Контрольная работа по "Материаловедению"

 

5. Назовите химические элементы, обладающие полупроводниковыми  свойствами, и укажите области  их применения.

 

Полупроводники — наиболее распространенная в природе группа веществ. К ним относятся химические элементы: бор (В), углерод (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn), сурьма (Sb), теллур (Те), йод (I); химические соединения типа: AIBVII, AIIIBV, AIVBIV, AIBVI, AIVBVI, (GaAs, GeSi, CuO, PbS и др.); большинство природных химических соединений — минералов, число которых составляет около 2 тыс., многие органические вещества.

В электронике находит применение лишь ограниченное число полупроводниковых веществ. Исходные материалы, из которых изготавливают полупроводниковые приборы, должны обладать определенными физико-химическими и механическими свойствами.

Германий встречается, главным  образом, в сернистых минералах, некоторых силикатах и карбонатах, а также в каменных углях и богатых углем породах. Содержание Ge в земной коре всего 7·10-4%, он широко рассеян в горных породах. Для полупроводниковых приборов необходим Ge, почти не содержащий примесей других элементов. На 108 его атомов лишь один может быть чужеродным, но и то не любым, а принадлежащим к группе определенных «легирующих» элементов (чаще всего Sb, As, Ga, In). Поэтому производство Ge представляет известную сложность.

Кремний — наиболее распространенный (после кислорода) элемент, но в чистом виде он не встречается. Давно известным соединением Si является его двуокись SiO2. Твердая земная кора содержит 'по массе 27,6% кремния и состоит более чем на 97% из природных силикатов, т. е. солей кремниевых кислот, а также двуокиси кремния SiO2 преимущественно в виде кварца. Для производства полупроводниковых приборов необходим также очень чистый Si. Получение чистых кристаллов кремния еще более сложно, чем кристаллов германия. Кремний имеет высокую температуру плавления (около 1500°С) и в расплавленном состоянии очень высокую химическую активность. Это резко повышает технологические трудности получения чистых кристаллов и легирования их нужными примесями (в качестве последних чаще всего используются В, Аl и Р). Поэтому чистый кремний, как и германий, довольно дорогой элемент.

В электронике поэтому находит  применение лишь ограниченное количество химических элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами. На первом месте стоят Ge и Si, используемые в качестве основы при изготовлении полупроводниковых приборов. Бор, фосфор, мышьяк, сурьма, индий, галлий, алюминий используют в качестве примесей. В последние годы начинают применять некоторые соединения, например, арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) и др. Интересны также сплавы и соединения элементов IV группы периодической системы — карбид кремния, сплав кремний — германий и др. Однако они еще недостаточно изучены.

Основными параметрами Ge и Si, определяющими  свойства изготовленных из них приборов, являются: ρ — удельное сопротивление; ∆ε— ширина запрещенной зоны; n- или p-концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок); δ — плотность дислокаций; L — диффузионная длина; τ — время жизни носителей заряда. Чтобы оценить эти параметры, необходимо рассмотреть основы физики полупроводниковых материалов.

 

 

Задача. Два отрезка медной и алюминиевой проволоки длиной 10 м имеют одинаковое электрическое сопротивление. Какой отрезок весит меньше и на сколько, если известно, что сечение медной проволоки 4 мм²?

 

Сопротивление проводника

,

 

где - удельное сопротивление проводника;

      l – длина проводника;

     S – сечение проводника.

По условию задачи известно, что  R_Al = R_Cu, тогда получим

 

 

.

 

Вес проводника

,

 

где - удельный вес, г/см³.

 

 

 

Т.е. отрезок алюминиевой проволоки  весит меньше в 2,3 раза.

 

Литература

 

1. Конструкционные и электротехнические материалы/ Под ред. В.А. Филикова. –М.: Мастерство, Высшая школа, 2000.

2. Никулин Н.В. Электроматериаловедение.  –М.: Высшая школа, 1989.

3. Электротехнический справочник. В 3-х томах. Том 1. Общие вопросы.  Электротехнические материалы/ Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, А.А. Жукова и др. –М.: Изд-во МЭИ, 1995-2002.

4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность: Учебное пособие – М.: Высшая школа, 1986.-464с.