Свойства полупроводников — Энциклопедия по машиностроению XXL

В разд. 5.1 показано, как влияет на свойства полупроводника введение небольшого количества примеси. Зависимость сопротивления от температуры чрезвычайно чувствительна к количеству и качеству вводимой примеси, что может использоваться для получения желаемых характеристик. Из рис. 5.7 видно, что для термометрических целей более всего интересны области III и IV. Хотя наклоном кривой и абсолютным значением удельного сопротивления можно в какой-то степени управлять, высокая чувствительность обоих этих параметров к малым изменениям концентрации примеси мешает получать  [c.235]
Следы примесей, определяющих свойства полупроводников, существенно влияют и на скорость окисления металлов, покрытых полупроводниковыми пленками. С другой стороны, легирующие компоненты, присутствующие в больших количествах (например, более 10 % Сг — Ni), оказывают влияние на скорость окисления не только изменяя полупроводниковые свойства пленок, но и путем изменения их состава и структуры.  [c.198]

Прибор полупроводниковый — прибор, действие которого основано на использовании свойств полупроводника [4, 10].  [c.151]

Но самым удивительным свойством полупроводников оказалось свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводниковых кристаллов различного типа. Это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов, служащих материальной базой современной радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники.  

[c.154]

Донорные и акцепторные примеси. Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов — донорные и акцепторные. Если, например, в кристалле кремния имеется примесь атомов мышьяка, то эти атомы замещают в узлах кристаллической решетки атомы кремния. Пятивалентный атом мышьяка вступает в ковалентные связи с четырьмя атомами кремния, а его пятый электрон оказывается незанятым в связях (рис. 155).  [c.155]

В отличие от кристаллического полупроводника, где при комнатной температуре электроны с мелких донорных уровней переходят в зону проводимости, здесь они перейдут, в основном, на локализованные состояния вблизи уровня Ферми.

При высокой плотности состояний это приводит к незначительному смещению уровня Ферми из положения Ер в положение и электрические свойства полупроводника практически не изменятся. Новое положение уровня Ферми может быть найдено из условия  [c.365]

Таким образом, хотя примеси практически и не принимают непосредственного участия в генерировании фотоэлектронов, тем не менее они оказывают заметное влияние на фотоэмиссионные свойства полупроводника — через создание заряда на его поверхности в результате обогащения или, напротив, обеднения электронами поверхностных состояний.  

[c.166]

Специально вводя примеси (соответствующего состава и соответствующей концентрации), можно управлять временем жизни носителей заряда. Как будет показано ниже, тем самым можно существенно воздействовать на фотопроводящие свойства полупроводника.  [c.176]

Окисные пленки имеют толщину 0,5—3 нм и более и обладают свойствами полупроводников, а иногда и диэлектриков. Интенсивность образования окисных пленок и изменение структуры граничных слоев зависят от температуры в зоне контакта, которая увеличивается с ростом скорости вращения, от удельного давления на щетки и проницаемости окисной пленки для кислорода.  

[c.316]

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ  [c.454]

Eg — ширина энергетической шели в спектре электронных возбуждений для веществ, обладающих свойствами полупроводников  [c.653]

Таблица показывает, что направления векторов Бюргерса наиболее устойчивых дислокаций хорошо согласуются с направлением скольжения. Выше уже указывалось, что скольжение в кристаллах осуществляется движением дислокаций, причем в процессе скольжения могут возникать новые и исчезать старые дислокации. Поэтому важными характеристиками являются плотность и распределение дислокаций. Под плотностью дислокаций понимают количество дислокаций, пересекающих площадку в м в кристалле. Для сравнительно совершенных кристаллов металлов (после их отжига, приводящего к уменьшению числа дислокаций, поскольку они представляют собой неравновесные образования) плотность дислокаций составляет 102—jgs см 2, а после пластической деформации может достигать 10 —см» .

Дислокации сильно влияют (часто ухудшая) на электрические свойства полупроводников, и поэтому разработаны специальные способы выращивания монокристаллов полупроводников с малой плотностью дислокаций вплоть до бездислокационных.  

[c.244]

Подробное рассмотрение физических процессов в полупроводниках завело бы нас слишком далеко в зонную теорию твердого тела. Поэтому ограничимся перечислением нужных нам свойств полупроводников без обсуждения механизма явлений. Хорошо (до 10″ % и выше) очищенный от примесей полупроводниковый кристалл при комнатных температурах имеет ничтожно малую (по сравнению с металлами) электропроводность. Все электроны находятся в связанных состояниях. Для выбивания электрона ему надо сообщить энергию выше некоторой пороговой. Пороговая энергия имеет порядок 1 эВ (0,7 эВ для германия Ge и 1,1 эВ для кремния Si). В среднем на образование пары ионов в полупроводнике тратится энергия примерно 3 эВ — на порядок меньше, чем  

[c.503]

Полупроводники занимают по удельной проводимости промел уточное место мевду проводниками и диэлектриками. Особенности свойств полупроводников позволяют широко использовать их в различных отраслях электротехники в технике связи в широком диапазоне частот, в различных устройствах радиоэлектроники и в технике сильного тока. Их применяют в выпрямителях, в усилителях, в фотодатчиках, в качестве специальных источников тока и т. п.  [c.4]

X — коэффициент, зависящий от свойств полупроводника, удовлетворяющий условию 1>д >0.  

[c.274]

Примечание. В некоторых модификациях свойствами полупроводников обладают еще олово (серое), сурьма и углерод.  [c.230]

Релаксация фотопроводимости. Изменение электрических свойств полупроводников под влиянием электромагнитного излучения зависит от времени (релаксация). После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и даже часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к быстродействию которых  

[c.247]

ЭЛЕМЕНТЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ СВОЙСТВАМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ  [c.251]

Из девяти элементов, обладающих свойствами полупроводников (см. табл. 8-2), рассмотрим те, которые получили наибольшее распространение в технике.  [c.251]

Превращения в кристалле в результате ядерных реакций при облучении нейтронами приводят к образованию атомов примесей. Как правило, это не очень существенно, за исключением случаев, когда образуются газы (например, при реакции нейтронов с бериллием образуется гелий). Газы в решетке могут накапливаться, образуя пузырьки, и приводить к сильному распуханию. Атомы примесей, не являющихся газами, могут существенно менять свойства полупроводников.  

[c.142]

Поскольку концентрация и время жизни носителей тока в данном полупроводниковом приборе специально контролируются в процессе его изготовления, то эти характеристики предопределяют конкретную область применения прибора. Отклонения от заданных условий работы приводят к изменениям рабочих характеристик прибора, а они в свою очередь могут повлиять на работу всей цепи, в которую он входит. Иначе говоря, электрические свойства полупроводников зависят от типа и количества нарушений в кристаллической решетке. Поэтому не удивительно, что высокоэнергетические частицы, вызывая образование структурных дефектов и ионизацию атомов при прохождении через кристаллическую решетку, резко изменяют электрические свойства полупроводников. Ниже мы будем рассматривать как дефекты любые отклонения от нормальной кристаллической решетки и, в частности, инородные атомы, вакантные места в решетке (вакансии), промежуточные атомы (междоузлия), электроны и дырки в количествах, превышающих их равновесные концентрации, и т. д. Эти нарушения кристаллической решетки можно рассматривать как точечные, а нарушения другого типа — дислокации — как линейные дефекты.  

[c.278]

Влияние радиационных нарушений на электрические свойства полупроводников обычно сводится к введению энергетических уровней в запрещенную энергетическую зону [44, 48]. Эти энергетические уровни связаны с дефектами в кристаллической решетке, которые могут захватывать электроны или дырки. Положительно заряженные места в решетке, образовавшиеся в результате захвата дырок, называются донорами. Акцепторами принято называть места в решетке, ставшие отрицательно заряженными в результате захвата электронов. Такие места в решетке оказывают большое влияние на концентрацию свободных дырок и электронов и, следовательно, на электрические и оптические свойства кристалла.  [c.282]

Многочисленные исследования влияния давления на полупроводниковые приборы показали, что свойства полупроводников не изменяются существенно по действием трехосных нагрузок. Реальные приборы, однако, могут вести себя различным образом в зависимости от конструкций корпусов.  [c.481]

Уже в наше время явлением заинтересовался советский ученый академик Иоффе, большую часть жизни посвятивший изучению удивительных свойств полупроводников—промежуточного класса веществ, не являющихся ни проводниками, ни изоляторами электрического тока.  [c.86]

Сурьмяно-цезиевый фотоэмиттер. При прогревании сурьмы в парах цезия образуется химическое соединение sjSb, обладающее свойствами полупроводника. Небольшой де1 )ицит цезия в кристаллической решетке превращает данный полупроводник в полупроводник р-тина. Его характеристики %=0Л эВ, А = 1,6 эВ, У зх=0,3.  [c.172]

У меди имеется один 4з-электрон и целиком задолненная Зб-оболочка (10 электронов). Большие орбиты Зб-электронов и значительное их число делают диамагнетизм замкнутых оболочек меди преобладающим над парамагнетизмом свободного 48-электрона. Если же энергетические зоны целиком заполнены или совершенно пусты (изоляторы), то твердое тело также обладает диамагнитными свойствами. Полупроводники были бы диамагнитными, если бы не малые парамагнитные составляющие восприимчивости, обусловленные свободными электронами.  [c.150]

Гидрогенизация аморфного кремния, как уже указывалось, позволила эффективно управлять его электрофизическими свойствами путем легирования. Между тем многие свойства полупроводника определяются шириной его запрещенной зоны, которая при легировании не изменяется (или изменяется незначительно). В целях расширения возможностей управления оптическими, фотоэлектрическими и электрическими свойствами полупроводника при изготовлении различных приборов наряду с гидрогенизированным аморфным кремнием применяют его сплавы с германием Ое, з Н, углеро-  [c.21]

В учебном пособии изложены теоретические основы алектроматериаловедения, касающиеся изучения структуры и свойств металлов и сплавов, применяемых в авиационном приборостроении. Приведены материалы, устанавливающие зависимость физикохимических свойств электротехнических сплавов от их строения, а также сведения о методах формирования у сплавов специальных свойств. Значительное место в учебном пособии отведено изучению конкретных групп электротехнических сплавов — конструкционных, магнитных, проводниковых, с особыми тепловыми свойствами, полупроводников.  [c. 2]

В авиационной технике полупроводниковые материалы используют в приборах для генерации и усиления электрических сигналов и выпрямления переменного тока (диоды) и в качестве фотосопротивления и фотодиодов. Термоэлектрические свойства полупроводников позволяют применять их в качестве термосопротивлений, термоэлементов, термостабилизаторов и при создании солнечных батарей. Магнитные свойства полупроводниковых материалов (окислы металлов переходных групп, соединения металлов с серой, теллуром и селеном) позволяют применять их при изготовлении малогабаритных антенн, транс-  [c.279]

Оптические свойства полупроводников. Выше, в 1.2, было показано, что методы ИПД могут быть использованы для получения наноструктур не только в чистых металлах и сплавах, но и в полупроводниковых материалах, широко используемых в электронной технике. В последние годы значительный интерес вызвали оптические свойства наноструктурных Si и Ge, в которых наблюдалось люминесцентное свечение в видимой области спектра. Эти эффекты были обнаружены в пористом Si, полученном химическим травлением [396, 397], в образцах Si, полученных электронно-лучевым распылением [398], и в нанокристаллах Ge, полученным магнетронным распылением [399]. Вместе с тем в этих работах исследованные образцы были в виде пористого материала или тонких пленок. В этой связи интерес представляет исследование спектров рамановского рассеяния и фотолюминес-  [c.232]

Рассмотренные поверхностные состояння возникают на идеально чистой бездефектной поверхности, получить которую практи- ческн невозможно. В реальных условиях поверхностные свойства полупроводников определяются новерхностнымп состояниями, созданными главным образом чужеродными атомами (молекулами) на поверхности. На рис. 8.26, в показана зонная структура полупроводника. Вертикальной прямой ВС обозначена одна из свободных его поверхностей. Предположим, что на этой поверхности химически сорбировалась частица М. При такой сорбции волновые функции решетки и частицы перекрываются настолько, что частицу можно рассматривать как примесь, локально нарушающую периодичность потенциала решетки и приводящую к возишсновению в запрещенной зоне поверхностного уровня.  [c.242]

Таким образом, у поверхности полупроводника существует область, электрические свойства которой оиределяю1Ся не объемными концентрациями примеси, а величиной поверхностного заряда. В этой области концентрация носителей может существенно отличаться от объемной концентрации. Наличие такой области оказывает существенное влияние на многие свойства полупроводника электропроводность, работу выхода, фото-э. д. с. и др., а также на параметры приборов.  [c.244]

Бурное развитие электроники п фотоэлектроники в последнее десятилетие значительно расширило диапазон средств измерительной техники в теории машин. В последние годы техника, связанная с экспериментальными исследованиями машин, развивается за счет новых свойств полупроводников и диэлектриков, обладающих чувствительностью, в десятки раз превышающей чувствительность обычных тензодатчиков, что упростило и облегчило решение многих задач экспериментального исследования машин. Наряду с полупроводниками в последние годы в измерительную технику вошли диэлектрики, датчики, основанные на эффекте Холла, электрокинема тические датчики и другие средства измерения, основанные на достижениях современной физики, химии и электроники.  [c.32]

Стекло алектропроводящее — обладает электрическими свойствами полупроводника, причем увеличение его электронной проводимости достигается повышением объемной или поверхностной электропроводности.  [c.469]

Электропроводящее стекло (полупроводниковое) — стекло, обладающее свойствами полупроводников благодаря включению в состав элементов или окислов, придающих стеклу электропроводность. Различают халь-когенидные стекла, в состав которых входят в различных сочетаниях сплавы сульфидов, селенядов и теллуридов, а также мышьяка, висмута и других элементов и оксидные ванадиевые стекла на основе окислов ванадия и фосфора с добавками других окислов. Они находят широкое применение в качестве термисторов, светофильтров и фотосопротивлений.  [c.274]

Характер распределения засветки на приведенных фотоснимках устойчиво воспроизводится при многократной записи на одних и тех же образцах при переполировке их поверхностей. Таким образом, наблюдаемые на фотографиях ИК пропускания неоднородности связаны с объемными свойствами вещества. Хорошо известно также, что электрические, фотоэлектрические и прочие свойства полупроводников связаны с макрооднородностью структуры последних. Таким образом, неоднородное распределение засветки на полученных фотоснимках уже само по себе свидетельствует о возможности осуществления контроля качества полупроводниковых материалов рассмотренным методом.  [c.184]

Ионизирующее излучение, воздействуя на окисную пленку, образующуюся на поверхности металла, может изменять ее электропроводность, защитные свойства и в соответствии с этим коррозионную стойкость металла. И. Л. Розенфельд и Е. К. Оше [1,29] показали, что ток пар цирконий — алюминий, цирконий — железо в движущемся растворе трехпроцентного хлористого натрия значительно возрастает при облучении катода (цирконий) потоком электронов большой энергии (0,8 Меё) с интенсивностью 15 мка/см . После начала облучения сила тока возрастала в 15—20 раз, а затем в течение всего опыта (1 час) оставалась постоянной. По окончании облучения величина тока уменьшалась почти до исходного значения. При облучении анода исследуемых гальванических пар сила тока не увеличивалась. Изменение электрохимической активности циркониевого электрода под действием облучения связано с изменением физических свойств окисной пленки на циркониевом катоде. Окисная пленка на катоде (2гОг) рассматривается как полупроводник. Электрические свойства полупроводников могут существенно изменяться под влиянием облучения, которое в большинстве случаев вызывает резкое увеличение электропроводности полупроводников. Величина тока исследуемых пар определяется скоростью катодной реакции восстановления кислорода. Если допустить, что скорость этой реакции лимитируется высоким сопротивлением пленки-полупроводника на катоде, облучение, уменьшая сопротивление пленки окиси циркония, должно ускорить катодную реакцию и привести к резкому увеличению тока коррозионной пары.  [c.37]

А. э, применяется для измерения интенсивности УЗ-излучения, частотных характеристик УЗ-нреобра-зователей, а также для исследования электрич. свойств полупроводников измерения подвижности носителей тока, контроля неоднородности электронных параметров, примесных состояний и др.  [c.52]

---

Главное по теме «Электрические свойства полупроводников. Полупроводниковые приборы» | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Физика полупроводников‎

Полупроводники по своему удельному сопротивлению или удель­ной электропроводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Тем не менее, четкой границы значений удельного сопротивления для проводников, полупро­водников и диэлектриков нет, поскольку сопротивление полу­проводников очень зависит от внешних условий.

---

Полупроводниковые вещества односторонней проводимости не имеют. Но много приборов, в которых создан запорный слой или p-n-переход, таким свойством обладают.

---

Сопротивление металлических проводников при нагревании уве­личивается, а сопротивление полупроводников уменьшается (хотя бы в определенном интервале температур).

---

Сопротивление полупроводников зависит от температуры, осве­щения, действия электрического поля, рентгеновского и радио­активного излучений, а также от наличия примесей.

---

В чистых полупроводниках имеет место так называемая соб­ственная проводимость, когда носителями заряда являются сво­бодные электроны и дырки (электроны связи), которые в по­лупроводнике имеют одинаковую концентрацию.

---

В полупроводниках с примесями создается примесная прово­димость двух типов: проводимость n-типа, когда основными сво­бодными носителями заряда являются свободные электроны, и проводимость p-типа, когда основными носителями заряда яв­ляются дырки (электроны связи). Материал с сайта http://worldofschool.ru

---

Электронно-дырочный переход (запорный слой, p-n-переход) имеет одностороннюю проводимость, его сопротивление зависит от температуры, освещения и т. п. При определенных условиях он может излучать свет, давать ток и др.

---

Создание в кристаллах полупроводников нескольких p-n-пере­ходов позволяет изготовлять транзисторы, интегральные схемы, что вызвало настоящую революцию в современной радиоэлектро­нике.

На этой странице материал по темам:

• Подтип транзистора

• Физика конденсированного состояния шпоры

23 Общие свойства и классификация полупроводников

1.     ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1.   Общие свойства и классификация полупроводников

Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре составляет 10^-6–10⁹ Ом×м, занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают совокупностью физических свойств, которые выделяют их среди других материалов.

В отличие от проводников электропроводность полупроводников увеличивается с ростом температуры (рис. 4.1). Для полупроводников характерна зависимость значения удельной проводимости от вида и количества содержащихся в них примесей. Например, при введении в чистый кремний 0,001 % фосфора его удельная проводимость увеличивается в 10⁵ раз.

Бесплатная лекция: «15.3. Системы социального этикета» также доступна.

Рис. 4.1. Зависимость удельной проводимости от температуры для металлов (а) и полупроводников (б)

Свойства полупроводниковых материалов сильно зависят от внешних факторов – электрического и магнитного полей, электромагнитного и ядерного излучений и др.

По химическому составу полупроводниковые материалы делят на простые вещества (атомные, элементарные полупроводники – германий, кремний, теллур и др.) и химические соединения различных типов. Если входящие в состав соединений вещества обозначить как А и В, то основные типы бинарных соединений представляют следующим образом: A^IIB^VI(Cu₂O, CuS и др. ), A^IIIB^V(GaAs, GaP, InP и др.), A^IVB^IV(SiC и др.). Полупроводниковые свойства присущи тройным соединениям CuAlS₂, CuSbS₂, CuFeS₂, ZnSiAs₂, PbBiSe₂ и твердым растворам GeSi, GaAs_1-xP_x, In_xAl_1-xSb  и др. К твердым органическим полупроводникам относятся фталоцианин, антрацен, нафталин и др. [2].

Основным типом химической связи между атомами в элементарных полупроводниках является ковалентная, в химических соединениях – смешанная ионно-ковалентная. Наиболее распространенными типами кристаллической структуры являются структура типа алмаза (ГЦК с базисом) для простых веществ; сфалерита и вюрцита – для химических соединений. По структуре полупроводниковые материалы могут быть монокристаллическими, поликристаллическими и неупорядоченными (стеклообразными).

Уникальные свойства полупроводниковых материалов обусловили широкое техническое применение их для изготовления самых различных приборов – полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, а также датчиков давлений, магнитных полей, температур, излучений и др. Использование полупроводников вызвало коренные преобразования в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Полупроводниковая электроника открыла новые пути микроминиатюризации различного электронного оборудования.

Semiconductor Property — обзор

2.14.2.1 Проектирование, синтез и рост кристаллов

Концептуально отличается от обычного способа настройки свойств полупроводников (т. Е. Уменьшения размера объемных частиц), применяемая здесь стратегия проектирования заключается в создании полупроводниковые наноструктуры внутри макроскопических кристаллов. При этом квантовое ограничение будет происходить внутри внутренней кристаллической структуры, а не путем изменения физического размера частиц. Это достигается путем включения нейтральных молекул амина в кристаллическую решетку II – VI, и результирующая структура будет представлять собой периодически упорядоченные массивы, состоящие из фрагментов II – VI субнанометрового размера, соединенных между собой или разделенных молекулами амина. Эти фрагменты II – VI субнанометрового размера (то есть бесконечные 2D-слои или одномерные цепочки толщиной <10 Å) могут фактически рассматриваться как строительные блоки (например, «ломтик» или «проволока»), вырезанные из исходного кристалла II-VI. решетки с очень небольшим изменением их структуры, состава, связи и заряда. Таким образом, ожидается, что полупроводниковые свойства неорганических соединений II – VI будут сохранены в полученных гибридных материалах, при этом неорганические компоненты II – VI будут служить источником свойств полупроводника, а органические молекулы - ограничивающими агентами и структурно-направляющими частицами.В качестве общей формулы используется [MQ (L) _x ] (M = Zn, Cd, Mn; Q = S, Se, Te; L = молекулы амина; x = 0,5, 1, 2). для обозначения семейства неорганических-органических гибридных полупроводников на основе II – VI.

Первая попытка создания неорганико-органических гибридных материалов на основе элементов II / VI была предпринята Рао и др. в 1998. ²¹¹ В своей работе наноразмерные халькогениды кадмия были синтезированы в растворах с использованием длинноцепочечных аминов в качестве амфифилов.Однако кристаллические структуры этих композиционных материалов не могли быть определены, и только составы были идентифицированы методами энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, термогравиметрического анализа (ТГА) и просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ).

В 2000 году нами были успешно синтезированы первые три неорганических-органических гибридных полупроводника на основе ZnTe в монокристаллической форме. ¹⁹⁹ Формулы этих трех соединений: 3D-α- [ZnTe (en) _0,5 ], 3D-β- [ZnTe (en) _0.5 ] и 3D-α- [ZnTe (pda) _0,5 ], и их кристаллические структуры были полностью решены. С тех пор мы синтезировали и структурно охарактеризовали большое количество членов этого уникального семейства.

Как один из наиболее эффективных методов выращивания кристаллов, сольвотермальный (или гидротермальный) синтез нашел чрезвычайно широкое применение как в синтетической химии, так и в промышленной инженерии (см. Главу 4.01). ^212–227 При использовании этого метода большое количество твердых веществ, таких как халькогениды металлов, ^{217, 227–230} нитриды металлов, ^{227, 231–234} фосфиды металлов, ^235–243 и метастабильные фазы К настоящему времени произведено ^{234, 244–250} .Полезность сольвотермальных (или гидротермальных) реакций в различных областях описана в ряде обзоров. ^{212, 216, 220, 240, 244, 245, 251–257} В сольвотермических условиях реакция протекает в закрытой системе при повышенных температуре и давлении (часто в окрестности его критической точки). Свойства растворителя, такие как растворимость, вязкость, плотность и полярность, будут сильно отличаться от того, как они действуют в условиях окружающей среды. ^{220, 258} Эти изменения могут повысить растворимость и химическую активность реагентов и, следовательно, позволить реакциям протекать в гораздо более мягких условиях.

Было доказано, что сольвотермический синтез является наиболее эффективным подходом для получения и выращивания кристаллов гибридных материалов II – VI. Большинство реакций проводят в запечатанных бомбах для переваривания кислоты или пробирках из пирекса различного объема. В большинстве случаев в качестве источника M ^{2 +} и Q ^{2 —} используются соли металлов и элементарные халькогены.В некоторых случаях также используются порошки элементарных металлов и соединения халькогенидов щелочных металлов (A ₂ Q, A = Li, Na, K; Q = S, Se, Te). Различие в источниках металла и халькогена оказывает существенное влияние на чистоту, кристалличность и морфологию гибридных продуктов, а в некоторых случаях они могут влиять на тип структуры материала. Типичным примером является рост кристаллов 3D-α- [ZnTe (en) _0,5 ] и 3D-β- [ZnTe (en) _0,5 ]; с использованием различных солей цинка (т.е., ZnCl ₂ и Zn (NO ₃ ) ₂ ⋅ 6H ₂ O), два типа трехмерных структур на основе ZnTe (т. е. α- и β-фазы) могут быть селективно синтезированы при одной и той же сольвотермической условия.

Молекулы органических аминов с низкой температурой плавления используются в качестве растворителей при синтезе гибридов II – VI. К ним относятся алкилмоноамины (с числом атомов углерода от 1 до 6), алкилдиамины (с числом атомов углерода от 0 до 9) и несколько циклических аминов (например, циклогексиламин, ^{259, 260} m -ксилилендиамин, ²⁶¹ и пиперазин ²⁶² ).Физические свойства выбранных молекул амина обобщены в Таблице 2 . Все органические амины обладают двойной функциональностью при синтезе этих гибридных соединений. Они служат не только как растворители, но и как реагенты (спейсеры). Поэтому их называют «реактивными» растворителями. В некоторых случаях смешанные растворители также используются для облегчения образования целевых гибридов II – VI. Например, 3D- [CdTe (en) _0,5 ] был получен в смеси растворителей ена и гидразина; 3D-α- [ZnTe (N ₂ H ₄ ) _{0. 5} ] в растворителе, содержащем гидразин и ма.

Таблица 2. Физические свойства выбранных молекул амина ²⁶³

1,0 1503 74138 9013

Молекула амина	Формула	FW (г моль — 1 )	Плотность (г · см — 3 )	mp ( ° C)	т.кип. (° C)	Сокр.
Гидразин безводный	H 2 NNH 2	32,05	1.021	1,4	113,5	N 2 H 4
Моногидрат гидразина	H 2 NNH 2 ⋅ H 233	120–121	N 2 H 4 ⋅ H 2 O
Метиламин (40% водн.)	CH 3 NH 2	31.06 4 38	48	ma
Этиламин (70% водн. )	CH 3 CH 2 NH 2	45.08	0.803	— 81	38	ea
n 9000 CH7-	9000 CH900034 9 Пропиламин ) 2 NH 2	59,11	0,719	— 83	48–49	pa
n -бутиламин	CH 3 000 NH 2	73.14	0,738	— 50	76–78	ba
Амиламин	CH 3 (CH 2 ) 4 NH 2	87,17	104	а.	га
Октиламин	CH 3 (CH 2 ) 7 NH 2	129.25	0,780	— 1	178–179	oa
Дециламин	CH 3 (CH 2 ) 9 NH 2	216–218	da
Додециламин	CH 3 (CH 2 ) 11 NH 2	185,36 ​​	0,8013	dda
Цетиламин	CH 3 (CH 2 ) 15 NH 2	241. 46	0,813	42–44	330	cta
Стеариламин	CH 3 (CH 2 ) 17 NH 2			269	349	sa
Циклогексиламин	(CH 2 ) 5 CHNH 2	99,18	0,868	— 18							H 2 N (CH 2 ) 2 NH 2	60.10	0,899	8–11	117–118	en
1,3-пропандиамин	H 2 N (CH 2 ) 9000.135 3 NH
0,888	— 12	140	pda
1,4-бутандиамин	H 2 N (CH 2 ) 4 NH 2	9013 9013 9013 –28	158–160	bda
1,5-пентандиамин	H 2 N (CH 2 ) 5 NH 2	102. 18	0,873	9	178-180	ptda
1,6-гександиамин	H 2 N (CH 2 ) 6 NH34 904 904 908 116	39–43	204–205	hda
1,7-гептандиамин	H 2 N (CH 2 ) 7 NH 2		130 27–29	223–225	hpda
1,8-октандиамин	H 2 N (CH 2 ) 8 NH 2	144.26	0,858	50–54	225–226	окта
m- Ксилилендиамин	C 6 H 4 (CH 3 NH 3	136,19	1,03	14	274	mxda
Диэтилентриамин	(NH 2 CH 2 CH 2 )34 9052 9052	200–204	dien

В некоторых случаях желаемые гибридные материалы в чистой фазе могут быть получены только в определенном диапазоне температур. Например, гибриды 3D- [ZnTe (L) _0,5 ] могут быть получены при относительно высоких температурах (190–200 ° C), а 3D- [ZnSe (L) _0,5 ] — при 100–200 ° C. Кроме того, регулируя температуру реакции, можно селективно синтезировать 2D- [MQ (L)] и 2D- [M ₂ Q ₂ (L)]. Другая заметная тенденция состоит в том, что требуются более высокие температуры, поскольку элемент халькогена изменяется с S, Se на Te. Эти результаты показывают, что температура реакции играет решающую роль в образовании конечных продуктов.

При соответствующем контроле сольвотермических условий можно успешно синтезировать однофазные гибриды II – VI, а их кристаллические структуры можно систематически настраивать (например, от 1D, 2D к 3D структурам). Типичные условия сольвотермической реакции для гибридов II – VI приведены в Таблице 3 , которая показывает, что гибридные структуры большинства бинарных соединений II – VI (например, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe и MnSe) имеют был получен. Среди них гибриды на основе ZnTe и MnSe могут быть выращены в монокристаллы с достаточно большими размерами; кроме того, монокристаллы [CdSe (en) _0.5 ]. Все остальные гибридные соединения генерируются в виде порошка, и гибридные фазы на основе Cd демонстрируют более низкую кристалличность, чем фазы на основе Zn.

Таблица 3. Сольвотермический синтез гибридных полупроводников II – VI типов

1D- [ZnTe (pda)] 2D — [ZnSe (ma)]4 — [Zn ₂ S ₂ (pa)] Cd 901 10

Соединение	Исходные материалы a	Растворители	Температура (° C)	Время (сутки)
ZnCl 2 + Te (2: 1)	pda + N 2 H 4	70	10
2D- [ZnSe (N 2 H 4 )]	Zn + Se (1: 1)	N 2 H 4	110	1
2D- [ZnTe (N 2 H 2 H 2 H )]	Zn (НЕТ 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O + Te (1: 1)	N 2 H 4	110	2
2
[ZnS (ma)]	ZnCl 2 + S (2: 1)	ma	65	7
2D- [ ZnS (pa)]	ZnCl 2 + S (3: 1)	pa	60	3
2D- [ZnS (ba)]	ZnCl 2 + S (2: 1)	ba	65	7
2D- [ZnS (га)]	ZnCl 2 + S (2: 1)	ma	65	7
ZnCl 2 + Se (2: 1)	ma	130	7
2D- [ZnSe (ea)]	ZnCl 2 + Se ( 2: 1)	ea	120	8
2D- [ZnSe (pa)]	ZnCl 2 + Se (2: 1)	pa	150	2
2D- [ZnSe (ba)]	ZnCl 2 + Se (2: 1)	ba	140	7
2D- [ZnSe (га)]	Zn (ClO 4 ) 2 ⋅ 6H 2 O + Se (2: 1)	га	140	3
2D- [ZnTe (ma)]	ZnCl 2 + Te (2: 1)	ma	160	7
2D- [Zn 2 S 2 (шт. )]	ZnCl 2 + CS 2 (2: 1)	ea	60	5
Zn (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O + S (2: 1)	pa	110	5
2D- [Zn 2 S 2 (ba)]	ZnCl 2 + S (2: 1)	ba	120	6
2D- [Zn 2 S 2 (га)]	ZnCl 2 + S (2: 1)	га	120	2
2D- [Zn 2 Se 2 (ea)]	Zn (№ 3 ) 900 05 2 ⋅ 6H 2 O + Se (4: 1)	ea	150	6
2D- [Zn 2 Se 2 (pa)]	Zn (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O + Se (2: 1)	pa	140	5
2D- [Zn 2 Se 2 (ba)]	ZnF 2 + Se (2: 1)	ba	150	7
2D- [Zn 2 Se 2 (aa)]	ZnCl 2 + Se (2: 1 )	aa	120	7
2D- [Zn 2 Se 2 (га)]	ZnCl 2 + Se (2: 1)	га	140 5
2D- [Cd 2 S 2 (pa)]	CdCl 2 + S (2: 1)	pa	80	3
2D- [ 2 ю 2 900 08 (ba)]	CdCl 2 + S (2: 1)	ba	80	4
2D- [Cd 2 S 2 (га)]	CdCl 9000 2 + S (2: 1)	га	50	3
2D- [Cd 2 Se 2 (pa)]	Cd (NO 3 ) 2 . 4H 2 O + Se (2: 1)	pa	110	5
2D- [Cd 2 Se 2 (ba)]	Cd (NO 3 ) 2 .4H 2 O + Se (1: 1)	ba	110	5
2D- [Cd 2 Se 2 (га)]	Cd (NO 3 ) 2 .4H 2 O + Se (2: 1)	га	120	6
3D-α- [ZnS (en) 1/2 ]	ZnCl 2 + S (2: 1)	en	180	6
3D- [ZnS (pda) 1/2 ]	ZnCl 2 + S (2: 1)	pda	140	5
3D- [ZnS (bda) 1/2 ]	ZnCO 3 + S (1.5: 1)	bda	120	7
3D- [ZnS (ptda) 1/2 ]	ZnCl 2 + S (2: 1)	ptda		4
3D- [ZnS (hda) 1/2 ]	ZnSO 4 ⋅ 7H 2 O + S (1: 1)	hda	150	9	3D- [ZnS (hpda) 1/2 ]	ZnCl 2 + S (2: 1)	hpda	120	7
3D- [ZnS (otda) 1 / 2 ]	ZnCl 2 + S (2: 1)	otda	100	7
3D- [ZnS (dien) 1/2 ]	ZnCl 9000 S5 2 9000 S (2: 1)	dien	120	2
3D-α- [ZnSe (en) 1/2 ]	ZnCl 2 + Se (2: 1)	en	140	8
3D-α- [ZnSe (pda) 1/2 ]	ZnCl 2 + Se (2: 1)	pda	140	8
3D-α- [ZnSe ( bda) 1/2 ]	ZnCO 3 + Se (1: 1)	bda	160	10
3D-α- [ZnSe (ptda) 1/2 ]	ZnCl 2 + Se (2: 1)	ptda	140	7
3D-α- [ZnSe (hda) 1/2 ]	ZnSO 4 2 ⋅ 7H O + Se (1: 1)	hda	150	9
3D-α- [ZnSe (hpda) 1/2 ]	ZnCl 2 + Se (2: 1)	hpda	140	7
3D-α- [ZnSe (dien) 1/2 ]	ZnCl 2 + Se (2: 1)	dien	135 6	135 6
3D-α- [ZnTe (N 2 H 4 90 008) 1/2 ]	ZnO + Te (1: 1)	N 2 H 4 + ma	180	8
3D-α- [ZnTe (en) 1/2 ]	ZnCl 2 + Te (2: 1)	en	200	3
3D-β- [ZnTe (en) 1/2 ]	Zn ( NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O + Te (2: 1)	en	200	3
3D-α- [ZnTe (pda) 1/2 ]	Zn (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O + Te (2: 1)	pda	200	3
3D-α- [ZnTe (bda) 1/2 ]	ZnF 2 + Te (2: 1)	bda	200	4
3D-α- [ZnTe (ptda) 1/2 ]	Zn (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O + Te (2: 1)	ptda	210 90 134	7
3D-α- [ZnTe (hda) 1/2 ]	ZnF 2 + Te (2: 1)	hda	200	7
3D δ- [ZnTe (hda) 1/2 ]	ZnF 2 + Te (2: 1)	hda	200	4
3D- [CdS (en) 1/2 ]	CdCl 2 + S (1. 5: 1)	en	50	3
3D- [CdS (bda) 1/2 ]	CdCl 2 + S (1: 1)	bda	70	7
3D- [CdS (ptda) 1/2 ]	CdCl 2 + S (2: 1)	ptda	60	7
(3D- [ hda) 1/2 ]	CdCl 2 + S (1: 1)	ptda	60	7
3D- [CdSe (en) 1/2 ]	CdCl 2 + Se (2: 1)	en	130	8
3D- [CdSe (pda) 1/2 ]	CdCl 2 + Se (2: 1)	кпк	130	8
3D- [CdSe (bda) 1/2 ]	CdCl 2 + Se (2: 1)	bda	120	7		3D- [CdSe (ptda) 90 005 1/2 ]	CdCl 2 + Se (4: 1)	ptda	120	7
3D- [CdTe (en) 1/2 ]	Cd (NO 3 ) 2 ⋅ 4H 2 O + Te (2: 1)	N 2 H 4 + en	70	7
3D- [CdTe (pda) 1/2 ]	Cd (NO 3 ) 2 ⋅ 4H 2 O + Te (2: 1)	N 2 H 4 + pda	80	7
3D- [MnSe (en) 1/2 ]	MnCl 2 + Se (2: 1)	en	160	7
3D- [MnSe (pda) 1 / 2 ]	MnCl 2 + Se (1: 1)	pda	125	12
3D- [MnSe (bda) 1/2 ]	(CH 3 CO 2 ) 2 Mn⋅4H 2 O + Se (1: 1)	bda	160	10

Помимо подавляющего большинства синтезированных нами и структурно охарактеризованных нами гибридных соединений II – VI, недавно было сообщено о нескольких 1D и 3D структурах другие выбирают аналогичные пути синтеза. К ним относятся 3D-α- [ZnS (en) _0,5 ], ^{229, 264} 3D- [CdSe (en) _0,5 ], ²⁶⁵ 3D- [CdSe (hda) _0,5 ], ²⁶⁶ 1D-α (β) — [ZnTe (N ₂ H ₄ ) ₂ ], ²⁶⁷ и 3D-α- [ZnSe (mxda) _0,5 ]. ²⁶¹ Ряд гибридных соединений II – VI, таких как 1D-α- [ZnTe (N ₂ H ₄ ) ₂ ], 1D- [ZnSe (pda)] и 3D- [CdS ( pda) _0,5 ], также можно получить реакциями в растворе в условиях окружающей среды.Эти гибриды, а также условия синтеза суммированы в Таблице 4 . Из этой таблицы мы видим, что во всех реакциях в растворе участвует гидразин, который действует как растворитель и структурирующий агент. Некоторые гибридные соединения (например, 3D- [CdSe (pda) _0,5 ]) могут быть получены как сольвотермическим методом, так и методом выращивания из раствора. Другой тип реакции для получения гибридных фаз — обмен органических компонентов. Хорошим примером является сольвотермическая реакция 2D- [ZnSe (pa)] с ba, которая дает 2D- [ZnSe (ba)] в чистой поликристаллической форме.

Таблица 4. Синтез гибридных полупроводников II – VI на основе растворов

133 3n (NO )

₂ ⋅ 6H ₂ O + Se — [ZnSe (га)]

Соединение	Исходные материалы	Растворители
1D- [ZnSe (pda)]	N 2 H 4 + pda
2D- [ZnSe (ma)]	ZnCl 2 + Se	N 9000 H 4 .H 2 O + ma
2D- [ZnSe (ea)]	Zn (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O + Se	N 2 H 4 + ea
2D- [ZnSe (pa)]	ZnCl 2 + Se	N 2 H 4 .H 2 O + pa
2D- [ZnSe (ba)]	ZnCl 2 + Se	N 2 H 4 . H 2 O + ba
ZnCl 2 + Se	N 2 H 4 .H 2 O + ha
3D- [ZnS (pda) 1/2 ]	Zn (NO 3 ) 2 ⋅ 6H 2 O + Se	N 2 H 4 + pda
3D- [ZnSe (pda) 1/2 ]	ZnCl 2 + Se	N 2 H 4 + pda
3D- [CdS (en) 1/2 ]	CdCl 2 + Se	N 9000 H 4 + en
3D- [CdS (pda) 1/2 ]	Cd + S	N 2 H 4 + pda
3D- [CdSe (pda ) 1/2 ]	CdCl 2 + Se	N 2 H 4 + pda

Германий как полупроводник — Свойства и характеристики

Детектор HPGe с криостатом LN2 Источник: canberra. com

В целом, полупроводники представляют собой неорганические или органические материалы, которые обладают способностью контролировать свою проводимость в зависимости от химической структуры, температуры, освещения и присутствия примесей. Название полупроводник происходит от того факта, что эти материалы имеют электрическую проводимость между проводимостью металла, такого как медь, золото и т. Д., И изолятора, такого как стекло. У них ширина запрещенной зоны меньше 4 эВ (около 1 эВ). В физике твердого тела эта запрещенная зона представляет собой энергетический диапазон между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены.В отличие от проводников, электроны в полупроводнике должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.

Германий как полупроводник

12 граммов поликристаллического германия. Источник: wikipedia.org Лицензия: CC BY 3.0

Германий — химический элемент с атомным номером 32 , что означает, что в атомной структуре 32 протона и 32 электрона.Химический символ для германия — Ge . Германий — блестящий, твердый, серовато-белый металлоид в группе углерода, химически похожий на его соседей по группе олова и кремния. Чистый германий — это полупроводник, внешне похожий на элементарный кремний. Германий широко используется для гамма-спектроскопии . В гамма-спектроскопии предпочтение отдается германию из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и это увеличивает вероятность взаимодействия гамма-лучей.Германий больше используется для обнаружения излучения, чем кремний, потому что средняя энергия, необходимая для создания пары электрон-дырка, составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия, что обеспечивает лучшее разрешение по энергии. С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E _gap = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах.

Полупроводниковые детекторы на основе германия

Рисунок: Подпись: Сравнение спектров NaI (Tl) и HPGe для кобальта-60.Источник: Радиоизотопы и радиационная методология I, II. Су Хён Бён, конспект лекций. Университет Макмастера, Канада.

Полупроводниковые детекторы на основе германия чаще всего используются там, где требуется очень хорошее энергетическое разрешение , особенно для гамма-спектроскопии , а также рентгеновской спектроскопии. В гамма-спектроскопии предпочтение отдается германию из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и это увеличивает вероятность взаимодействия гамма-лучей.Кроме того, германий имеет более низкую среднюю энергию, необходимую для создания пары электрон-дырка, которая составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия. Это также обеспечивает лучшую разрешающую способность по энергии. Большой, чистый и почти идеальный германиевый полупроводник идеально подходит в качестве счетчика радиоактивности. Однако получить большие кристаллы с достаточной чистотой сложно и дорого. В то время как кремниевые детекторы не могут быть толще нескольких миллиметров, германий может иметь обедненную чувствительную толщину сантиметров и, следовательно, может использоваться в качестве детектора полного поглощения для гамма-лучей до нескольких МэВ.

С другой стороны, для достижения максимальной эффективности детекторы должны работать при очень низких температурах жидкого азота (-196 ° C), потому что при комнатных температурах шум, вызванный тепловым возбуждением, очень высок.

Поскольку германиевые детекторы обеспечивают наивысшее разрешение, доступное сегодня, они используются для измерения радиации в различных областях, включая мониторинг персонала и окружающей среды на предмет радиоактивного загрязнения, медицинские приложения, радиометрический анализ, ядерную безопасность и безопасность атомных станций.

Проводимость в полупроводниках | PVEducation

Обзор

1. Полупроводники действуют как изоляторы при низких температурах и проводники при более высоких температурах.
2. Проводимость возникает при более высокой температуре, потому что электроны, окружающие атомы полупроводника, могут разорвать свою ковалентную связь и свободно перемещаться по решетке
3. Проводящие свойства полупроводников составляют основу для понимания того, как мы можем использовать эти материалы в электрических устройствах.

Связанная структура полупроводника определяет свойства материала полупроводника. Одним из ключевых эффектов являются уровни энергии, которые могут занимать электроны, и то, как они перемещаются по кристаллической решетке. Электроны в ковалентной связи, образованной между каждым из атомов в структуре решетки, удерживаются этой связью и, следовательно, локализованы в области, окружающей атом. Эти связанные электроны не могут перемещаться или изменять энергию и, следовательно, не считаются «свободными» и не могут участвовать в протекании тока, поглощении или других физических процессах, представляющих интерес в солнечных элементах. Однако только при абсолютном нуле все электроны в этой «застрявшей» связанной структуре. При повышенных температурах, особенно при температурах, при которых работают солнечные элементы, электроны могут получить достаточно энергии, чтобы вырваться из своих связей. Когда это происходит, электроны могут свободно перемещаться по кристаллической решетке и участвовать в проводимости. При комнатной температуре в полупроводнике достаточно свободных электронов, чтобы проводить ток. При абсолютном нуле или близком к нему полупроводник ведет себя как изолятор.

Когда электрон набирает достаточно энергии для участия в проводимости («свободный»), он находится в состоянии высокой энергии. Когда электрон связан и, следовательно, не может участвовать в проводимости, электрон находится в низкоэнергетическом состоянии. Следовательно, наличие связи между двумя атомами вводит два различных энергетических состояния для электронов. Электрон не может достичь значений энергии, промежуточных между этими двумя уровнями; он либо находится в низкоэнергетическом положении в связи, либо набрал достаточно энергии, чтобы вырваться на свободу, и поэтому имеет определенную минимальную энергию.Эта минимальная энергия называется «запрещенной зоной» полупроводника. Количество и энергия этих свободных электронов, тех электронов, которые участвуют в проводимости, являются основой работы электронных устройств.

Пространство, оставленное электронами, позволяет ковалентной связи перемещаться от одного электрона к другому, таким образом, кажется, что положительный заряд движется через кристаллическую решетку. Это пустое пространство обычно называют «дырой», оно похоже на электрон, но с положительным зарядом.

Анимация, показывающая образование «свободных» электронов и дырок, когда электрон может покинуть свою связь.

Наиболее важные параметры полупроводникового материала для работы солнечных элементов:

• запрещенная зона;
• количество свободных носителей (электронов или дырок), доступных для проводимости; и
• «генерация» и рекомбинация свободных носителей (электронов или дырок) в ответ на свет, падающий на материал.

Более подробная информация об этих свойствах представлена ​​на следующих страницах.

Свойства РФ полупроводников — RF Cafe

Полупроводник — это материал, который имеет электрическую проводимость между проводником и изолятором.Проводимость полупроводниковый материал можно изменять под действием внешнего электрического поля. Устройства из полупроводниковых материалов являются основой современной электроники, включая радио, компьютеры, телефоны и многие другие устройства. Полупроводниковые приборы включают в себя транзистор, многие виды диодов, включая светоизлучающий диод, кремний. управляемый выпрямитель, а также цифровые и аналоговые интегральные схемы. Солнечные фотоэлектрические панели большие полупроводниковые устройства, которые напрямую преобразуют световую энергию в электрическую.

В металлическом проводнике ток переносится потоком электронов. В полупроводниках ток может переноситься либо потоком электронов, либо потоком положительно заряженных «дырок» в электронной структуре материал. Кремний используется для коммерческого создания большинства полупроводников. Используются десятки других материалов, включая германий, арсенид галлия и карбид кремния. Чистый полупроводник часто называют «внутренним». полупроводник.Электропроводность или проводимость полупроводникового материала может быть резко изменена с помощью добавление других элементов, называемых «примесями», к расплавленному внутреннему материалу с последующим затвердеванием расплава в новый и другой кристалл. Этот процесс называется «допинг». — Википедия

Si	1,1	1.5e10	11,8	1350	0.3	1,0	1,5	I
Ge	0,66	2.4e13	16,0	3900	0,1	0,5	0,6	I
GaAs	1,4	1.8e6	12,8	8500	0,4	2,0	0,5	D
GaP	2,3	7.7e-1	11,1	350	1,3	1,4	0,8	I
InP	1.86	~ 1e3	9,6	3000	1,0	2,5	–	D
GaN	3,39	1.9e-10	9,0	900	3,3	2,5	1.3	D
3C-SiC	2,2	6,9	9,6	900	1,2	2,0	4,5	I
4H-SiC	3,26	8.2e-9	10	720 а 650 в	2.0	2,0	4,5	I
6H-SiC	3,0	2.3e-6	9,7	370 а 50 в	2,4	2,0	4,5	I
Алмаз	5.45	1,6e-27	5,5	1900	5,6	2,7	20	I
БН	6,0	1.5e-31	7,1	5	10	1,0 *	13	I
AlN	6.1	~ 1e-31	8,7	1100	11,7	1,8	2,5	D

Si = Кремний Ge = Германий GaAs = Арсенид галлия GaP = Фосфид галлия InP = фосфид индия GaN = нитрид галлия 3C-SiC = цинковая обманка (кубический) карбид кремния T 2 d -F43m 4H-SiC = вюрцит (гексагональный) карбид кремния C 4 6v -P6 3 mc 6H-SiC = Вюрцит (шестиугольный) карбид кремния C 5 3v -R3m BN = нитрид бора AlN = алюминий Нитрид

a = подвижность по оси a c = подвижность по оси c * = оценка Источник данных = Proceedings of IEEE , Vol.90, No. 6, июнь 2002 г. Свойства SiC

Электронные свойства полупроводниковых интерфейсов

‘) var buybox = document.querySelector («[data-id = id _» + timestamp + «]»). parentNode var cartStepActive = document.cookie.indexOf («ecommerce-feature — buybox-cart-step»)! == -1 ; [].slice.call (buybox.querySelectorAll («. покупка-опция»)). forEach (initCollapsibles) функция initCollapsibles (подписка, индекс) { var toggle = subscription.querySelector («. цена-опции-покупки») subscription.classList.remove («расширенный») var form = subscription.querySelector («. форма-варианта-покупки») if (form && cartStepActive) { var formAction = form.getAttribute («действие») form.setAttribute ( «действие», formAction.replace («/ оформление заказа», «/ корзина») ) } var priceInfo = subscription.querySelector («. price-info») var buyOption = toggle.parentElement if (переключить && форму && priceInfo) { переключать.setAttribute («роль», «кнопка») toggle.setAttribute («tabindex», «0») toggle.addEventListener («клик», функция (событие) { var extended = toggle.getAttribute («aria-extended») === «true» || ложный toggle.setAttribute («расширенный ария»,! расширенный) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупка вариант.classList.add («расширенный») } еще { buyOption.classList.remove («расширенный») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } function initKeyControls () { document.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { если (document.activeElement.classList.contains («покупка-опция-цена») && (event.code === «Space» || event.code === «Enter»)) { if (document.activeElement) { event.preventDefault () document.activeElement.click () } } }, ложный) } function initialStateOpen () { var buyboxWidth = buybox.offsetWidth ; []. slice.call (buybox.querySelectorAll («. покупка-опция»)). forEach (function (option, index) { var toggle = option.querySelector («. покупка-вариант-цена») var form = option.querySelector («. Purchase-option-form») var priceInfo = option.querySelector («. цена-информация») if (buyboxWidth> 480) { toggle.click () } еще { if (index === 0) { переключать.нажмите () } еще { toggle.setAttribute («расширенная ария», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрыто» } } }) } initialStateOpen () если (window.buyboxInitialised) вернуть window.buyboxInitialised = true initKeyControls () }) ()

Полупроводниковые материалы — IEEE IRDS ™

Полупроводниковые материалы варьируются по цене и доступности от кремния в большом количестве до дорогих редкоземельных элементов (РЗЭ).Солнечные элементы, полевые транзисторы, датчики Интернета вещей и схемы беспилотных автомобилей требуют для работы полупроводниковых материалов. Современный мир буквально обязан своим существованием полупроводникам и материалам, используемым при их производстве.

По мере того, как существующие полупроводниковые материалы достигают своих физических ограничений, новые материалы готовы занять их место. Рынок этих материалов в сочетании с новыми полупроводниковыми приложениями меняет производство и закупку материалов во всей отрасли.

Виды полупроводниковых материалов

Чтобы понять меняющийся характер производства полупроводников, необходимо понять существующие полупроводниковые материалы и то, как их состав влияет на электронные устройства. Новости отрасли содержат последние сведения о ценах на материалы и исследованиях, но, как правило, предполагают осведомленность о текущих свойствах и ограничениях материалов.

Какие полупроводниковые материалы используются чаще всего?

Наиболее часто используемые полупроводниковые материалы — это кремний, германий и арсенид галлия.Из этих трех германий был одним из первых используемых полупроводниковых материалов. Германий имеет четыре валентных электрона, которые представляют собой электроны, расположенные на внешней оболочке атома.

Количество валентных электронов в полупроводниковом материале определяет его проводимость. Хотя германий стал важным шагом в эволюции полупроводниковых материалов, он в значительной степени вышел из употребления в пользу нынешнего короля полупроводниковых материалов — кремния.

Кремний широко используется в качестве полупроводникового материала с 1950-х годов.Самый распространенный элемент на Земле после углерода, кремний имеет четыре валентных электрона и плавится при более высокой температуре, чем германий (1414 градусов по Цельсию по сравнению с германием 938,3 градуса по Цельсию).

Кремний в большом количестве присутствует в кварците. Процессы экстракции, очистки и кристаллизации кремния эффективны и экономичны. Элемент кристаллизуется в форме алмаза для относительно прочной связи, придавая кристаллам кремния сильные механические свойства.

Арсенид галлия — второй наиболее распространенный полупроводник, используемый сегодня.В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и образуется путем объединения галлия с его тремя валентными электронами и мышьяком, который имеет пять валентных электронов.

Восемь валентных электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает соединение хорошо подходящим для усиления высокочастотных сигналов, видимых на телевизионных спутниках. Однако у арсенида галлия есть некоторые ограничения: это соединение труднее производить в массовом порядке, чем кремний, а химические вещества, используемые при производстве арсенида галлия, довольно токсичны.

Какие полупроводниковые материалы самые эффективные?

В дополнение к арсениду галлия состав диоксида кремния имеет характеристики, превосходящие кремний, что позволяет использовать его в качестве изолятора, пассивирующего слоя и строительного слоя в металлооксидных кремниевых (MOS) устройствах, тип поля с изолированным затвором. -эффект транзистор. Диоксид кремния имеет высокую диэлектрическую прочность и более широкую запрещенную зону, чем кремний, что делает его эффективным изолятором, а соединение легко осаждается на других материалах.

Какие из последних инноваций в полупроводниковых материалах?

Хотя кремний был самым важным материалом в производстве полупроводников на протяжении большей части конца двадцатого и начала двадцать первого веков, его полезность приближается к пределу. Спрос на все более компактные и быстрые интегральные схемы повысили эффективность материала до предела, и отраслевые эксперты опасаются, что кремний скоро достигнет пределов закона Мура. Исследования новых материалов продолжаются, и некоторые материалы имеют большие перспективы на будущее:

• Нитрид галлия высокой мощности может быть использован для более эффективного и быстрого преобразования энергии в электрических сетях из-за его высокого критического энергетического поля.
• Полупроводники на основе антимонида и висмута находят применение в улучшенных инфракрасных датчиках для медицинского и военного секторов.
• Графен обладает потенциалом превзойти кремний как универсальный полупроводниковый материал, но широкое коммерческое использование может произойти через двадцать пять лет.
• Пирит может использоваться для замены теллурида кадмия из редкоземельного элемента, который широко используется в солнечных элементах, но имеет ограниченное количество. Пирит является обильным, недорогим и нетоксичным.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Свойства полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы обладают определенными характеристиками, связанными с электропроводностью. Будущее полупроводников зависит от того, смогут ли новые материалы с такими характеристиками производиться массово по цене, аналогичной стоимости кремния.

Каковы отличительные характеристики полупроводниковых материалов?

Материалы, обеспечивающие электрическую проводимость, естественно, называются проводниками.Примеры включают золото, серебро и медь. С другой стороны, изоляторы обладают высоким сопротивлением и препятствуют электропроводности. Резина, стекло и керамика — изоляторы.

Полупроводники, как следует из названия, обладают характеристиками как проводников, так и изоляторов. Полупроводники обычно имеют кристаллическую форму и имеют небольшое количество свободных электронов, необходимых для обеспечения проводимости. Вместо этого их атомы группируются вместе, образуя кристаллическую решетку, через которую возможна электрическая проводимость, но только при правильных условиях.

При низких температурах полупроводники обладают низкой проводимостью или вообще не имеют проводимости и действуют как изоляторы. Однако при комнатной температуре или под воздействием света, напряжения или тепла они могут проводить электричество. Именно это квазисостояние между проводниками и изоляторами делает полупроводники настолько важными для электронных устройств, поскольку они определяют, как, когда и где течет электричество.

Как работают полупроводники?

Металлы проводят электричество, потому что их свободные электроны могут свободно перемещаться между атомами, поскольку электричество требует потока электронов от одного атома к другому.Полупроводники, такие как чистый кремний, имеют мало свободных электронов и действуют больше как изоляторы.

Поведение кремния можно изменить в сторону проводимости с помощью процесса, называемого легированием. Легирование приводит к смешиванию крошечных примесей с полупроводниковыми материалами. Примеси добавляют к основному материалу «донорные атомы», способствуя проводимости. Количество примесей, добавленных к полупроводниковым материалам, ничтожно — всего один донорный атом на десять миллионов атомов полупроводника, — но достаточно, чтобы обеспечить электрическую проводимость.

Используются две категории примесей, N-тип и P-тип:

• Полупроводники N-типа содержат фосфор или мышьяк. Оба вещества имеют по пять валентных электронов. При добавлении к решетке кремния одному из легирующих электронов не с чем связываться, поэтому он может пропускать электрический ток. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому эти полупроводники называют полупроводниками N-типа.
• Полупроводники P-типа «легированы» бором или галлием. Два легирующих элемента имеют только три валентных электрона.Когда они смешиваются с решеткой кремния, нескольким электронам кремния не с чем связываться, обеспечивая электрическую проводимость. Отсутствие электрона создает положительный заряд, поэтому кремний, легированный бором или галлием, называется полупроводником P-типа.

Как производятся полупроводниковые материалы?

При производстве интегральных схем компоненты схемы, такие как транзисторы и проводка, осаждаются на поверхности тонкой кремниевой кристаллической пластины.Затем тонкая пленка компонента покрывается фотостойким веществом, на которое с помощью технологии фотолитографии проецируется рисунок схемы.

В результате получается один слой схемы с транзисторами на самом нижнем уровне. Затем процесс повторяется со многими схемами, сформированными друг над другом и на полупроводниковой основе.

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Применение полупроводниковых материалов

Производство полупроводников обеспечивает базовое оборудование почти для всех электронных устройств.Он используется для усиления энергии, переключения, преобразования энергии, датчиков и многого другого.

Какие изделия обычно изготавливают из полупроводниковых материалов?

Общие продукты и компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов, включают следующее:

• транзисторы биполярные
• диодов
• полевые транзисторы
• микросхемы
• переходный полевой транзистор
• Светодиоды (LED)
• Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
• Выпрямители с кремниевым управлением

Какие отрасли промышленности используют полупроводниковые материалы больше всего?

Полупроводниковые материалы являются важным компонентом электронных устройств, что делает их жизненно важными практически для всех основных отраслей промышленности.Во всем мире ежедневно используется более ста миллиардов полупроводников.

Секторы, которые особенно зависят от полупроводниковых материалов, включают следующее:

• искусственный интеллект
• чистая энергия
• связь
• вычислительная
• энергия
• здравоохранение
• Интернет вещей
• военный

Узнайте больше о полупроводниковых материалах в дорожной карте IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Рынок полупроводниковых материалов

Поскольку почти все промышленные секторы зависят от электронных устройств, рынок полупроводников относительно стабилен.Расходы на материалы, необходимые для первоначального производства полупроводниковых корпусов, варьируются от легкодоступного кремния и керамики до дорогостоящих редкоземельных металлов.

Как обстоят дела на мировом рынке полупроводниковых материалов?

Рынок полупроводниковых материалов достиг более 50 миллиардов долларов в 2018 году и, по прогнозам, достигнет стоимости более 70 миллиардов долларов к концу 2025 года. Прогнозируемый среднегодовой темп роста в период с 2018 по 2025 год оценивается в 4,32 процента.

Что делает полупроводниковые материалы такими ценными?

Хотя некоторые полупроводниковые материалы дешевы и доступны в большом количестве (кремний является наиболее очевидным примером), РЗЭ, используемые в производстве диэлектриков с высоким κ и химико-механической полировке, могут быть дорогостоящими.

На величину РЗЭ влияют несколько факторов. Процессы, необходимые для отделения РЗЭ от породы, в которой они обнаружены, сложны и дороги, требуя тысяч стадий для извлечения и очистки готового материала.

Сложность извлечения РЗЭ из сырья заставила многие горнодобывающие компании отказаться от получения прибыли от РЗЭ. Китай — одна из немногих стран, сосредоточивших внимание на добыче и переработке РЗЭ, в результате чего страна производит 85 процентов мировых запасов вольфрама и молибдена.

Жесткая хватка Китая над производством РЗЭ позволяет ему не только устанавливать цены, но и использовать ценный полупроводниковый материал в качестве политического оружия. В 2010 году Китай прекратил все продажи РЗЭ в Японию из-за спора по поводу задержания Японией китайского рыболовного капитана. Решит ли Китай использовать экспорт РЗЭ во время продолжающейся торговой войны между США и Китаем, вызывает озабоченность.

Как перерабатываются и утилизируются полупроводниковые материалы?

Учитывая ценность некоторых полупроводниковых материалов, рециркуляция и утилизация ценных РЗЭ и других веществ возможны.В настоящее время переработка РЗЭ наиболее успешна при работе с крупномасштабными полупроводниковыми продуктами, такими как солнечные элементы, автомобильные катализаторы и магниты ветряных турбин. РЗЭ также регенерируют из аккумуляторов.

Переработка более мелких полупроводниковых материалов проблематична с финансовой точки зрения, учитывая небольшое количество материала, утилизируемого из отдельных продуктов, таких как смартфоны. Переработка полупроводниковых материалов также сопряжена с собственными экологическими издержками: процесс приводит к значительным отходам и выбросам множества токсичных загрязнителей.Этические соображения также вызывают озабоченность, поскольку многие использованные полупроводниковые продукты попадают на предприятия по переработке электронных отходов в странах третьего мира, известные тем, что эксплуатируют детский труд.

Наиболее очевидный способ снизить затраты на РЗЭ — это начать добычу и переработку собственных месторождений РЗЭ в других странах, кроме Китая (несмотря на свое название, РЗЭ равномерно распределены по земле, хотя это затрудняет поиск крупных залежей в одном месте) . Однако, как отмечает Communications ACM , для этого требуется готовность инвестировать в разработку экономичных процессов добычи, добычи и переработки.

Хотите узнать больше о полупроводниковых материалах? Рекомендуем прочитать Международный план развития устройств и систем (IRDS ™). IRDS ™ — это набор прогнозов, которые исследуют будущее электроники, полупроводников и компьютерной индустрии на пятнадцатилетний горизонт. Он охватывает ряд критических областей и технологий, от приложений до устройств и производства. Присоединяйтесь к техническому сообществу IRDS ™, чтобы загрузить дорожную карту и быть в курсе наших последних мероприятий.

Как загрузить IRDS ™

Получите доступ к дорожной карте IRDS ™

Платформы для измерения свойств электрически адресуемых полупроводниковых нанокристаллов

Чтобы определить электрооптические характеристики нанокристаллов с различными регистрами поверхности в ансамбле, мы разработали стратегии для управления двумя ключевыми параметрами, включая пространственное распределение и ориентацию нанокристаллов. Это позволяет электрически зондировать полупроводниковые нанокристаллы с определенных граней кристалла.Эта способность была важна для выявления ранее невидимого свойства материалов с широкой запрещенной зоной (WBG), которое может устранить снижение эффективности светодиодов (см. Раздел 1 ниже). Ниже приведены некоторые направления наших исследований:

Модельные системы с превосходной эффективностью:

1. Изучение светодиодов без провисания

Рис. 1. Падение КПД — это снижение квантовой эффективности по мере увеличения подаваемого тока.

Одной из серьезных проблем, стоящих перед светодиодной технологией, является «падение эффективности», то есть снижение внутренней квантовой эффективности (IQE) с увеличением плотности тока.Это явление ограничивает производительность всех имеющихся в продаже светодиодов (рис. 1). Механизмы, вызывающие падение эффективности, были одной из наиболее изученных тем в материалах WBG и были связаны с оже-рекомбинацией, заполнением фазового пространства, вынужденным излучением, безызлучательной рекомбинацией, активируемой делокализацией, и неполной локализацией носителей заряда.

Используя разработанную платформу «электрически адресуемые полупроводниковые нанокристаллы», мы показали, что отсутствие спада является эффектом, зависящим от формы, и полупроводники с ребристой формой могут устранить этот эффект (рис. 2).

Рис. 2. Внешняя квантовая эффективность ребристого светодиода не показывает эффекта спада.

Мы также показали, что полупроводниковый нанокристалл в форме ребра может существенно подавить оже-рекомбинацию и оптические потери в светодиодах нанометрового размера. Это свойство привело к подключению светодиодов к лазерам с плотностями тока более 1000000 мА / см ² без какого-либо снижения эффективности. ¹ Мы показали, что эти источники света могут генерировать микроватты энергии (Рисунок 3), т.е.е., в 100-1000 раз больше, чем у любого электрического субмикронного источника света.

1. Светодиоды UV-C для дезинфекции:

Одной из важных областей является увеличение яркости светодиодов УФ-С сверх их текущей выходной мощности в милливаттах с применением многоцветного флуоресцентного обнаружения патогенов, а также более эффективных источников света УФ-С для дезинфекции вредных патогенов.

2. Субмикронные лазеры высокой яркости (УФ-ближний ИК):

   Рисунок 3.Примеры диапазона выходной мощности ребристых светодиодов. Самая высокая точка на этом графике соответствует лазеру на ребрах.

До сих пор низкая эффективность светодиодов ограничивала выходную мощность субмикронных светодиодов и лазеров до нановатт, что неприемлемо для практических приложений, включая встроенное оптическое или химическое зондирование. Ребристые светодиоды / лазеры открывают новые возможности для разработки широкого спектра новых архитектур для широкого спектра приложений. В настоящее время мы сосредоточены на разработке методов, позволяющих еще больше уменьшить площадь, занимаемую такими источниками света, при разработке механизмов для управления их основными свойствами, такими как яркость, стабильность и т. Д.Эти результаты будут ключевыми при разработке моделей, которые могут помочь разработчикам технологий в разработке расширенных функций, таких как импульсная генерация, радиационно-стойкие устройства, а также высокотемпературные светодиоды и лазеры.

3. Доступное нанопроизводство:

Еще одним препятствием на пути развития субмикронных источников света является то, что современные методы нанопроизводства для небольших объемов исследований и разработок и выхода на промышленное производство часто являются чрезмерно дорогостоящими.Это связано с высокой стоимостью контроля роста на наноуровне. Одним из преимуществ нашей измерительной платформы является то, что она позволяет изготавливать электрически адресуемые нанокристаллические устройства в масштабе пластины. Это связано с тем, что мы используем недорогую оптическую литографию с разрешением 2 мм для создания и контроля роста субмикронных нанокристаллов.

.