Наши приложения
- BYJU’S Exam Prep: приложение для подготовки к экзаменам
GradeStack Learning Pvt. Ltd.Windsor IT Park, Башня — A, 2-й этаж,
Сектор 125, Нойда,
Уттар-Прадеш 201303
help@byjusexamprep.
com
Полупроводниковые материалы | Металлургия для чайников
Полупроводник — это вещество, обычно твердый химический элемент или соединение, которое может проводить электричество при одних условиях, но не при других, что делает его хорошей средой для управления электрическим током. Его проводимость изменяется в зависимости от силы тока или напряжения, подаваемого на управляющий электрод, или от интенсивности облучения инфракрасным (ИК), видимым светом, ультрафиолетовым (УФ) или рентгеновским излучением. Конкретные свойства полупроводника зависят от добавленных в него примесей или легирующих примесей. Полупроводник N-типа переносит ток в основном в виде отрицательно заряженных электронов.
Микросхема, светодиод и транзистор изготовлены из полупроводникового материала.
Элементарные полупроводники включают сурьму, мышьяк, бор, углерод, германий, селен, кремний, серу и теллур. Кремний является наиболее известным из них, составляющим основу большинства интегральных схем (ИС).
Обычные полупроводниковые соединения включают арсенид галлия, антимонид индия и оксиды большинства металлов. Из них арсенид галлия (GaAs) широко используется в малошумящих устройствах усиления слабого сигнала с высоким коэффициентом усиления.
«Чип» Semiconductor от Texas Instruments.
Полупроводниковое устройство может выполнять функцию вакуумной трубки, имеющей в сотни раз больший объем. Одна интегральная схема (ИС), такая как микропроцессорный чип, может выполнять работу набора вакуумных ламп, которые заполнили бы большое здание и потребовали бы собственной электростанции. Полупроводники оказали огромное влияние на наше общество.
В основе микросхем микропроцессора лежат полупроводники, а также транзисторы. Все, что компьютеризировано или использует радиоволны, зависит от полупроводников. Сегодня большинство полупроводниковых микросхем и транзисторов создаются из кремния. Возможно, вы слышали такие выражения, как «Кремниевая долина» и «кремниевая экономика», и вот почему — кремний — это сердце любого электронного устройства.
Силиконовая долина
Сегодня большинство полупроводниковых микросхем и транзисторов изготавливаются из кремния. Возможно, вы слышали такие выражения, как « Силиконовая долина » и «кремниевая экономика», и вот почему — кремний — это сердце любого электронного устройства. Диод — это простейшее полупроводниковое устройство, и поэтому он является отличной отправной точкой, если вы хотите понять, как работают полупроводники. В этой статье вы узнаете, что такое полупроводник, как работает легирование и как можно создать диод с использованием полупроводников. Но сначала давайте внимательно посмотрим на кремний. Кремний — очень распространенный элемент, например, он является основным элементом в песке и кварце. Если вы посмотрите на «кремний» в периодической таблице, вы обнаружите, что он находится рядом с алюминием, ниже углерода и выше германия.
Кремний находится рядом с алюминием и ниже углерода в периодической таблице.
Углерод, кремний и германий (германий, как и кремний, тоже полупроводник) обладают уникальным свойством электронной структуры — у каждого из них на внешней орбитали четыре электрона.
Это позволяет им образовывать красивые кристаллы. Четыре электрона образуют идеальные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, создавая решетку. В углероде мы знаем кристаллическую форму как алмаз. В кремнии кристаллическая форма представляет собой серебристое металлическое вещество.
В решетке кремния все атомы кремния идеально связаны с четырьмя соседями, не оставляя свободных электронов для проведения электрического тока. Это делает кристалл кремния скорее изолятором, чем проводником.
Металлы, как правило, являются хорошими проводниками электричества, потому что они обычно имеют «свободные электроны», которые могут легко перемещаться между атомами, а электричество связано с потоком электронов. Хотя кристаллы кремния выглядят металлическими, на самом деле это не металлы. Все внешние электроны в кристалле кремния связаны идеальными ковалентными связями, поэтому они не могут перемещаться. Чистый кристалл кремния почти изолятор — через него проходит очень мало электричества.
Полупроводниковая зонная структура.
В физике твердого тела (и смежных прикладных областях) ширина запрещенной зоны — это разница энергий между верхом валентной зоны и дном зоны проводимости в изоляторах и полупроводниках. Его часто пишут « запрещенная зона ».
Ширина запрещенной зоны полупроводника
Ширина запрещенной зоны полупроводника важна по ряду причин. Собственная (чистая) проводимость полупроводника сильно зависит от ширины запрещенной зоны. Это связано с тем, что единственными доступными носителями для проводимости являются электроны, которым удается получить достаточно тепловой энергии для возбуждения из валентной зоны в зону проводимости. Согласно статистике Ферми-Дирака, вероятность возникновения этих возбуждений пропорциональна:
где:
exp — экспоненциальная функция
Eg — ширина запрещенной зоны
k — постоянная Больцмана
T — температура материалы с запрещенной зоной дают лучшую производительность.
В инфракрасных фотодиодах используется полупроводник с малой шириной запрещенной зоны, позволяющий обнаруживать низкоэнергетические фотоны. Возможность адаптировать ширину запрещенной зоны устройства возможна в полупроводниковых сплавах (таких как GaAlAs, InGaAs, InAlAs и т. д.), и иногда ее называют проектированием ширины запрещенной зоны. Это используется в конструкции биполярных транзисторов с гетеропереходом (HBT) и лазерных диодов.
Разница между полупроводниками и изоляторами довольно неоднозначна. Действительно, согласно одному определению, полупроводник — это разновидность изолятора. В общем, материал с достаточно большой запрещенной зоной будет изолятором. Иногда приводится цифра 3 эВ. Мобильность также играет роль в определении неформальной классификации материала. Ширина запрещенной зоны уменьшается с повышением температуры в процессе, связанном с тепловым расширением. Запрещенные зоны могут быть как прямыми, так и непрямыми запрещенными зонами.
В одном атоме водорода электрон находится на хорошо известных орбиталях.
Обратите внимание, что орбитали называются s,p,d в порядке увеличения кругового тока. Полупроводник представляет собой материал с электропроводностью за счет потока электронов (в отличие от ионной проводимости), промежуточной по величине между проводником и изолятором. Это означает проводимость примерно в диапазоне от 103 до 10–8 Сименс на сантиметр. Полупроводниковые материалы являются основой современной электроники, включая радио, компьютеры, телефоны и многие другие устройства. К таким устройствам относятся транзисторы, солнечные элементы, многие виды диодов, включая светоизлучающие диоды, кремниевые управляемые выпрямители, а также цифровые и аналоговые интегральные схемы. Точно так же полупроводниковые солнечные фотоэлектрические панели напрямую преобразуют световую энергию в электрическую. В металлическом проводнике ток переносится потоком электронов. В полупроводниках ток часто схематически переносится либо потоком электронов, либо потоком положительно заряженных «дырок» в электронной структуре материала.
Однако на самом деле в обоих случаях речь идет только о движении электронов.
Производство полупроводниковых пластин
Кремний используется для коммерческого создания большинства полупроводников. Используются десятки других материалов, включая германий, арсенид галлия и карбид кремния. Чистый полупроводник часто называют «внутренним» полупроводником. Электронные свойства и проводимость полупроводника можно изменять контролируемым образом, добавляя очень небольшие количества других элементов, называемых «примесями», к собственному материалу. В кристаллическом кремнии это обычно достигается добавлением в расплав примесей бора или фосфора и последующим затвердеванием расплава в кристалл. Этот процесс называется «допинг».
Легирование полупроводников
Свойство полупроводников, которое делает их наиболее полезными для создания электронных устройств, заключается в том, что их проводимость может быть легко изменена путем введения примесей в их кристаллическую решетку.
Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как легирование. Количество примеси или легирующей примеси, добавляемой к собственному (чистому) полупроводнику, изменяет уровень его проводимости. Легированные полупроводники часто называют внешними. Добавляя примеси в чистые полупроводники, можно изменять электропроводность не только числом примесных атомов, но и типом примесного атома, причем изменения могут быть в тысячи и миллионы раз. Например, 1 см3 образца металла или полупроводника имеет число атомов порядка 1022. Поскольку каждый атом металла отдает по крайней мере один свободный электрон для проводимости в металле, 1 см3 металла содержит порядка 1022 свободных электронов. , При температуре близкой к 20 °С в 1 см3 чистого германия содержится около 4,2·1022 атомов и 2,5·1013 свободных электронов и 2,5·1013 дырок (пустых пространств в кристаллической решетке, имеющих положительный заряд). примесь) отдает дополнительные 1017 свободных электронов в том же объеме, а электропроводность увеличивается примерно в 10 000 раз».
n-легирование фосфором
Материалы, выбранные в качестве подходящих легирующих добавок, зависят от атомных свойств как легирующей добавки, так и легируемого материала. Обычно легирующие примеси, вызывающие желаемые контролируемые изменения, классифицируются либо как акцепторы, либо как доноры электронов. Атом-донор, который активируется (то есть включается в кристаллическую решетку), отдает материалу слабо связанные валентные электроны, создавая избыточные носители отрицательного заряда.
Эти слабо связанные электроны могут перемещаться в кристаллической решетке относительно свободно и могут способствовать проводимости в присутствии электрического поля. (Атомы доноров вводят некоторые состояния под краем зоны проводимости, но очень близко к нему. Электроны в этих состояниях могут быть легко возбуждены в зону проводимости, становясь свободными электронами при комнатной температуре.) И наоборот, активированный акцептор производит дырку. Полупроводники, легированные донорными примесями, называются n-типа, а те, которые легированы акцепторными примесями, известны как p-типа.
Обозначения типов n и p указывают, какой носитель заряда действует как основной носитель материала. Противоположный носитель называется неосновным носителем, который существует за счет теплового возбуждения при гораздо более низкой концентрации по сравнению с основным носителем.
р-легирование бором
Концепция дырок также применима к металлам, уровень Ферми которых лежит в пределах зоны проводимости. Для большинства металлов эффект Холла указывает на то, что электроны являются носителями заряда. Однако некоторые металлы имеют в основном заполненную зону проводимости. В них эффект Холла обнаруживает носители положительного заряда, которые являются не ионными ядрами, а дырками. В случае металла электронам требуется лишь небольшое количество энергии, чтобы найти другие незанятые состояния, в которые они могут перейти, и, следовательно, для протекания тока. Иногда даже в этом случае можно сказать, что осталась дырка, чтобы объяснить, почему электрон не возвращается к более низким энергиям.
Он не может найти дыру. В конце концов, в обоих материалах электрон-фононное рассеяние и дефекты являются доминирующими причинами сопротивления.
Распределение Ферми-Дирака. Государства с энергией? ниже энергии Ферми, здесь µ, имеют более высокую вероятность n быть занятыми, а те, что выше, с меньшей вероятностью будут заняты. Размытость распределения увеличивается с температурой.
Энергетическое распределение электронов определяет, какие из состояний заполнены, а какие пусты. Это распределение описывается статистикой Ферми-Дирака. Распределение характеризуется температурой электронов и энергией Ферми или уровнем Ферми. В условиях абсолютного нуля энергию Ферми можно рассматривать как энергию, до которой заняты доступные электронные состояния. При более высоких температурах энергия Ферми — это энергия, при которой вероятность заполнения состояния падает до 0,5. Зависимость распределения энергии электронов от температуры также объясняет, почему проводимость полупроводника сильно зависит от температуры, поскольку полупроводник, работающий при более низких температурах, будет иметь меньше свободных электронов и дырок, способных выполнять работу.
Согласно предварительным данным Gartner, в 2007 году мировой доход от полупроводников составил 270,3 миллиарда долларов, что на 2,9% больше, чем в 2006 году. Показатели поставщиков были неоднозначными: два поставщика в первой десятке продемонстрировали двузначный рост, а два поставщика продемонстрировали снижение выручки. В то время как мировой рынок динамической памяти с произвольным доступом (DRAM), как ожидается, сократится в 2007 году из-за резкого падения цен, вызванного избыточным предложением, ожидается, что Samsung Electronics увеличит свой доход немного выше, чем общий темп роста мирового рынка полупроводников ( DRAM является одним из основных продуктов фирмы). Его рост обусловлен устойчивым ростом доходов от продаж флэш-памяти NAND и значительным ростом доходов в областях, не связанных с памятью, таких как прикладные процессоры, мультимедийные интегральные схемы (ИС), комплементарные металлооксидные полупроводниковые датчики изображения (КМОП), ИС смарт-карт и ИС драйверов ЖК-дисплеев.
