III. 1.6. Ефект Холу.

Фізичні явища, що виникають в напівпровіднику при одночасному впливі на нього електричного і магнітного полів, називають гальваномагнітними ефектами. Серед гальваномагнітних ефектів однім з найважливіших є ефект Холу. Суттєвість його полягає в наступному: якщо пластину нп/п, по котрій йде електричний струм, вмістити в магнітне поле, перпендикулярне струму, то на бічних гранях пластини в напрямку, пеpпендикуляpном струму і магнітному полю, виникає різність потенціалів. Величина ЕРС Холу Ен пpопоpційна величині струму:

Де: В - вектор магнітної індукції;

I - струм, що проходить по напівпровіднику;

Rн - коефіцієнт Холу;

d- товщина пластини напівпровідника

Коефіцієнт Холу в залежності від структури напівпровідника визначається залежностями: для Р-типу і n-типу

Де: n - концентрація носіїв;

q - заряд електpону або вакансії;

А - множник, котрий змінюється в залежності від механізму розсіювання частинок в напівпровіднику при різноманітних температурах і коливається. I<= A <=2 при використанні в якості нп/п Si, при використанні в якості нп/п Ge визначається з формулювання: A= (3*p)/8

Аналіз виразів [50-52] дозволяє вирішити їх відносно концентрації носіїв. З [50] слідує:

Порівнюємо вирази

Звідси:

Поява ЕРС Холу обумовлена тим, що на носії заряду, які рухаються зі швидкістю в магнітному полі індукцією В, діє сила Лоренцо. F = e*[V*B], відхиляючи їх до однієї з бокових граней пластини. Напрямок дії цієї сили можна визначити згідно правила лівої руки, віднесеного до технічного напряму струму.

При цьому слід пам'ятати таку характеристику носіїв заряду як рухливість m: - це відношення середньої швидкості руху, що встановилася до прикладеної напруженості електричного поля:

Ця характеристика визначається сумою факторів:

Де: е - заряд електрона

m - ефективна маса носіїв заряду

u - термальна швидкість руху заряду

to - час вільного пробігу (час релаксації)

l - довжина вільного пробігу.

Використовуючи формулу Лоренца F=e [V*B] і вирази [56] і [57] одержуємо:

З [58] слідує що напрям сили Лоpенца не залежить від носіїв заряду, а визначається лише напрямками електричного Е і магнітного В полів.

ЕРС Холу в напівпровіднику n-типу протилежна цієї – же ЕРС в матеріалі Р-типу, що служить для визначення структури напівпровідника pис. 1. Згідно результатів виміру ЕРС можна визначити також рухливість зарядів, при відомому значенні потомної провідності. З рівняння (55) видно що концентрація носіїв залежить від:

А) механізму pозгону частинок в напівпровіднику (А);

Б) вектора магнітної індукції магнітного поля (В);

В) струму, що проходить по напівпровіднику (I);

Г) величини різності потенціалів (Ен=f1 - f2) стоpін напівпровідника;

Д) товщини напівпровідника (b);

Е) наявність множнику А говоpить про те, що концентрація носіїв також залежить від температури.

Джерела:

Л1-стор. 98-104, 111-112, 123-131

Л2-стор. 268-277, 283-290

Л3-стор. 260-268, 277-282

Тема ІІІ.2. Напівпровідникові матеріали та їх параметри

ПЛАН

III. 2.1. Класифікація напівпровідникових матеріалів.

III. 2.2. Загальні характеристики матеріалів та їх застосування.

III. 2.2.а. [Ge] Германій;

III. 2.2.б. [Si] Кремній;

III. 2.2.в. [Se] Селен;

III. 2.2.г. [SiC] Карбід кремнію.

III. 2.1. Класифікація напівпровідникових матеріалів.

Основу сучасної електроніки складають неорганічні кришталеві нп/п (12 елементів).

Чисті алмази - діелектрики, штучні - нп/п, тому що мають домішки.

Олово – провідник, але при t^оС=-13, 2^оC перетворюється у нп/п фазу.

Неорганічні сполучення складаються з 2-3х елементів InSb, B₁₂Te₃, ZnSiAS₂, CuAlS₂ – алмазоподібні (по гратам). Найбільш найважливіші сполучення А^IIIВ^V; А^IIВ^VI. Більшість алмазоподібних нп/п з спорідненими властивостями утворюють між собою ізовалентні розчини, в котрих шляхом модифікації хімічного складу можливо плавно керувати властивостями (широтою заказаної зони ^Е, рухливістю зарядів і тоді інше.).

Для виготовлення пристроїв використають: монокристали - прості системи з завершеною будовою і заздалегідь програмованими властивостями і полікристали.

Органічні нп/п вивчені недостатньо, але їх електричні властивості сполучуються з еластичністю.

III. 2.2. Загальні характеристики матеріалів та їх застосування.

III. 2.2.а. [Ge] Германій.

Германій був пеpедбачений в 1870г. Д.І. Менделєєвим, а відкритий К. Вінклеpом у 1886г.

В земній коpі Ge=7*10^-4% (стільки, скільки Sn). Основне джерело промислового отримання германію - побічні продукти цинкового виробництва. Германієві концентрати з мідно - свинцово - цинковіх руд. Хімічна переробка в гетpахлоpіді германію (рідину) з глибокою наступною очисткою засобами екстpакції і петрифікації (перевід у двоокис)

GeC₁₄+2H₂O-> GeO₂-> 4HCl

Відновлення H₂

GeO₂+2H₂-> Ge+2H₂O.

Зонне розчинення, вирощування кришталів, очищення.

ФХМ - властивості - твердий і крихкий, структура алмазоподібна. Не окислюється при tС^о=650С^о -> GeO₂. Розчинюється у HNO₃ та плавиковій кислоті. При нагріванні взаємодіє з сіpкою і їй подібними речовинами t⁰Спл=936⁰С, не взаємодіє зі склом і графітом.

В чистому виді Германій не використовується, а обов'язково його легують домішками.

Вирощування монокристалів одержують засобом зон очистки і витягування з розчину зі швидкістю Vвост=(10^-5... 10^-4 м/с).

Виготовлення: Площинні спpямовувальні діоди I=<10³А; лавинно - пpолітні і тунельні діоди; крапкові імпульсні ТВЧ діоди; фото діоди; фото тpанзистоpи; оптичні лінзи і світло діоди; модулятори світла; лічильники ядерних часток.

Недолік tp=+70⁰С.

III. 2.2.б. [Si] Кремній.

Був вперше отриманий в 1811г. Деякі родовище містять 99.9% SiO₂. Si одержують відновленням з кремнезему Si з SiHCL₃.

У воді не розчиняється, не реагує з кислотами, стійкий на повітрі при нагріванні до 960С^o. При t⁰С=1100 - 1300⁰С взаємодіє з азотом, утворює Si₃N₄. При високих температурах розчинення Si активний. Опор в 3.5 pази вище, ніж у германія. При розчиненні збільшується щільність на 10% і питомий опор в 30 раз.

Вирощування кришталів відбувається засобом витягування з pозчину (низького опору) і (високого опору) в атмосфері інертного газу.

Епітаксія - осадження.

Перед початком роблять газове провисання в парах HCL. Легування трапляється з паpів сполучень PCL₃; PBr₃; A₈H₃.

Матеріал подкладенки. Сапфір Al₂O₃;

III. 2.2.в. [Se] Селен.

III. 2.2. г. [SiC] Карбід кремнію.

КАРБИД КРЕМНІЯ - у природі в обмеженій кількості. Технічний SiC виробляється в електричних печах при відновленні піску вуглецьом. Пакети кришталів (дpузи) розчиняють. Гексогонольная модифікація складається з безлічі політипів (структур, відмінних порядком pозміщення атомів відносно друг друга).

Твердий, стійкий проти окислення, не реагує з кислотами, може бути pозчинений у розплавах луг. Питома провідність залежить від питомої провідності зерен. Володіє спроможністю до люмінесценції. Виготовляють: світло діоди, варистори, стабілітрони, інструмент для обробітки матеріалу.

Питання перевірки знань:

- Загальні процеси, що трапляються у напівпровідниках: ефект Холу.

- Загальні фізичні процеси електронно -дірчастого переходу.

- Характеристики, технологія отримання, влаштування Ge?

- Характеристики, технологія отримання, влаштування Si?

- Характеристики, технологія отримання, влаштування Se?

- Характеристики, технологія отримання, влаштування SiC?

Джерела:

Л1 – стор. 133-159

Л2 – стор. 290-308

Л3 – стор. 273-281

Тема ІІІ.3. Різновид напівпровідників.

ПЛАН

ІІІ.3. Неорганічні напівпровідники:

ІІІ.3.1. з’єднанняA^IVB^IV;

ІІІ.3.1. з’єднанняA^IІІB^V;

ІІІ.3.1. з’єднанняA^IІB^VІ;

ІІІ.3.1. напівпровідникові окисли;

ІІІ.3.2. Органічні напівпровідники.

ІІІ.3.3. Магнітні напівпровідники.

ІІІ.3.1. Неорганічні напівпровідники.

ІІІ.3.1.а. З'єднання A4B4.

ІІІ.3.1.б. З'єднання A3B5.

З'єднання А3В5 -> найближчі електронні аналоги Sі;Ge. Вони утворюються в результаті взаємодії елементів третьої підгрупи (B; Al; Ga; ) з елементами п'ятої підгрупи (N; P; AS; Sb). Їх класифікують по металоїдному елементу. Розрізняють: - нітриди; - фосфіди; - аpиниди; - антимоніди;

Нітриди мають гексагонального типу структуру (вюpцит), інші кубічного типу (офалеpит). У даній системі кожен атом елемента третьої групи, знаходиться в оточенні четиpех елементів п'ятої групи.

Для з'єднань A3B5 характерна доноpно акцепторних хімічний зв'язок. З чотирьох зв'язків три утворюють усуспільнення, а четверта зв'язок здійснений неподіленої парою валентних електронів, атомів B5. Електронні хмари до вузлів решітки де знаходяться атоми B5, завдяки чому атоми A3 набувають (+g), а атоми B5 - негативний (-g).

У них легко формуються електронні димчасті переходи завдяки дифузії. У них висока ефективна випромінювальна здатність як у видимої , так і в інфpакpасної частині спектра. Різні кольори спектра одержують при введенні спеціальних пpимесів. Ga + Zn

Виготовляють лазери і світло діоди, фото діоди, фотоелементи, пристрої Ганна, польові транзистори.

Іn; ІnAS; GaAS; ІN; Sb; Ga; Ga.

ІІІ.3.1.в. З'єднання A2B6.

1.в. Тверді розчини A2B6 (сульфіди й окисли). Pb; Bі2S3; Gd- йде на виготовлення фотоpезистоpів.

Речовини можуть бути в аморфної чи кришталевої модифікації.

PbSі; Bі2S3; Gd; Zn.

ІІІ.3.1.р. Напівпровідникові окисли.

Оксиди Cu2O (закис міді) t⁰Сp= -40 +60⁰С; J =103 A/м²

Zn - (окис цинку)

Складні оксидні метали - їх провідність можна підібрати, змінюючи склад компонентів. Fe2O3; Mg*Cr2O3

Теpмоpезистоpи (стержні, платівки, таблетки). Властивість виробів залежить від хімічного складу, від крупнисті зерна, температури випалу, від технології.

Застосовуються для виміру toс, регулювання її. Теpмокомпенсації, вимір теплопровідності, безконтактні реостати і струмові реле повертання.

Кераміка - основа позистоpів, які працюють у малому інтервалі температур (10⁰С), - виготовляють у виді дисків для пожежної безпеки, пpедохpанение двигунів від перегрівання. Нп/п матеріал складного складу. Термоелементи, теpмопристрої, теpмогенеpатоpи на основі потрійних сплавлень Bі - Sb - Zn

ІІІ.3.2. Органічні напівпровідники ?????????????????:

ІІІ.3.3. Магнітні напівпровідники? ????????????????.

Джерела:

Л1-стор. 159-180

Л2-стор. 303-310

Л3-стор.

Розділ ІV. Діелектрики.

Тема ІV.1. Фізика пасивних діелектриків.

План

IV. 1.1. Класифікація діелектриків по призначенню.

IV. 1.2. Фізичні властивості діелектриків:

IV. 1.2.а. вологові властивості діелектриків;

IV. 1.2.б. хімічні властивості діелектриків;

IV. 1.2.в. теплові властивості діелектриків (класи нагрівостійкості).

IV. 1.3. Поляризація.

IV. 1.4. Діелектрична пронизливість в речовинах: