Полупроводниковые материалы

Описание презентации по отдельным слайдам:

• 

  1 слайд

  Омский государственный технический университет
  каф. Электроника
  Дисциплина
  Радиоматериалы и радиокомпоненты
  
  Лекция 4. Полупроводниковые материалы
  Доцент, к.т.н. Пономарёв Д.Б.
  

• 

  2 слайд

• 

  3 слайд

• 

  4 слайд

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

• 

  5 слайд

• 

  6 слайд

  Классификация
  

• 

  7 слайд

  Классификация
  

• 

  8 слайд

  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 слайд

  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:
  Классификация
  
  

• 

  10 слайд

  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.
  Классификация
  
  

• 

  11 слайд

  Элементарные полупроводники
  

• 

  12 слайд

• 

  13 слайд

  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.
  Классификация
  
  

• 

  14 слайд

  Варистор на основе ZnO – оксида цинка
  

• 

  15 слайд

  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.
  Классификация
  
  А3В5
  

• 

  16 слайд

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

• 

  17 слайд

  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.
  Классификация
  
  

• 

  18 слайд

  Халькогениды свинца
  
  Фоторезистор
  

• 

  19 слайд

  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): бром-антрацен, иод-пирен.
  - ион-радикальные соли (тетрацианхинодиметан)
  
  
  Классификация
  
  

• 

  20 слайд

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

• 

  21 слайд

  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.
  
  - С ними связана перспектива создания сверхпроводников с высокой критической температурой.
  OLED-телевизоры, OLED-мониторы, OLED-дисплеи, OLED-панели.
  
  
  
  Классификация
  
  

• 

  22 слайд

  5. Органические полупроводники:
  
  
  
  Классификация
  
  

• 

  23 слайд

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

• 

  24 слайд

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

• 

  25 слайд

  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 слайд

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

• 

  27 слайд

  Влияние температуры
  Электропроводность
  
  

• 

  28 слайд

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

• 

  29 слайд

  Влияние температуры
  Электропроводность
  
  I
  U
  
  1
  2
  Вольт-амперная характеристика терморезистора
  Зависимость сопротивления терморезистора от температуры
  

• 

  30 слайд

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

• 

  31 слайд

  Термоэлементы
  элемент Пельтье
  
  Bi2Te3∙Sb2Se3
  Термоэлементы
  
  

• 

  32 слайд

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

• 

  33 слайд

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

• 

  34 слайд

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

• 

  35 слайд

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

• 

  36 слайд

  γф
  γт
  Еф
  Интегральная характеристика фотосопротивления (фотопроводимости полупроводника)
  фотоэффект
  

• 

  37 слайд

  Воздействие света на электропроводность ПП-ков.
  WФ > Wg
  фотоэффект
  

• 

  38 слайд

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

• 

  39 слайд

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

• 

  40 слайд

  40
  Фоторезисторы
  

• 

  41 слайд

  41
  Фоторезисторы
  Наиболее распространенными являются фоторезисторы на основе сернистого свинца (PbS), cеленистого свинца (PbSe), сернистого кадмия (CdS) и селенистого кадмия (CdSe). Высокая фоточув-ствительность 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.
  

• 

  42 слайд

• 

  43 слайд

  Внешний вид и размеры наиболее распространенных типов отечественных фоторезисторов
  
  

• 

  44 слайд

  44
  Характеристики фоторезисторов
  

• 

  45 слайд

• 

  46 слайд

• 

  47 слайд

  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.
  

• 

  48 слайд

  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.
  

• 

  49 слайд

  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:
  , (7.17)
  
  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.
  

• 

  50 слайд

  50
  8. Спектральная характеристика, S(l), представляет зависимость монохро-матической чувствительности фоторезистора, К, отнесенную к значению макси-мальной чувствительности, Кmax, от длины волны l регистрируемого потока излу-чения. Очевидно, S= где – 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.
  
  , (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 = . Значение ТКIф является отрицательной величиной,
  
  поскольку общий фототок уменьшается с увеличением температуры.
  Параметры фоторезисторов 4
  

• 

  51 слайд

  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.
  

• 

  52 слайд

  52
  Конструкции фоторезисторов
  
  

• 

  53 слайд

  53
  Оптопары
  
  

• 

  54 слайд

  54
  Спасибо за внимание!