Полупроводниковые материалы

 

Фотосопротивления

Перевод электронов в свободное состояние или образование «дырок» в полупроводнике может происходить не только под влиянием тепла, но и в результате воздействия других видов энергии, таких, как световая, энергия потока электронов, ядерных частиц. Увеличение количества свободных электронов или «дырок» проявляется повышением электропроводности и возникновением тока.

У многих полупроводников связь между электронами и атомами настолько незначительна, что лучистой энергии света вполне достаточно для перевода электронов в свободное состояние. Для жёлтого света энергия фотона составляет 2 электрон-вольта, а у некоторых полупроводников перевод электронов в свободное состояние происходит под влиянием нескольких десятых долей электрон-вольта. У таких полупроводников повышение проводимости наблюдается даже под влиянием инфракрасной части спектра. Это даёт возможность обнаруживать на расстоянии многих километров излучение, исходящее от даже слабо нагретых тел. В результате такого излучения имеет место небольшое повышение тока в цепи с соответственным полупроводником. Первичное слабое повышение тока затем многократно увеличивается с помощью усилителей, иногда даже в миллион раз. Это даёт необходимый сигнал.

Повышение электропроводности, вызванное светом, носит название фотопроводимости, а основанные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями.

Подбирают фотосопротивления в зависимости от условий облучения, в которых им приходится работать. Наиболее употребительные материалы для фотосопротивлений в видимой части спектра – сернистый кадмий, сернистый таллий, сернистый висмут, а для инфракрасных лучей – сернистый, селенистый и теллуристый свинец.

Фотосопротивления широко применяют для сигнализации и автоматики, управления на расстоянии производственными процессами, сортировки изделий. С их помощью предупреждают несчастные случаи и аварии при нарушении хода процесса, автоматически останавливая машины.

Фотоэлектрическое устройство приходит в действие от появления или исчезновения лучей на фотосопротивлении или резкого изменения их интенсивности, например, при появлении пламени, наступлении темноты, прерывания луча.

Для контроля хода процесса луч света направляют на фотосопротивление. Между источником света и фотосопротивлением находится или проходит «указатель», свидетельствующий о нормальном ходе процесса. Таким указателем могут быть изделия, непрерывно движущиеся на конвейерной ленте. В случае нарушения нормального хода процесса конвейер может автоматически выключаться.

Фотосопротивление используют для сортировки изделий по их окраске или размерам. В зависимости от изменения размера или окраски изделия количество световой энергии, попадающей на фотосопротивление, может изменяться, а вместе с этим изменяется проводимость и ток в полупроводнике. Это даёт возможность направлять отсортированные изделия в предназначенные для каждого из них места.

 

Термоэлементы

Термоэлементы – приборы, в которых тепловая энергия непосредственно превращается в электрическую.

Основаны они на явлении Зеебека, заключающемся в том, что при нагреве места спая двух разнородных металлов в замкнутой цепи возникает электродвижущая сила. Явление Зеебека используется давно для измерения температур с помощью термопар. Для получения электрической энергии из тепловой металлические проводники не пригодны, так как коэффициент полезного действия (к.п.д.) термоэлементов из проволоки составляет всего 0,5%. Для этой цели используют полупроводники, которые дают возможность непосредственно превращать тепловую энергию в электрическую без участия каких-либо машин.

Коэффициент полезного действия термоэлемента, составленного из полупроводников, доходит до 7-10%, т.е. находится на уровне к.п.д. таких машин, как паровозы, в которых он равен 4-8%.

Термоэлементы составляют из полупроводников с р- и n-проводимостью, соединённых друг с другом металлической пластинкой. Конструктивное выполнение такого термоэлемента сходно с термоэлементом из металлических проволок. Примером хорошей пары являются цинк – сурьма и сернистый свинец. При подогреве места «спая» полупроводниковых пластинок в замкнутой цепи возникает электродвижущая сила. Соединение таких отдельных термоэлементов в батарею даёт возможность получать постоянный ток необходимого напряжения в 120 и более в; мощность большинства термогенераторов ограничена несколькими десятками ватт. Недавно создан термогенератор мощностью в 200 вт, проектируются ещё более мощные.

Батареи из термоэлементов с радиальным расположением отдельных элементов, спаи которых сходятся в центре круга, служат для получения электроэнергии, питающей радиоустановки, в местах отсутствия электрической энергии. Спаи в этом случае подогревают керосиновой лампой или керогазом.

 

Холодильники и нагреватели

важной особенностью, открывающей широкие перспективы применения полупроводников, является получение с их помощью холода и тепла более экономичными путями.

Такое использование полупроводников основано на термоэлектрических явлениях, обратных наблюдающимся в термоэлементах. Ток, возникающий в замкнутой цепи термоэлемента, охлаждает горячий спай и наоборот, подогревает холодный спай. При пропускании же тока через термоэлементы в обратном направлении выделяется тепло в горячем спае и отнимается тепло от холодного. Один и тот же спай двух проводников при одном направлении тока нагревается, а при другом охлаждается. Пользуясь этим, можно охлаждать воздух в холодильном шкафу, в который помещён охлаждаемый спай металла. Для этого в термоэлементе поддерживают температуру нагреваемого спая, близкую к комнатной, отводя от него выделяемую теплоту в окружающую среду; при этом другой спай значительно охлаждается, а через него охлаждается и окружающий воздух.

Применяя для этой цели полупроводники, характеризующие достаточно высокой величиной к.п.д. термоэлемента, можно получить в холодильном шкафу необходимые низкие температуры. Например, полупроводники из сплавов висмута, селена, теллура и сурьмы обеспечивают в термоэлементе разность температур около 60°C, а в сконструированном с помощью таких полупроводников холодильном шкафу поддерживается температура минус 16°C.

Этим же явлением можно воспользоваться и для отопления зданий. Пропуская электрический ток через термоэлектрическую цепь, помимо обычного нагрева всего проводника, охлаждают один спай и нагревают другой, т.е. переносят тепло от одного спая к другому. Академик А.Ф.Иоффе рассчитал, какое количество тепла будет при этом выделено. От охлаждаемого спая отнимается некоторое количество тепловой энергии

 

где α – термоэлектродвижущая сила;

      – абсолютная температура холодного спая;

      I – величина тока, а;

      t – длительность прохождения тока, сек.

Соответственно в тёплом спае, абсолютную температуру которого обозначим через Т1, выделяется тепловая энергия Q1:

 

Эта тепловая энергия Q1 больше теплоты Q0, в отношении:

 

Если ограничиться рассмотрением процесса на обоих спаях, то их можно описать следующим образом: электрический ток отнимает от холодного спая теплоту Q0 и передаёт теплому спаю большее количество тепла Q1, добавляя недостающую энергию в виде электрической энергии W. К теплоте Q0, отнимаемой от холодного спая, добавляется энергия W, и сумма их Q0+W= Q1 выделяется на тёплом спае.

Из приведенных данных о величинах Q0 и Q1 видно, что отношение затрачиваемой электрической энергии W к теплоте Q1, которая освобождается на теплом спае, равно:

 

Если абсолютная температура теплого спая Т1=300°, что соответствует +27°C, а температура Т0=270° или -3°C, то

W/Q1=30/300=0,1,

Отсюда следует, что для передачи в тёплое помещение при температуре 2727°C100 кал тепла можно было бы использовать 90 кал, взятых от холодной среды (например, от внешнего воздуха) и добавить всего 10 кал за счёт электроэнергии.

Поскольку такое извлечение тепла из внешнего холодного воздуха или водного резервуара легко и доступно, возникает заманчивая возможность, затрачивая всего 10% от вносимого в помещение тепла за счёт электроэнергии, отапливать помещение практически за счёт извлекаемого снаружи тепла. Но процесс в термоэлектрической батарее не ограничивается только выделением и поглощением тепла на спаях. Вдоль ветвей самой термобатареи возникает поток тепла от теплого спая к холодному, который противодействует переносу тепла в обратном направлении, сопровождающему прохождение тока. Кроме того, часть электрической энергии превращается в тепло в обеих ветвях термоэлемента. В результате наличия этих двух процессов использование электроэнергии резко снижается; приходится добавлять не 10% электроэнергии, а около 60%; но и такой результат представляет значительный интерес: затрата электроэнергии составляет только около половины теплоты, поступающей в помещение, а остальная половина доставляется более холодным наружным воздухом или проточной водой при температурах, близких к нулю.

Чем меньше разность Т1-Т0 по сравнению с Т1, тем выгоднее окажется термоэлектрическая батарея по сравнению с электрической печью сопротивления.

Термоэлектрическая батарея обладает и другим важным преимуществом. Если изменить направление тока на противоположное, то на наружных спаях начнёт выделяться теплота Q0, а нагревавшие помещение спаи будут отнимать теплоту Q1, охлаждая помещение. В жаркое время года та же термобатарея может охлаждать воздух. Регулируя величину и направление тока в батарее, можно поддерживать в помещении одинаковую температуру при любых температурах внешнего воздуха.

 

Основные требования к полупроводниковым материалам при их применении.

К полупроводникам относят большую группу веществ. По своему удельному электрическому сопротивлению они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Диапазон удельного сопротивления при комнатной температуре условно ограничивают значениями 10-4 и 1010 Ом.см.

Отличительными свойствами полупроводников является сильная зависимость их удельного электрического сопротивления от концентрации примесей. У большинства полупроводников удельное сопротивление зависит также от температуры и других внешних энергетических воздействий (свет, электрическое и магнитное поле, ионизирующее излучение и т. д.).

На основе полупроводниковых материалов создано много разнообразных полупроводниковых приборов. Свойства, параметры и характеристики этих приборов в значительной степени определяются свойствами и параметрами исходного полупроводникового материала. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов (выпрямительные диоды, стабилитроны, варикапы, биполярные транзисторы, тиристоры и т. д.) основан на использовании свойств выпрямляющего перехода, в качестве которого обычно служит электронно-дырочный переход. Поэтому такие приборы будут работоспособны только при температуре, соответствующей примесной электропроводности.

Появление собственной электропроводности при высокой температуре нарушает нормальную работу прибора. Максимальная допустимая температура полупроводникового прибора, в первую очередь, определяется шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала. Таким образом, использование материала с большой шириной запрещенной зоны позволит увеличить максимальную допустимую температуру прибора. Кроме того, приборы на основе широкозонного полупроводникового материала будут способны работать с большей допустимой удельной мощностью рассеяния, т. е. При нормальных условиях работы могут быть уменьшены габариты прибора или габариты теплоотводящих радиаторов.

Подвижность носителей заряда влияет на частотные свойства выпрямительных диодов, так как эти свойства большинства выпрямительных диодов определяются временем рассасывания не основных носителей в базовой области диодной структуры.

Одна и важнейших задач полупроводниковой электроники - это повышение пробивного напряжения коллекторного перехода транзистора и тиристора, а также пробивного напряжения выпрямляющего электрического перехода диода. Для решения этой задачи необходимо получить равномерное распределение плотности тока по всей площади электронно-дырочного перехода, что снизит вероятность возникновения теплового пробоя. Поэтому особое значение приобретает требование к однородности исходного полупроводникового материала, так как микронеоднородности и другие дефекты значительно снижают пробивное напряжение перехода. Естественно, что наряду с повышением качества исходных материалов необходимо совершенствовать методы контроля их параметров и свойств.

Развитие микроэлектроники, в частности, и вообще электронной техники должно сопровождаться повышением надежности и снижением стоимости электронных схем и устройств. Необходимость повышения надежности вызвана, во-первых, усложнением аппаратуры, увеличением числа элементов установках. Для обеспечения работоспособности всей установки необходима высокая надежность каждого отдельного элемента установки. При этом не всегда можно применять резервирование или дублирование по экономическим и техническим соображениям. Во-вторых, электронная аппаратура стала широко применяться при экстремальных внешних условиях в связи с развитием геофизических исследований, созданием ядерных энергетических устройств, повышением технических параметров авиационной техники и развитием космонавтики. Аппаратура должна теперь работать при высоких и низких температурах, при наличии значительных градиентов температуры, при радиационном облучении, при наличие сильных электромагнитных полей, при больших статических и динамических механических нагрузках, при воздействии микроорганизмов и агрессивных сред. При этом иногда не возможно использовать специальные средства защиты (термостаты, радиационные и электромагнитыне экраны, механическая демпфирование) из-за требования одновременного снижения массы, энергопотребления и стоимости.

Естественный и понятный путь повышения надежности - это повышение общей культуры проектирования и производства приборов. Но необходим также глубокий анализ кинетических закономерностей и механизмов старения полупроводниковых и других материалов которые используются в полупроводниковых приборах. В первую очередь, необходимо исследовать физико-химические процессы в полупроводниковых материалах при одновременном воздействии высокой температуры и сильных электрических полей, электрическую и химическую коррозию, окисление, диффузию примесей, накопление деформаций, усталостные явления т. д.