Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков (540408), страница 45
Текст из файла (страница 45)
8.10. Эффект Холла в полупроводнике p-типаЗнак ЭДС Холла легко определить по правилу левой руки. Отогнув в сторонубольшой палец, найдем направление смещения основных носителей заряда дляданного типа полупроводника. Рассчитывается ЭДС Холла такUx=Rx(JB/b) ,где Rx - постоянная Холла R=-A/(nq) - для n-полупроводника, R=B/(pq) - для pполупроводника, n и p концентрации электронов и дырок); A и B - коэффициенты,значения которых от 0.5 до 2.0 для различных образцов.
В сильных полях или длявырожденных полупроводников A=B=1.0. Для монокристаллических образцов ссовершенной структурой A=B=3 π /8.Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида и теллуридартути (HgTe,HgSe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов ввиде тонких пленок или пластинок.
С их помощью возможно измерение магнитнойиндукции или напряженности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведениик контактам переменных напряжений - и преобразование сигналов. По измерению ЭДСХолла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию иподвижность.Эффект Ганна - относится к эффектам сильного поля и заключается впоявлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии наполупроводник электрического поля высокой напряженности.Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индияInP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частотдо сотен гигагерц.Фотоэлектрический эффект.
При облучении полупроводников светом в нихможно возбудить проводимость. Фототок с энергией hν большей или равной ширинезапрещенной зоны ∆Wo переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости.Образующаяся при этом пара электрон-дырка является свободной и участвует всоздании проводимости. На рисунке показана схема образования фотоносителей всобственном , донорном и акцепторном полупроводниках.184а)б)в)Рис. 8.11 Схема образования фотосистемы в собственном – а), донорном – би акцепторном – в) полупроводникахТаким образом, если hν <∆Wo - для собственных полупроводников, hν <∆Wп - дляпримесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и проводимостьповышается.
Эта добавочная проводимость называется фотопроводимостью. Основнаяпроводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называетсятемновой проводимостью. Из приведенных формул можно определить минимальнуючастоту νо или максимальную длину волны λо, при которой свет возбуждаетфотопроводимость.λо = c h / ∆Wo и λо = c h / ∆Wп.Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовляются из сернистогокадмия (CdS) и сернистого свинца (PbS). Используются и другие полупроводниковыематериалы. Единственным материалом для интегральных датчиков является кремний.Полупроводники используются в том числе и в оптоэлектронных устройствах:светодиодах, лазерах, фотодетекторах (датчиках), солнечных батареях, фильтрах.Термо-ЭДС в полупроводниках, как и в металлах возникает под действиемразности температуры.
Основой преобразователей тепловой энергии в электрическуюявляютсятермоэлементы,составленныеизпоследовательновключенныхполупроводников p и n-типов. Большая термо-ЭДС полупроводников позволяетиспользовать их в качестве эффективных преобразователей тепловой энергии вэлектрическую.185Простые полупроводникиГерманий. Один из наиболее хорошо изученных полупроводников. Упрощеннаятехнологическая схема производства германия показана нижеконцентрированная HClгерманийсодержащая рудатетрахлорид германияглубокая очистка (экстракция иректификация)очищенный GeCl4гидролиз водойдихлорид германия GeO2просушкаGeO2восстановление в токе Н2 при650оСGeметаллическое травление всмеси кислотсплавление в слиткиочистка зонной плавкойвыращивание монокристалловпо ЧохральскомуГерманий применяется для изготовления диодов различных типов, транзисторов,датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений, в ИК оптике и т.д.Рабочий диапазон германиевых приборов, фотодиодов и фототранзисторов от –60 до+ 700С.При зонной очистке вдоль горизонтально расположенного образца создается 4-5узких расплавленных зон, перемещающихся вдоль слитка.
Примеси оттесняются кконцу слитка. Процесс повторяют много раз. Монокристаллы германия можно создаватьдиаметром до 300-500мм. Германий применяется для изготовления диодов различныхтипов, транзисторов, датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений ив ИК-оптике. Рабочий диапазон германиевых приборов от -60 до +70оС.Кремний полупроводниковой чистоты получается по следующей примернойтехнологической схеме:превращение технического кремния в легколетучее состояниеочистка соединения физическими и химическими методамивосстановление соединениявыделение чистого кремния186очистка кремния бестигельной зонной плавкойвыращивание монокристалловМетод бестигельной зонной плавки позволяет получать кристаллы кремния до 100мм.
Схема этого метода показана на рисунке. Кремнивые приборы благодаря большей,чем у германия ширине запрещенной зоны, могут работать при более высокихтемпературах, чем германиевые. Верхний предел рабочей температуры достигает укремниевых приборов 180-200оС. Кремний является пока единственным материаломдля изготовления БИС и микропроцессоров. Кремний удается наращивать намонокристаллы или на инородные подложки при толщине слоя 5-10 мкм. Этот процесспроизводится при температуре, меньшей температуры плавления и называетсяэпитаксией, при наращивании на инородных подложках, например, на сапфире гетероэпитаксией. Такие структуры используются как основа ИС наиболеебыстродействующих, энергоемких и радиационно стойких.Селен — элемент Ъ группы таблицы Менделеева, обладающий рядоминтересных электрических свойств.
Применяется для изготовления выпрямителейпеременного тока, фотоэлементов, а также в технологии красок, пластмасс, керамики,как легирующая добавка при производстве стали, в электрофотографии.Теллур — элемент Ъ группы таблицы Менделеева с шириной запрещенной зоны0.35 эВ. Применяется в виде сплавов с сурьмой и свинцом для изготовлениятермоэлектрических генераторов.Карбид кремния - бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны2.8-3.1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния одно из наиболее твердыхвеществ, полупроводниковые приборы из которого могут работать при высокихтемпературах вплоть до 700оС.
Карбид кремния устойчив против окисления дотемпературы свыше 1400оС. При комнатной температуре он не взаимодействует ни скакими кислотами.Карбид кремния применяется для изготовления варисторов (нелинейныхрезисторов),светодиодов,высокотемпературныхдиодов,транзисторов,тензорезисторов, счетчиков частиц высоких энергий, способных работать в химическиагрессивных средах. В электротехнике карбид кремния применяется для изготовлениявентильных разрядников, предназначенных для защиты от перенапряжений аппаратурыи линий передачи высокого напряжения.
Карбид кремния применяется дляизготовления силитовых стержней для электрических печей на максимальнуютемпературу до 1500оС. Силитовые стержни изготовляются на основе карбида кремния,кристаллического кремния и углерода.Значения некоторых параметров германия, кремния, селена приведены в таблице.СвойстваГерманийКремнийСелен321434Температура плавления, оС9371412218Собственное удельное сопротивлениепри 20оС,Ом . м0.472 . 103-Атомный номер187Собственная концентрация носителей, м-2 . 10192 . 1016-при 0 К0.741.1652.5при 300 К0.651.122.0Подвижность электронов, м2/(В .
с)0.390.14-Подвижность дырок, м2/(В . с)0.190.050.2 . 10-43Ширина запрещенной зоны, эВБинарные соединенияБинарные соединения — соединения А3В5 классифицируют по металлоидномуэлементу. Различают нитриды, фосфиды и антимониды. Особое место среди нихзанимает арсенид галлия, отличающийся большой шириной запрещенной зоны (1.4 эВ)и высокой подвижностью электронов (0.85 м2/(в .
с)). Он используется для изготовленияприборов, работающих при высоких температурах и высоких частотах, дляинжекционных лазеров, светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов,солнечных батарей и других приборов. Широко применяются антимонид индия, фосфидгаллия, антимонид галлия.Соединения А2В6, к которым относятся халькогениды цинка, кадмия, ртути,сульфиды, селениды, теллуриды применяются для изготовления фоторезисторов,высоковольтных датчиков Холла, в инфракрасной технике, для созданияпромышленных люминофоров и другие.Нанокристаллические полупроводники2Термин «нанотехнология» относится к размерам структурных элементов.Научный интерес обусловлен, прежде всего, ожиданием различных размерныхэффектов на свойствах наночастиц и нанокристаллитов, размеры которых соизмеримыили меньше, чем характерный корреляционный масштаб того или иного физическогоявления или характерная длина, фигурирующая в теоретическом описании какого-либосвойства или процесса (например, длина волны упругих колебаний, размер экситона вполупроводниках, размер магнитного домена в ферромагнетиках и т.д.).Размерные эффекты проявляются, когда размер кристаллических зерен непревышает 100 нм, и наиболее отчетливо наблюдается, когда размер зерен менее10 нм.Наночастицы и нанослои широко применяются в производстве современныхмикроэлекронных устройств.
Примером могут служить слоисто-неоднородныеструктуры – сверхрешетки, в которых чередуются твердые сверхтонкие слои(толщиной от нескольких до ста параметров кристаллической решетки или 1-50 нм)двух различных веществ, например оксидов. Такая структура представляет собойкристалл, в котором наряду с обычной решеткой из периодически расположенныхатомов, существует сверхрешетка из повторяющихся слоев разного состава. Благодарятому, что толщина нанослоя сравнима с длиной дебройлевской волны электрона, всверхрешетвках на электронных свойствах реализуется квантовый размерный эффект.Использование эффекта размерного квантования в таких наноструктурах позволяет2По монографии Гусева А.И., Ремпеля А.А. Нанокристаллические материалы.−М.: ФИЗМАТЛИТ,2001.−224с188создаватьэлектронныеустройствасповышеннымбыстродействиемиинформационной емкостью.
Простейшим электронным устройством такого типаявляется, например, двухбарьерный диод AlAs/Ga As/Al As, состоящий из слояарсенида галлия толщиной 4-6 нм, расположенного между двумя слоями арсенидаалюминия AlAs толщиной 1,5-2,5 нм.Газофазовый синтез с использованием лазерного излучения для создания иподдержания плазмы, в которой происходит химическая реакция, оказалсяэффективным методом получения молекулярных кластеров.Молекулярные кластеры — новая структурная модификация вещества. Срединих наиболее известны фуллерены — новая аллотропная модификация углероданаряду с графитом и алмазом. Центральное место среди фуллеренов принадлежитмолекуле С60, имеющей наиболее высокую симметрию и, как следствие, наибольшуюстабильность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
