Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Рис.9.2. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава сплава и фазовая диаграмма.

Сплавы кремния с германием. Сплавы кремния с германием при всех соотношениях имеют структуру твердых растворов замещения, то есть их атомы статистически распределены в узлах кристаллической решетки. Параметры кристаллической решетки плавно изменяются с изменением состава сплава. Эти сплавы проявляют полупроводниковые свойства, причем ширина запрещенной зоны изменяется в зависимости от состава не линейно; подвижность электронов уменьшается при переходе от Gе к Si. Изготовление твердых растворов это один из эффективных путей управления основными свойствами полупроводниковых веществ. Зная фазовую диаграмму состояния системы, можно направленно создавать вещества с заранее заданными свойствами. Например, пусть требуется полупроводник с Hg=1эВ. Из рис..8.2 видно, что Hg=1эВ обладает сплав состава 80 % Si и 20 %Ge . Из фазовой диаграммы состояния система (рис.9.2) следует, что кристаллы такого состав можно вырастить из расплава, содержащего 50 % Si.

Полупроводниковые соединения

Карбид кремния –SiC. Карбид кремния - единственное бинарное соединение элементов 1У группы. Структура кристаллов SiC аналогична структуре алмаза, а прочность связи Si-C лишь немного меньше прочности связи С-С в алмазе. Этим объясняются высокая твердость карбида кремния (9,6 по шкале Мооса), высокая химическая стойкость.

Получают карбид кремния взаимодействием диоксида кремния с углеродом при высоких температурах SiO₂+3C=SiC+2CO. Образовавшийся SiC растворяют в расплаве кремния или хрома и выкристаллизовывают. Окончательную очистку проводят путем сублимации при 2400-2600^оС, в результате чего образуется кристаллы размером до 20 мкм.

В зависимости от количества примесей удельное объемное сопротивление SiC может изменяться от 10¹⁵ до 10^-3 Ом м. SiC - широкозонный полупроводник Hg=2,86 эВ, причем температура слабо влияет на ширину запрещенной зоны. В качестве донорных примесей используются элементы V группы: азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут, а в качестве акцепторных элементы 3 группы: бор, алюминий, галлий, индий и элементы 2 группы: кальций и магний.

Высокая термическая устойчивость и стойкость к радиации определяют применение карбида кремния в полупроводниковых приборах, работающих в экстремальных условиях, а большая ширина запрещенной зоны позволяет использовать его в качестве люминофора, проявляющего люминесценцию в видимой части спектра.

SiC применяют в качестве светоизлучателей для световых эталонов, опорных источников света в измерительных устройствах, цифровых и знаковых светодиодах, приборах с управляемой геометрией светового поля и т.п.

Полупроводниковые соединения типа А^IIIВ^V. Здесь А^III - элементы третьей группы: Al, Ga, In. В^V - элементы пятой группы: N, P, As, Sb. Соединения А^IIIВ^V принято классифицировать по металлоидному элементу. Соответственно, различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Многообразие свойств полупроводников типа А^IIIВ^V обусловливает их широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Особый интерес к этой группе материалов был вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светодиоды на основе полупроводников типа А^IIIВ^V характеризуются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение. Арсенид галлия явился первым полупроводником, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер, т. е. осуществлена генерация когерентного излучения с помощью p-n-перехода.

Большой набор значений ширины запрещенной зоны у полупроводников типа А^IIIВ^V позволяет создавать на их основе различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий диапазон спектра. Среди них наибольшее распространение получили фотодиоды и фотоэлементы. Арсенид галлия потенциально является одним из лучших чувствительных материалов для применения в солнечных батареях. Антимонид индия имеет важное техническое значение для изготовления приемников инфракрасного излучения.

Среди алмазоподобных полупроводников, в том числе соединении типа А^IIIВ^V, распространены твердые растворы замещения. Необходимыми условиями образования твердых растворов являются кристаллохимическое подобие кристаллических решеток соединений-компонентов и близость их периодов идентичности. Наиболее хорошо изучены тройные твердые растворы, в которых замещение происходит лишь по узлам одной из подрешеток бинарного соединения (металлической или металлоидной). Состав таких твердых растворов принято характеризовать символами А_xВ_1-xС и AC_yD_1-y, где А и В обозначают элементы III группы, а С и D — элементы V группы. В формуле А_xВ_1-xС индекс х определяет мольную долю соединения АВ в твердом растворе. Если твердые растворы существуют во всем диапазоне концентраций, то х может изменяться от 0 до 1. В тройных твердых растворах имеет место статистически неупорядоченное распределение атомов замещаемых компонентов по узлам соответствующей подрешетки. С изменением состава твердого раствора наблюдается линейное изменение периода кристаллической решетки. Эта закономерность известна в кристаллохимии как закон Вегарда. Она позволяет определять состав твердого раствора по измерениям периода решетки с помощью дифракции рентгеновских лучей.

Как и в бинарных соединениях А^IIIВ^V, в твердых растворах не наблюдается существенных отклонений от стехиометрии, поэтому они просты по механизму легирования. Теми же методами, что и в бинарных соединениях, в них могут быть получены электронно-дырочные переходы. Температурные изменения электрических параметров также принципиально не отличаются от соответствующих зависимостей для соединений-партнеров.

10.МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

В

Рис.10.1. Схема расположения магнитных диполей в материале при отсутствии внешнего магнитного поля (1) и при его наличии (2).

любом веществе постоянно перемещаются различные заряженные частицы: электроны, протоны, ионы и др. Первопричиной магнитных свойств вещества являются элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Это создает в материале множество магнитных моментов, имеющих самое разнообразное направление (рис.9.1). При этом суммарный магнитный момент М, являющийся векторной суммой элементарных магнитных моментов, равен нулю. Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент за счет преимущественной ориентации элементарных моментов в направлении поля. Таким образом, материал намагничивается и в нем возникает внутреннее магнитное поле. Способность материала намагничиваться определяется величиной намагниченности J_m=M/V [А/м], где М  магнитный момент единицы объема V. Намагниченность, как и магнитный момент, является векторной величиной. В изотропных материалах направления векторов намагниченности (J_m) и напряженности внешнего магнитного поля (Н) либо совпадают (как это показано на рис.10.1), либо противоположны. Они связаны между собой прямой пропорциональностью J_m=k_mH, где k_m- безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью. Если k_m 0, то направление J_m и H совпадают, если k_m 0-противоположны.

Возникающее (индуцированное) в материале внутреннее магнитное поле количественно характеризуется величиной магнитной индукции (В_m), которая в сумме с внешней (В_о) дает общую магнитную индукцию (В):

В= В_о+ В_m=_oH+ _o J_m=_o (H+ J_m)= _oH (1+ k_m)= _o  H [Тл],

где  =1+ k_m – относительная магнитная проницаемость, _o = 410^-7 [Гн/м] – магнитная постоянная

Классификация веществ по магнитным свойствам. По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий и т. д.) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещество в сверхпроводящем состоянии. Диамагнетики имеют низкие и отрицательные значения магнитной восприимчивости (k_m  -10^-5), т.е. они очень слабо намагничиваются и при этом их магнитный момент направлен против намагничивающего поля. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля. У большинства диамагнетиков k_m не зависит от Н и температуры.

Ряд материалов имеют отрицательные и большие значения k_m .Таким свойством обладают сверхпроводники. Эти материалы очень сильно выталкиваются из неоднородного магнитного поля. Они представляют большой интерес, так как с их помощью можно создавать так называемые магнитные подушки, удерживающие массивные объекты в подвешенном состоянии.

К парамагнетикам относят вещества с невысокой положительной магнитной восприимчивостью (k_m=10^-5-10^-4) , не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры по закону Кюри: k_m=С/Т, где С - постоянная Кюри, Т - абсолютная температура. К числу парамагнетиков относятся кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе во многом аналогичен диполь-релаксационной поляризации диэлектриков.

К ферромагнетикам относят вещества с очень большой (до сотен тысяч) положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Так, у железа k_m=1000, у никеля k_m=240, у кобальта k_m=150. При этом k_m=С/(Т-Т_к), где С - постоянная Кюри, Т - абсолютная температура, Т_к -температура Кюри (температура, при которой ферромагнетик превращается в парамагнетик. Т_к^Fe=770⁰C, Т_к^Co=1130⁰C, Т_к^Ni=356⁰C). Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании отдельных областей с параллельно ориентированными моментами атомов - магнитных доменов. Экспериментально показано, что особые свойства ферромагнетиков обусловлены их доменным строением. Домены представляют собой макроскопические области, намагниченные практически до насыщения даже в отсутствие внешнего поля. Спонтанная намагниченность доменов обусловлена параллельной ориентацией магнитных моментов атомов. Как правило,отличным от нуля магнитным моментом обладают те атомы и ионы , которые в своих электронных оболочках имеют нескомпенсированные спины. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость, которая сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура такого перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce , Nd, Sm, Tm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонов и т. п. Всего известно около тысячи соединений со свойствами антиферромагнетиков.

Характеристики

Список файлов лекций