Задача 2

Дайте определение проводникового материала. Приведите классификацию проводниковых материалов. Назовите основные параметры проводников и поясните их физический смысл. Для двух заданных материалов приведите числовые значения этих параметров. Укажите область применения заданных материалов.

Серебро;

Вольфрам.

Решение

Проводники — это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества при нормальных условиях являющиеся изоляторами при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании.

Свойства проводников.

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых

материалов, относятся:

1) γ - удельная проводимость (или обратная ей величина — удельное сопротивление),

2) температурный коэффициент удельного сопротивления,

3) коэффициент теплопроводности,

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС),

5) работа выхода электронов из металла,

6) предел прочности при растяжении (р и относительное удлинение перед разрывом).

Серебро — элемент побочной подгруппы первой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 47. Обозначается символом Ag (лат. Argentum). Простое вещество серебро (CAS-номер: 7440-22-4) — ковкий, пластичный благородный металл серебристо-белого цвета. Кристаллическая решётка — гранецентрированная кубическая. Температура плавления — 960 °C, плотность — 10,5 г/см³.

Атомная масса (молярная масса) = 107,8682 а. е. м. (г/моль)

1). γ = 62,5

2). температурный коэффициент уд. сопротивления = 3,8·10⁻³ (1/Кельвин)

3). коэффициент теплопроводности = 430 Вт/(м К)

4). термо-ЭДС = +2,7 мкВ/К

5). работа выхода электронов из металла W = 4,3 эВ

6) предел прочности при растяжении = 98–147 МПа

Вольфрам — химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (лат. Wolframium), твёрдый серый переходный металл. Главное применение — как основа тугоплавких материалов в металлургии. Крайне тугоплавок, при стандартных условиях химически стоек.

1). γ = 17,6

2). температурный коэффициент удельного сопротивления =4,1·10⁻³ (1/Кельвин)

3). коэффициент теплопроводности = 173 Вт/(м К)

4). термо-ЭДС = +3,6 мкВ/К

5). работа выхода электронов из металла W = 4,54 эВ

6) предел прочности при растяжении = 1180–1375 МПа

Задача 3

Дайте определение полупроводника. Приведите классификацию полупроводниковых материалов. Укажите, какие факторы влияют на электропроводность полупроводников. Кратко опишите заданный материал, укажите область применения. Поясните назначение полупроводникового прибора, опишите принцип его действия. Укажите, какие полупроводниковые материалы используются в данном приборе.

Полупроводниковый материал: арсенид галлия

Прибор: транзистор

Решение

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводники классифицируются:

1) По характеру проводимости:

- Собственная проводимость (полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок»).

- Примесная проводимость (для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента).

2). По виду проводимости:

- Электронные полупроводники (n-типа) (Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными).

- Дырочные полупроводники (р-типа) (Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными).

Механизм электрической проводимости полупроводников.

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76×10⁻¹⁹ Дж против 11,2×10⁻¹⁹ Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4×10⁻¹⁹ Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5 — 2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Галлия арсенид - химическое соединение галлия и мышьяка. Важный полупроводник, третий по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Используется для создания сверхвысокочастотных интегральных схем и транзисторов, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов, фотоприёмников и детекторов ядерных излучений. Один из основных полупроводниковых материалов, относящийся к классу соединений A^IIIB^V. Благодаря удачному сочетанию свойств занимает второе место (после кремния) по своему значению в современной электронной технике. Арсенид галлия имеет неплохие теплофизические характеристики, достаточно большую ширину запрещенной зоны, высокую подвижность электронов, благоприятные особенности зонной структуры, обуславливающие возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. Разработаны технологии получения материала с хорошими изолирующими свойствами и высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра.

Используется при изготовлении высокочастотных интегральных схем и дискретных микроэлектронных приборов. Применяется при изготовлении светодиодов и лазеров. Монокристаллы полуизолирующего арсенида галлия, легированные хромом, используют в инфракрасной оптике. Монокристаллы GaAs, легированные цинком или теллуром, применяют в производстве оптоэлектронных приборов.

Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор. Это радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металл выводов, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Основными являются транзисторы:

• Германиевые

• Кремниевые

• Арсенид-галлиевые

Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок.