- •Ю. А. Манаков материаловедение
- •Методические указания по выполнению семестрового задания
- •Теоретические материалы
- •Тема 1. Основные понятия
- •Теоретический материал
- •1.1. Общие понятия и определения
- •1.2. Классификация материалов
- •1.3. Требования к материалам при их выборе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 2. Строение металлов
- •Теоретический материал
- •2.1. Кристаллические и аморфные тела
- •2.2. Строение чистых металлов
- •2.3. Кристаллографические направления и индексы
- •Анизотропия
- •2.4. Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
- •2.5. Дефекты кристаллического строения
- •2.6. Дислокационный механизм пластической деформации
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния
- •Теоретический материал
- •3.1. Строение сплавов
- •3.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 4. Строение неметаллических материалов
- •Теоретические материалы
- •4.1. Строение полимеров
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.2. Строение стекол
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.3. Строение керамики
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.4. Композиционные материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 5. Свойства материалов и их определение
- •Теоретические материалы
- •5.1. Классификация свойств материалов, их общая характеристика
- •5.2. Механические (прочностные) свойства материалов
- •5.3. Твердость материала
- •5.4. Теплофизические свойства
- •5.5. Изменение свойств материалов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
- •Теоретические материалы
- •6.1. Диффузия
- •6.2. Термическая обработка
- •Виды и операции то
- •6.3. Химико-термическая обработка
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 7. Металлические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •7.1. Сплавы железа с углеродом Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
- •Классификация сталей
- •Углеродистые стали
- •Легированные стали
- •Стали и сплавы с особыми свойствами
- •Сортамент сталей
- •Вопросы для самопроверки
- •7.2. Цветные металлы и сплавы Медь и ее сплавы
- •Проволока дкрнм-0,6-кт-л80ам гост 1066-80 –
- •Алюминий и его сплавы
- •Сплавы магния
- •Сплав мл5 гост2856-79. Титан и его сплавы
- •Бериллий и сплавы на его основе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •8.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы
- •8.2. Керамика, стекло, ситаллы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Темы 9,10,11. Электротехнические материалы
- •Теоретические материалы
- •9.1. Энергетические зоны твердого тела
- •9.2. Проводниковые материалы Понятие об электропроводности
- •Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
- •Классификация и характеристика проводниковых материалов
- •9.3. Полупроводниковые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 10. Диэлектрические материалы
- •Теоретические материалы
- •10.1. Классификация и основные свойства диэлектриков
- •10.2. Поляризация диэлектриков и ее виды
- •.Влияние температуры и частоты на поляризацию
- •10.3. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
- •10.4. Диэлектрические потери
- •10.5. Электрическая прочность диэлектриков
- •10.6. Нагревостойкость диэлектриков
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 11. Магнитные материалы
- •Теоретические материалы
- •11.1. Общие положения
- •11.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов
- •11.3. Классификация магнитных материалов и их характеристика
- •Магнитомягкие материалы
- •Магнитотвердые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 12. Понятие о точности обработки и шероховатости поверхности
- •Теоретические материалы
- •12.1. Точность размеров
- •12.2. Шероховатость поверхности
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Содержание
9.3. Полупроводниковые материалы
К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным сопротивлением в пределах 10-5…108 Ом*м. Их отличительными особенностями от других материалов являются:
– уменьшение удельного сопротивления при увеличении температуры (отрицательный ТКρ);
– введение в полупроводник малого количества примесей резко изменяет его удельное сопротивление (электрическую проводимость);
– полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям – свету, электрическому и магнитным полям, давлению, температуре и другим, что предопределяет их применение в различных датчиках.
К простым полупроводникам относятся германий, кремний, селен и другие; к сложным – соединения различных элементов: арсениды (арсенид галлия GaAs и другие), фосфиды (фосфид галлия GaP), антимониды (антимонид индия JnSb), сульфиды (Gas), тройные соединения элементов (CuAsS2) и другие.
Появление носителей заряда (электронов и дырок) определяется чистотой материала и температурой. Полупроводник, в котором имеется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным. Они по структуре монокристаллы и отличаются высокой степенью чистоты. Количество примесей не должно превышать одного атома на миллион атомов полупроводника.
Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники, получаемые на основе собственных введением в них строго определенного количества соответствующей примеси: донорной (примесь имеет лишний электрон, который она отдает и он становится свободным, а атом примеси ионизируется, электропроводность такого полупроводника называется электронной, или n-типа); или акцепторной (примесь захватывает электрон и ионизирует атом основного вещества, образуется дырка, электропроводность такого полупроводника называется дырочной, или p-типа). Донорными примесями служат химические элементы As, S, Se, P, Sb, акцепторными–B, Al, Ga, In.
Как и в проводниковых материалах, электропроводность полупроводника можно определить показанной выше зависимостью (1): σ = е*n*μ. Но необходимо учитывать указанные в начале параграфа отличительные особенности полупроводника: 1. Электропроводность полупроводника определяется свободными носителями – электронами и дырками, т.е. равна их сумме; 2. Концентрация и подвижность дырок и электронов в примесном полупроводнике разная. С учетом этого зависимость электропроводности полупроводника при комнатной температуре на основе выражения (1) запишется
σ = еn*nn*μn + еp*np*μp, (3)
где индексы n и p относятся соответственно к электронам и дыркам.
Концентрация и подвижность свободных носителей в полупроводниках зависит от температуры, поэтому и удельная электропроводность также будет зависеть от температуры. Установлено, что для концентрации свободных носителей заряда характерна экспоненциальная зависимость их от температуры, а для подвижности – степенная, которая слабее экспоненциальной. Ограничимся графическим представлением зависимости электропроводности полупроводнике от температуры (рисунок 33) в полулогарифмическом масштабе.
С возрастанием концентрации примесей электропроводность увеличивается. С увеличением температуры в области низких температур повышение удельной проводимости полупроводника обусловлено увеличением концентрации свободных носителей заряда за счет ионизации примесей (участки ab, de, kl, рисунок 33). При определенной температуре наступает истощение примеси – ее полная ионизация, собственная же электропроводность еще не проявляется. В этих условиях концентрация свободных носителей от температуры не зависит, и температурная зависимость удельной проводимости полупроводника определяется зависимостью подвижности носителей заряда от температуры (рисунок 33, участки bc, ef, lm). Эти участки зависимости соответствуют рабочими температурам в полупроводниковых приборах.
Резкое увеличение удельной проводимости при дальнейшем росте температуры соответствуют области собственной электропроводности (рисунок 33, участок ос).
Полупроводниковые материалы находят широкое применение в различных полупроводниковых приборах (диоды, транзисторы, микросхемы и других), датчиках (давления, тензо-фото-термодатчики, датчики Холла и другие), в оптоэлектронике и многих других областях.