Проводимость в сильном электрическом поле

B C N

Al Si P

Ga Ge As

In Sn Sb

акцепторы база доноры

Для основного материала IV группы координационное число (число соседей) – 4.

У донорных примесей V группы оказывается излишний электрон, связь которого ослаблена. Конкретно этот электрон и сформировывает донорный уровень в нелегальной зоне собственного полупроводника.

У примесей III группы не хватает электрона для Проводимость в сильном электрическом поле построения 4 координационной сетки. При заимствовании электрона у основного материала появляется «дырка» (разорванная связь). В нелегальной зоне формируется акцепторный уровень, на который просто перебегают электроны из валентной зоны (но не в зону проводимости). Близкие уровни именуются уровнями прилипания и содействуют повышению времени жизни неравновесных носителей заряда. Глубочайшие примесные уровни (Cu, Mn Проводимость в сильном электрическом поле, Fe, Au) содействуют рекомбинации неравновесных носителей заряда.


а б в г д

Рис. Зонные диаграммы полупроводников: а - собственного, б – с донорной примесью, в – с акцепторной примесью, г – с высочайшей концентрацией примеси, д – очень легированный.

В полупроводниках проводимость определяется дрейфом и электронов и дырок:

s = q ( n un + p up ),

s = so Проводимость в сильном электрическом поле exp ( -Eg / 2 k T ), ln s = ln so - ( Eg / 2 k T ),

где Еg - ширина нелегальной зоны, so - неизменная, которой придается смысл проводимости при Т® ¥ , когда возбуждены все электроны ( s ® so ).

Концентрация носителей заряда в полупроводнике значительно находится в зависимости от температуры, и проводимость s зависит также Проводимость в сильном электрическом поле от температуры.

При 1 / Т = 0 ln s = ln so . По экспериментально приобретенной температурной зависимости можно вычислить величину Еg:

tg g = Eg / 2 k .

ln s

ln so


1 2

3


g


0 1 / QD 1 / T

Рис. Температурная зависимость проводимости (1) собственных, (2) сильнолегированных и (3) слаболегированных полупроводников.

При низких температурах доминирует примесная проводимость. Большая проводимость слаболегированных полупроводников (3) соответствует максимуму подвижности в области дебаевской температуры Проводимость в сильном электрическом поле. Максимум у сильнолегированных проводников (2) сглажен ввиду отсутствия области истощения примеси. При больших температурах доминирует собственная проводимость (1).

С повышением давления нелегальная зона может значительно уменьшаться, превращая диэлектрик в проводник. При низкой температуре могут проявиться сверхпроводниковые характеристики.

У металлов и сильнолегированных полупроводников ТКС, обычно, положительное, т.к. с повышением температуры Проводимость в сильном электрическом поле больше доминирует взаимодействие электронов с решеткой. Собственные и слаболегированные полупроводники имеют отрицательное значение ТКС, так как с повышением температуры Т возрастает концентрация носителей заряда и, как следует, проводимость, а удельное сопротивление падает. Температурная зависимость проводимости полупроводников еще резче, чем у металлов. Эта зависимость в терморезисторах (термисторах) употребляется для измерения Проводимость в сильном электрическом поле и регулировки температуры. Изменение концентрации носителей заряда может происходить не только лишь под воздействием температуры Т, да и сильных электронных полей и электрического излучения для измерения их количественных черт также употребляются термисторы.

К температурным характеристики резисторов зависимо от внедрения могут предъявляться последующие требования:

1 - всепостоянство сопротивления,

2 - изменение сопротивления пропорционально Проводимость в сильном электрическом поле температуре (положительный ТКС),

3 - изменение сопротивления назад пропорционально температуре (отрицательный ТКС),

4 - резкое изменение сопротивления при определенной температуре (пороговая, бинарная черта типа выключателя).

Более обширно используются термисторы с линейной чертой в качестве датчиков температуры, силы тока, расхода воды либо газа. Положительный ТКС обеспечивают металлы, отрицательный – полупроводники (германий, оксид рутения). Употребляется платиновая проволока. Тонкопленочные Проводимость в сильном электрическом поле термисторы изготавливают на базе платины, сплава родия с железом.

Термисторы с положительным ТКС может употребляться в цепях токовой защиты. При увеличении тока сопротивление термистора возрастает, понижая падение напряжения во наружной цепи.

Сочетание термисторов с отрицательным и положительным ТКС обеспечивает равномерность сопротивления резистора в широком спектре температур.

Для бинарного Проводимость в сильном электрическом поле термистора (резистора с 2-мя основными значениями сопротивления) может быть применен сегнетоэлектрик титанат бария (Ba Ti O3). При низкой температуре высочайшая диэлектрическая проницаемость εпрепятствует образованию возможных барьеров на границах зернышек, т.е. обусловливает низкое сопротивление. При температуре выше точке Кюри (123oC) ε резко миниатюризируется, и возникновение возможных барьеров содействует резкому увеличению сопротивления Проводимость в сильном электрическом поле. Вне окружностей температуры Кюри имеет место маленький отрицательный ТКС.

Резко нелинейное сопротивление имеет и полимерный резистор, в каком меж тонкими слоями пластика помещены гранулки графита. При низкой температуре гранулки контактируют вместе, образуя проводниковые дорожки. На маленьком интервале увеличения температуры наблюдается повышение сопротивления за счет расширения слоя пластика до того Проводимость в сильном электрическом поле времени, пока не наступит полная изоляция гранул графита.

Термисторы с бинарной чертой употребляются в системах автоматического включения освещения, предохранителях.

Проводимость в сильном электронном поле

Зависимо от величины напряженности происходят разные эффекты в веществе.

Под действием электронного поля электрон наращивает скорость дрейфа. Это явление понятно как термоэлектронная ионизация (Френкеля Проводимость в сильном электрическом поле). Слово “термо” связано с тем, что ускоренные электроны (нагретые) почаще сталкиваются с КР, передавая ей энергию. Вырастает концентрация фононов. Т.о. энергия электронного поля перебегает в энергию термического движения. В стационарном состоянии количество энергии, получаемой электронами от поля, равно количеству энергии, передаваемой ими КР и выделяющейся в виде тепла Проводимость в сильном электрическом поле.

Закон Джоуля - Ленца в дифференциальной форме указывает какое количество тепла Q должно выделиться в единице объема проводника в единицу времени:

Q = N Vдр q T = q N u E2 = s E2 = i E.

Е [ В/см]

1011 — Прохладная эмиссия

107 — Пробой

106 — Электростатическая ионизация

105 — Ударная ионизация

104 —

103 — } Термоэлектронная ионизация

10 —

0 —

При Е > 105 В/см электроны получают энергию, достаточную для ионизации вещества Проводимость в сильном электрическом поле. При столкновении электронов с атомами происходит генерация электронно-дырочных пар. Это ударная ионизация. Проводимость sначинает зависеть от напряженности поля Е. Нарушается закон Ома ( j = s E ).

При Е > 106 В/см значительно увеличивается возможность туннельных переходов через нелегальную зону. Это еще более наращивает концентрацию носителей заряда. Происходит электростатическая Проводимость в сильном электрическом поле ионизация вещества (эффект Зиннера).

При Е > 107 В/см происходит лавинообразный рост концентрации носителей заряда, приводящий к невосстанавливаемому разрушению полупроводников.

При Е > 1011 В/см не только лишь снижается возможный барьер, но миниатюризируется его толщина. Электроны получают довольно энергии для выхода их из кристалла - происходит прохладная эмиссия электронов. Дрейфовая скорость движения электронов становится Проводимость в сильном электрическом поле сравнимой с термический скоростью. Поток электронов имеет направленный нрав. Плотность тока при прохладной эмиссии:

j = C E2 exp ( - a / E ),

где С и а - неизменные, характеризующие возможный барьер.

Выбор электропроводящих материалов.

Аспекты

- электронные: проводимость (с учетом шкура - слоя),

– механические: адгезия, твердость, упругость, пластичность, противоборство истиранию, крепкость на извив Проводимость в сильном электрическом поле, вибропрочность,

- термические: термостабильность, мощность рассеяния – допустимая температура перегрева (Тдоп),

- сопротивляемость (резистентность) воздействию наружной среды: коррозионная стойкость, кислотостойкость,

- оптическая прозрачность.

Большие материалы

Вид проводникового материала Условия внедрения Механические, тепловые требования
Al, Cu с покрытиями Ag, Bi - Sn, пореже Au Провода: цельные ↔ многожильные Пластичность
Сталь Высоковольтные многожильные провода Крепкость
Сплавы Fe, Al, Cu Корпуса Проводимость в сильном электрическом поле с электрической защитой Твердость
Пасты с углеродом (для металлизации полимерного корпуса) Корпуса с электростатической защитой Вязкость, Сочетание ТКЛР проводящего покрытия и материала корпуса
Сталь с покрытием, Сплавы меди (бронза) Пружины контактные, плоские (мембранные), витые Упругость, крепкость на извив

Контактные материалы.

Для разрывных контактов в слаботочных контактах, не Проводимость в сильном электрическом поле считая незапятнанных тугоплавких металлов вольфрама и молибдена используют платину, золото,серебро, сплавы на их базе и металлокерамические композиции, к примеру, Ag - CdO. Сильноточные разрывные контакты обычно изготовляют из металлокерамических материалов и композиций, к примеру, серебро - никель, серебро - графит, медь - вольфрам - никель и др. Для скользящих контактов нередко употребляют контактные Проводимость в сильном электрическом поле пары из железного и графитосодержащего материалов, также проводниковые бронзы, латуни (сплавы меди и цинка), твердую медь и медь, легированную серебром (для коллекторных пластинок) и др. материалы.

Материалы пленочных проводников.

Фольгированные диэлектрики.

Тонкопленочные проводники многослойны. Базу составляют напыляемые материалы высочайшей проводимости: Ag, Cu. Но эти материалы владеют малой адгезией с материалом подложки Проводимость в сильном электрическом поле, потому появляется необходимость дополнительного напыляемого адгезионного слоя из NiCr либо Pd (подслоя) меж подложкой и главным слоем. Для устройств, функционирующих на частотах выше 3 ГГц толщина проводника порядка 4 – 6 мкм бывает достаточной – это около 3 d (толщин скин- слоев).

Для низкочастотных устройств толщина проводника должна быть больше. Это достигается гальваническим наращиванием напыленного Проводимость в сильном электрическом поле проводника. Для защиты от наружной среды гальванически наносится очередной слой: Au либо Sn-Bi (употребляется также для селективного травления и облегчения облуживания).

Толстопленочные проводника многокомпонентны. Главным проводящим материалом является Ag. (Ni и сплавы обусловливают наименьшую проводимость.) Стекло обеспечивает после отжига адгезию меж пленкой и глиняной подложкой. Органическая связка соединяет Проводимость в сильном электрическом поле воединыжды составляющие в пасту определенной вязкости, нужной нанесения на подложку методом сеткографии.

Подобная проводящая композиция с низкотемпературными компонентами для нанесения на органические основания получили заглавие чернил. Чернила владеют наименьшей вязкостью, потому могут наноситься струйными устройствами, к примеру, принтерами (epson). Этот способ употребляется для мультислойных печатных плат Проводимость в сильном электрическом поле и частей на гибких основаниях для мембранных тумблеров, клавиатур компов и мобильников, смарт-карт, RFID-брелков.

Проводящие компаунды на базе Ag в матрице силикона, эпоксидного клея, полиуритана. Технологическая жизнеспособность 1-2 часа. Для однокомпонентной структуры употребляется термоактивация. Добавка отвердителя позволяет провести технологическую операцию без нагревания. Благодаря в 2-3 раза большей прочности соединения Проводимость в сильном электрическом поле компаунды употребляются для

- монтажа LED- и диодных устройств на гибкие подложки,

- присоединения теплопроводных частей к подложке,

- экранирования – обработки швов механически соединенных деталей.

Барьерные функции проводниковых материалов – противодействие диффузии.

Материал барьера Разделяемые материалы меж Условия
Cr, V Si и Al T > 673 K
Cu C и B
Sn N
Pd Ti (адгезионный Проводимость в сильном электрическом поле) и Au (основной)

Материалы припоев – для многоступенчатой пайки.

Состав многофункциональных материалов,% Т плавления, оС Заглавие сплава
Bi-50, Pb-25, Sn-25 Розе
Bi-50, Pb-26,7 , Sn-13,3 , Cd-10 Липовица
Bi-50, Pb-25, Sn-12,5, Cd-12,5 Вуда

Для реализации контактных площадок микросхем и устройств, работающих в оптическом спектре нужны прозрачные электропроводящие материалы. Они должны владеть низким сопротивлением и шириной Проводимость в сильном электрическом поле нелегальной зоны Еg > 2,5 эВ.

.

Материалы Спектр прозрачности Применение
Si ИК, рентгеновский Выявление изъянов полупроводниковых кристаллов
Sn O2 , легированный In2 O3 видимый оптоэлектроника
ZnO УФ Индикация УФ при помощи водянистых кристаллов.

Выбор резистивных материалов

Аспекты:

- электронные: удельное сопротивление ρ, допуск Δ ρ, электронный контакт (толстопленочных резисторов),

- механические: адгезия, когезия, крепкость на Проводимость в сильном электрическом поле извив, крепкость к истиранию,

- термические: данный ТКС αR, рабочий температурный спектр, термический шум, допустимая температура перегрева (Т доп), мощность рассеяния,

- коррозионная стойкость.

Материалы с высочайшим удельным сопротивлением.

Материал ρ, Ом.м ТКС, α, 1/0С σ, 1/Ом.м
W 5,6 . 10-8 0,0045 1,79 . 107
Fe 9,7 . 10-8 0,0065 1,03 . 107
Pl 10,6 . 10-8 0,0039 0,94 . 107
Ta
Re (рений)

Удельная проводимость σ сплавов при комнатной температуре.

Материал Манганин Cu 84Mn12Ni Проводимость в сильном электрическом поле4 Константан Cu60 Ni40 Нихром Ni-Cr
σ x 106, Сим/m 2,3 2,0 1,0

Манганины - сплавы на медной базе, содержащие около 85% Cu , 12% Mn , 3% Ni.. Используются для производства примерных резисторов, шунтов, устройств и т.д., имеют малую термо-э.д.с. в паре с медью (1 - 2 мкВ/К ), бр= 450 - 600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15 - 30%, наивысшую долгосрочную Проводимость в сильном электрическом поле рабочую температуру менее 200оС. Можно изготавливать в виде проволоки шириной до 0.02 мм с эмалевой и др. изоляцией. Константан - медно-никелевый сплав (средний состав 60% Cu, 40%Ni ), α =(5 - 25) . 10-6К-1, бр= 400 - 500 МПа, относительное удлинение перед разрывом 20 - 40%. Термо-э.д.с. в паре с медью 45 - 55 мкВ/К, потому константан можно использовать для термопар. Реостаты Проводимость в сильном электрическом поле и нагревательные элементы из константана могут продолжительно работать при температуре 450оС.

Жаростойкие сплавы - это сплавы на базе никеля, хрома и других компонент. Устойчивость этих сплавов к высочайшим температурам разъясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO . Сплавы системы Fe-Ni-Cr именуются Проводимость в сильном электрическом поле нихромами, на базе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буковкы обозначают: Х - хром, Н - никель, Ю - алюминий, Т титан. Цифра, последующая за буковкой, значит среднее процентное содержание этого металла.

Марка сплава Тип сплава ρ, 10-6 Ом . м α, 105 1/oC Очень допустимая температура, oC
Х20Н80 Нихром 1.04 - 1.17
Х13Ю4 Фехраль Проводимость в сильном электрическом поле 1.2 - 1.34
Х23Ю5Т Хромаль 1.3 - 1.5

Основная область внедрения этих сплавов - электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электронных печей большой мощности употребляют обычно более дешевенькие, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

Интерметаллические соединения - силициды с Si (Cr Si2 , Fe Si2). Они входят в состав тонкопленочных материалов РС3001 (Cr – 30-%, Fe – 01%, остальное Проводимость в сильном электрическом поле Si), РС3710 (Cr – 37-%, Fe –10%, остальное Si). Силицидные сплавы употребляются в виде мишени для напыления либо ионно-плазменного распыления, в виде порошка – для взрывного испарения.

Внедрение полупроводников.

Удельная проводимость σ собственных полупроводников при комнатной температуре.

Материал (С) Ge Si Sn
σ, Сим/m (2,8 x 104) 1,7 4,3 x 10-4


provesti-klassifikaciyu-elementov-proekta-opredelit-uchastnikov-proekta.html
provesti-konkurs-i-otbor-obsheobrazovatelnih-uchrezhdenij-aktivno-vnedryayushih-innovacionnie-obrazovatelnie-programmi-chistova-l-a-stranica-5.html
provesti-konkurs-i-otpravit-materiali-rabot-neobhodimo-do-17112017g.html