Полупроводниковые материалы. Лекция 4

1. Омский государственный технический университет каф. Электроника

Дисциплина
Радиоматериалы и радиокомпоненты
Лекция 4. Полупроводниковые материалы
Доцент, к.т.н. Пономарёв Д.Б.

2.

3.

4.

Зависимость проводимости от температуры
Ek = (3/2)kT
Электропроводность
Ek = 0,04 эВ
при Т=20 °С
ρ = 1/σ

5.

6.

Классификация

7.

Классификация

8.

Способы получения монокристаллов
полупроводников
•1. Вытягивание из расплава по
методу Чохральского.
•2. Метод бестигельной зонной
плавки.
•3. Кристаллизация из газовой фазы с
использованием методов сублимации
из газовой фазы и химических
транспортных реакций (CdS, ZnS,
SiC).

9. Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и

Классификация
Полупроводники составляют обширную
область материалов, отличающихся друг от
друга большим многообразием
электрических и физических свойств, а также
большим многообразием химического
состава, что и определяет различные
назначения при их техническом
использовании.
По химической природе современные
полупроводниковые материалы можно
разделить на 5 основных групп:

10. 1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов или молекул одного элемента. Такими материалами являются

Классификация
1. Кристаллические полупроводниковые
материалы, построенные из атомов или
молекул одного элемента. Такими
материалами являются широко
используемые в данное время германий,
кремний, селен, бор, карбид кремния и др.

11.

Элементарные полупроводники

12.

13. 2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т. е. материалы из окислов металлов. Главные из них: закись меди, окись

Классификация
2. Окисные кристаллические
полупроводниковые материалы, т. е.
материалы из окислов металлов. Главные из
них: закись меди, окись цинка, окись кадмия,
двуокись титана, окись никеля и др. В эту же
группу входят материалы, изготовляемые на
основе титаната бария, стронция, цинка, и
другие неорганические соединения с
различными малыми добавками.

14.

Варистор на основе ZnO – оксида цинка

15. 3. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов

Классификация
3. Кристаллические полупроводниковые
материалы на основе соединений атомов
третьей и пятой групп системы элементов
Менделеева. Примерами таких материалов
являются антимониды индия, галлия и
алюминия, т. е. соединения сурьмы с индием,
галлием и алюминием. Они получили
наименование интерметаллических
соединений.
А3 В 5

16.

Арсенид-галиевые (GaAs)
солнечные батареи
http://solarb.ru/arsenid-galievye-solnechnye-batarei

17. 4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы, селена и теллура с одной стороны и меди, кадмия и

Классификация
4. Кристаллические полупроводниковые
материалы на основе соединений серы,
селена и теллура с одной стороны и меди,
кадмия и свинца с другой. Такие соединения
называются соответственно: сульфидами,
селенидами и теллуридами.

18.

Халькогениды свинца
Фоторезистор

19. 5. Органические полупроводники: - органические красители (метиленовый голубой, фталоцианины) - ароматические соединения

Классификация
5. Органические полупроводники:
- органические красители (метиленовый
голубой, фталоцианины)
- ароматические соединения (нафталин,
антрацен, виолантрен )
- полимеры с сопряженными связями
- природные пигменты (хлорофилл, -каротин )
- молекулярные комплексы с переносом заряда
(донорно - акцепторные системы): бромантрацен, иод-пирен.
- ион-радикальные соли
(тетрацианхинодиметан)

20. Органические полупроводники: •Линейные – пентацен •Двумерные соединения со сшитыми кольцами – производные нафталина и

Классификация
Органические полупроводники:
•Линейные – пентацен
•Двумерные соединения со сшитыми
кольцами –
производные нафталина и фталоцианинов
•Гетероциклические олигомеры –
производные тиофена с р-типом проводимости

21. Применение : - Как светочувствительные материалы для ПЗС и фотоэлементов. - Высокая стойкость к радиационному облучению

Применение :
- Как светочувствительные материалы для ПЗС и фотоэлементов.
- Высокая стойкость к радиационному облучению некоторых
органических полупроводников, делает возможным их
использование в космосе.
- Создание транзисторов и датчиков, а также других
полупроводниковых приборов.
Классификация
- С ними связана перспектива создания сверхпроводников с
высокой критической температурой.
OLED-телевизоры, OLED-мониторы, OLED-дисплеи, OLED-панели.

22. 5. Органические полупроводники:

Классификация
5. Органические полупроводники:

23. Классификация по различным признакам: Простые - сложные Твердые – жидкие Неорганические - органические Некристаллические

Классификация по различным признакам:
Простые - сложные
Твердые – жидкие
Неорганические - органические
Классификация
Некристаллические (аморфные) –
Кристаллические (монокристаллические и
поликристаллические)

24.

γ = γi + γпр.
γi = q∙ni∙(un + up)
Электропроводность
γn = q∙n∙un
γр = q∙n∙uр

25.

Влияние
концентрации
примесей
на
величину
удельного
сопротивления германия и кремния при комнатной температуре: 1 - кремний,
2 - германий
Кривые на рисунке показывают, что легирующие примеси оказывают
огромное влияние на величину удельного сопротивления: у германия оно
изменяется от величины собственного сопротивления 60 Ом*см до 10-4 Ом*см,
т. е. в 5*105 раз, а у кремния с 3*103 до 10-4 Ом*см, т. е. в 3*109 раз.

26.

Атом примеси в полупроводнике Ge
Электропроводность
As – донор
Валентность 5
In – акцептор
Валентность 3

27. Влияние температуры

t
Wt
A e 2 KT
Электропроводность
Nt N0
ut T
Wt
e 2 KT
3 / 2

28. Влияние температуры

Электропроводность
Влияние температуры
Энергетическая диаграмма и
функция вероятности
заполнения энергетических
уровней для собственного
полупроводника F(E)

29. Влияние температуры

1 R2 R1
TKR
0
R1 T2 T1
I
Электропроводность
2
1
U
Вольт-амперная
характеристика
терморезистора
Зависимость
сопротивления
терморезистора от
температуры

30.

Термоэлементы
Термоэлементы
эффект Пельтье
QП = П∙I∙τ,
QД-Л = 0,24∙I2∙R∙τ,

31.

Термоэлементы
элемент Пельтье
Термоэлементы
Bi2Te3∙Sb2Se3

32.

Термоэлементы
Термоэлементы
эффект Зеебека
U = A∙(Тнагр. – Тохл.),

33.

Электронно-дырочный (или p-n) переход
nn >> pn и pp >> np
IД = q∙D∙ N,
p-n переход
где
D – коэффициент диффузии;
N – градиент концентрации носителей заряда;
q – заряд электрона.

34.

p-n переход
Электронно-дырочный (или p-n) переход

35.

Внутренним фотоэффектом называется
перераспределение электронов по
энергетическим состояниям в
полупроводниках, происходящее под
действием излучений.
фотоэффект
WФ > Wg
Он проявляется в изменении
концентрации носителей зарядов в среде
и приводит к возникновению
фотопроводимости или вентильного
фотоэффекта.

36.

γф
фотоэффект
γт
Еф
Интегральная характеристика
фотосопротивления
(фотопроводимости полупроводника)

37.

Воздействие света на электропроводность
ПП-ков.
WÔ h h
c
фотоэффект
WФ > Wg
1,23
h
( мкм )

38.

Электронно-дырочный (p-n) переход
+
фотоэффект
=
фотоэффект
Фотоэлектрический эффект (вентильный)

39. Фоторезисторы

Фоторезисторы – это фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения, принцип
действия которых основан на эффекте
фотопроводимости.
Эффект фотопроводимости (фоторезистивный
эффект)
заключается
в
уменьшении
электросопротивления
полупроводникового
материала при освещении.
39

40. Фоторезисторы

Поток
излучения
3
1
2
Принципиальное устройство
фоторезистора
1 – светочувствительный
полупроводниковый слой,
2 – изоляционное основание,
3 – металлические электроды
40

41. Фоторезисторы

Наиболее
распространенными
являются
фоторезисторы на основе сернистого свинца (PbS),
cеленистого свинца (PbSe), сернистого кадмия (CdS) и
селенистого кадмия (CdSe). Высокая фоточувствительность
сульфида
и
селенида
кадмия
обеспечивается
введением
в
их
состав
сенсибилизирующих
примесей,
способствующих
увеличению времени жизни основных носителей
заряда. Донорной примесью обычно служит хлор, в
качестве акцепторных примесей используются медь
или серебро. Существенную роль в механизме
проводимости играют также структурные дефекты
фоточувствительных полупроводниковых материалов.
41

42.

43.

44. Характеристики фоторезисторов

Iф, мкА
R, Ом
Ф>0
Iт
Ф=0
U, В
а
S, отн.
ед.
1,0
CdS CdSe
б
PbS
Ф, лм
PbSe
0,6
0,2
1,0
2,0
3,0
, мкм
в
Рис. 7.16. Характеристики фоторезисторов: а – вольтамперные характеристики; б – функциональная характеристика
R=f(Ф); в – спектральные характеристики различных фоточувствительных элементов
44

45.

46.

47. Параметры фоторезисторов 1

1. Темновое сопротивление Rт – это сопротивление
фоторезистора при полной защите чувствительного элемента
от
излучения.
В
зависимости
от
материала
фоточувствительного элемента значение Rт составляет
(0,022 100)×106 Ом.
2. Кратность изменения сопротивления – отношение
темнового сопротивления Rт фоторезистора к световому
сопротивлению Rсв измеренному при освещенности в 200 лк.
Значение отношения Rт/Rсв для различных типов
фоторезисторов на основе CdS и CdSe колеблется в широком
диапазоне от 3,5 до 1,5×106 (обычно 150...1500), для
фоторезисторов на основе PbS значение Rт/Rсв постоянно и
равно 1,2 отн. Ед.
47

48. Параметры фоторезисторов 2

3. Рабочее напряжение Uр – это напряжение, при котором
фоторезистор работоспособен в течение заданного срока
службы. Для различных типов фоторезисторов значение Uр
находится в пределах 2 100 В.
4. Номинальная мощность рассеяния Рн – максимально
допустимая мощ-ность, которую фоторезистор может
рассеивать при непрерывной электрической нагрузке и
температуре окружающей среды, указанной в технической
документации, при атмосферном давлении 105 Н/м2 и
рабочем напряжении на фоторезисторе. Значение Рн для
фоторезисторов невелико и составляет 0,01 0,35 Вт.
48

49. Параметры фоторезисторов 3

5. Темновой ток Iт – величина тока через фоторезистор,
определяемая при рабочем напряжении и полной защите
фоточувствительного элемента от излучения. Величина Iт = 0,01 100
мкА.
6. Световой ток Iсв – величина тока через фоторезистор,
определяемая при рабочем напряжении и освещенности 200 лк.
Величина Iсв = 0,3 6 мА.
7. Удельная чувствительность К – это отношение фототока DIф
к падающему на фоторезистор световому потоку Ф, лм, и
приложенному к нему напряжению U, В:
DI ф
,
(7.17)
K
ФU
где DIф = Iсв – Iт – фототок, равный разности светового и темнового
токов, протекающих через фоторезистор. Значение К для различных
фоторезисторов составляет от 500 до 600×103 мкА/лм×В.
49

50. Параметры фоторезисторов 4

8. Спектральная характеристика, S( ), представляет зависимость монохроматической чувствительности фоторезистора, К, отнесенную к значению максимальной чувствительности, Кmax, от длины волны l регистрируемого потока излу,
чения. Очевидно, S= DI ф / DI фmaxгде
DI фmax – значение фототока, соответст-вующее
максимальной чувствительности фоторезистора.
9. Инерционность t – это длительность промежутка времени, в течение
которого фототок после включения или выключения источника света
увеличивается или уменьшается в 2,73 раза.
I ф ( f мод )
I ф (0)
1 (2 f мод t) 2
,
(7.18)
где Iф(0) – значение фототока при постоянном световом потоке, падающем на
фоторезистор (fмод = 0).
10. Температурный коэффициент фототока (ТКIф) представляет собой
относительное изменение фототока при изменении температуры на 1 градус:
aI,Т =
DI ф 1
DT I ф
. Значение ТКIф является отрицательной величиной,
поскольку общий фототок уменьшается с увеличением температуры.
50

51. Система обозначений фоторезисторов

До введения ОСТ 11.074.009–78 (согласно которому
фоторезистор обозначается буквами ФР) в основу
обозначения фоторезисторов входил состав материала, из
которого изготовлялся их термочувствительный элемент:
СФ1 – на основе сульфида свинца (ранее обозначались
ФСА);
СФ2 – сернисто-кадмиевые (ранее обозначались ФСК);
СФ3 – селенисто-кадмиевые (ранее обозначались ФСД);
СФ4 – на основе селенида свинца.
Далее через дефис указывается номер разработки и
вариант конструктивного исполнения.
где Uш – действующее напряжение шума, мкВ.
51

52. Конструкции фоторезисторов

ФСК-0, ФСК-1а
ФСК-1, ФСК-М1
ФСК-Г1
21
8,4
2
14,5
2,4
9
11,6 16
9
фоточувствительный
элемент
28
8,5
5,5
22
электроды
а
б
в
Рис. 7.17. Конструкции фоторезисторов: а – бескорпусная;
б – в пластмассовом корпусе; в – в металлостеклянном корпусе
52

53. Оптопары

8,5
3
5
6,6
А
А
1
5
2
1
4
3
2 3 4 6
б
0,5
3
А-А
6
2
2
Вход
Выход
4
3
a
в
Рис. 7.18. Устройство резисторных оптронов:
а – составной оптрон (1– изоляционная подложка, 2 – полупроводниковый
светочувствительный слой, 3 – металлические контакты, 4 – миниатюрный источник света, 5 – светонепроницаемый корпус, 6 – основание светонепроницаемого корпуса); б – пленочный оптрон (1 – стеклянная изоляционная подложка,
2 – полупроводниковый светочувствительный слой, 3 – металлические электроды, 4 – электролюминофор (электролюминесцентный излучатель), 5 – прозрачные электроды); в – электрическая схема оптрона
53

54.

Спасибо за внимание!
54