Читайте также:
|
|
Некоторые металлы с халькогенами (серой S, селеном Se и теллуром Те) образуют бинарные химические соединения (сульфиды, селениды и теллуриды), представляющие класс полупроводниковых материалов, называемых халькогенидами. Химическая связь атомов в этих соединениях — ковалентно-ионная; при этом ионная составляющая больше, чем в соединениях АШВУ.
В ряду халъкогенидов сульфиды —> селениды —> теллуриды доля ионной связи уменьшается, уменьшаются также температура плавления, ширина 33 и удельное сопротивление, а подвижность носителей заряда возрастает (табл. 9.3). Тип электропроводности этих материалов сильно зависит от отклонения их состава от стехиометрического.
Избыток металла А" обусловливает электронную проводимость, а избыток халькогенов В^ - дырочную. Халькогениды обладают высокой чувствительностью к излучению в области от инфракрасной до рентгеновской. У них значительно проявляются фоторезистивные и люминесцентные свойства, поэтому они широко применяются в производстве фоторезисторов (см. гл. 8.4.1) и люминофоров (см. гл. 7.15.4). Некоторые из них обладают пьезоэлектрическим эффектом (см. гл. 7.15.2).
В полупроводниковой технике используют как поликристаллические, так и монокристаллические халькогениды.
Технология получения халькогенидов проста. Поликристаллические халькогениды обычно получают путем их осаждения из водных растворов (например, ZnS, CdS, CdSe) или сплавлением исходных компонентов (например, ZnSe, ZnTe, CdTe), монокристаллические — направленной кристаллизацией или выращиванием из расплава или газовой фазы. Эти материалы мало растворимы в воде и разбавленных соляной и серной кислотах.
Халькогениды цинка. Из всех халькогенидов сульфид, селенид и теллурид цинка (ZnS, ZnSe и ZnTe) имеют наибольшую ширину 33 (см. табл. 9.3). Из них наиболее широкое применение получил ZnS.
Сульфид цинка ZnS обладает высоким удельным сопротивлением (р = 106—1012 Ом м) и большой шириной 33 (AJV= 3,6—3,7 эВ), какие обычно имеют диэлектрики. Нелегированный кристаллический ZnS проявляет электронную проводимость. При легировании ZnS элементами I группы периодической системы Д.И. Менделеева в нем образуется дырочная проводимость. В виде кристаллического порошка (реже в виде пленок) его широко используют в качестве люминофора в производстве осциллографических и телевизионных электронно-лучевых трубок, люминесцентных, осветительных ламп
Таблица 9.3
|
* Диэлектрическая проницаемость измерена оптическим методом. |
Некоторые свойства сульфидов, селенидов, теллуридов и оксидов |
и др. Люминофоры на основе ZnS отличаются высокой яркостью и светоотдачей в видимой области спектра. Вводя в ZnS активаторы, можно регулировать цвет свечения (см. гл. 7.15.4). Если в ZnS добавить CdS, то спектр люминесценции сместится в область более длинных волн. Монокристаллы ZnS и спеченные поликристаллические блоки обладают высокой оптической прозрачностью в области ИК-спектра, что послужило причиной для их использования в качестве входных окон и линз в оптико-электронных устройствах. Наличие пьезоэлектрического эффекта у пленок ZnS позволило применять их в некоторых акустических устройствах.
Селенид цинка ZnSe проявляет фоторезистивные, фото- и электролюминесцентные свойства, имеет высокую прозрачность в ИК- области. Оптическую керамику на основе ZnSe применяют для изготовления входных окон и линз в оптико-электронных устройствах.
Теллурид цинка ZnTe обладает электролюминесцентными и фото- резистивными свойствами.
Халькогениды кадмия. Наиболее изученными и широко применяемыми соединениями этой группы полупроводников являются сульфид кадмия CdS, селенид кадмия CdSe и теллурид кадмия CdTe, некоторые свойства которых приведены в табл. 9.3. Отличительная особенность этих полупроводников — очень высокая чувствительность фототока к освещенности (см. гл. 8.4 и табл. 8.7). Например, у фоторезисторов на их основе под действием светового потока сопротивление уменьшается в 102—103 раз.
Сульфид кадмия CdS обычно имеет электронную проводимость из-за некоторого избытка атомов Cd относительно стехиометриче- ского состава. Его удельное сопротивление в зависимости от степени совершенства кристаллической структуры и концентрации примесей изменяется в пределах от 103до 1010 Ом м. Полоса основного поглощения монокристаллического CdS лежит вблизи 0,52 мкм. Его широко используют в оптоэлектронике для изготовления фоторезисторов, люминофоров, усилителей света и др.
Селенид кадмия CdSe и теллурид кадмия CdTe. Тип и величина электропроводности этих полупроводников зависят от степени отклонения их состава от стехиометрического. Обычно они имеют электронную проводимость из-за избытка кадмия. Избыток Se (Те) приводит к появлению дырочной проводимости. Область их применения та же, что и CdS.
Халькогениды ртути. Монокристаллы сульфида ртути HgS и селе- нида ртути HgSe обычно обладают электронной проводимостью из- за отклонения их состава от стехиометрического. Монокристаллы теллурида ртути HgTe могут иметь как электронную, так и дырочную электропроводность. Однако преимущественно HgTe проявляет дырочную электропроводность из-за наличия вакансий ртути. Сульфид ртути имеет высокую оптическую прозрачность в ИК-области спектра. Селенид и теллурид ртути являются полупроводниками с очень узкой шириной 33 (особенно HgTe) и высокой подвижностью электронов (см. табл. 9.3). Используют их в высокочувствительных приемниках излучения и датчиках Холла.
Сульфид свинца. Сульфид свинца PbS является полупроводниковым химическим соединением А^В^; его свойства приведены в табл. 9.3. Химическая связь атомов близка к ковалентной. Поликристаллический PbS обычно получают сплавлением соответствующих количеств образующих компонентов. Монокристаллы производят путем направленной кристаллизации или вытягиванием из расплава, находящегося под флюсом, по методу Чохральского. Сульфид свинца достаточно устойчив, в воде нерастворим, но на воздухе медленно окисляется. Тип и величина электропроводности очень чувствительны к нарушению стехиометрического состава. Небольшой избыток свинца вызывает электронную проводимость, а небольшой избыток серы — дырочную проводимость. Дырочную проводимость также обусловливают металлы I группы (Ag, К, Na, Си), замещающие атомы РЬ, а электронную — галогены, замещающие атомы S. Ширина 33, измеренная оптическим методом (0,36 эВ), значительно отличается от ширины 33, найденной термическим методом (1,17 эВ). Собственная концентрация носителей заряда при комнатной температуре составляет 2-Ю21 м-3.
Сульфид свинца используют для изготовления фоторезисторов, термоэлементов и инфракрасных фильтров.
Сульфид висмута. Сульфид висмута Bi2S3 является полупроводниковым химическим соединением типа А^^. Его ширина 33, измеренная оптическим методом, равна 1,3 эВ. Это полупроводник с электронным типом проводимости, имеет выраженный фоторези- стивный эффект, который проявляется до длины волны 1,2 мкм. Максимум спектральной характеристики фотопроводимости находится при длине волны 0,7 мкм.
Оксидные полупроводники. Оксидными полупроводниками принято называть бинарные химические соединения, один из компонентов которых является металлом, а другой — кислородом (Cu20, ZnO, МпО, Мп304 и др). Их можно рассматривать как ионные соединения. Полупроводниковыми свойствами обладают оксиды не всех металлов, а только металлов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Си, Zn). Кроме оксидных полупроводников применяют и более сложные оксидные системы (ZnFe04, MnCr204). Электропроводность этих систем можно подбирать, изменяя процентное содержание компонентов.
Электропроводность оксидных полупроводников обусловлена наличием у ионов одного и того же металла не менее двух разнова- лентных состояний и связана с обменом электронами между этими ионами. У оксидных полупроводников основным видом электропроводности является электронная проводимость, механизм которой выглядит следующим образом. В узлах кристаллической решетки этих полупроводников наряду с катионами, находящимися в низшей степени окисления (Cu+, Fe2+), имеются катионы, находящиеся в более высокой степени окисления (Cu2+, Fe3+). Электронейтральность
этих кристаллов сохраняется благодаря тому, что часть мест катионов в узлах решетки является вакантной (рис. 9.7). Электронная проводимость в кристаллах осуществляется за счет того, что катион, находящийся в более высокой степени окисления (Fe3+), заимствует электрон у соседнего катиона, находящегося в более низкой степени окисления (Fe2+), как это показано пунктирной стрелкой на рис. 9.7. В результате происходит перемена зарядов у катионов и перемещение в решетке электрона (и места катиона Fe3+). Такое движение электронов внутри кристалла обнаруживается по изменению электропроводности. Ионная проводимость в кристаллах возможна, если катионы переходят в соседние катионовые вакансии, как показано стрелкой на рис. 9.7.
У оксидных полупроводников, имеющих стехиометрический состав, удельное сопротивление меньше, чем у диэлектриков, но больше, чем у простых полупроводников (Ge, Si), и лежит в пределах от 105 до 109 Ом м. Присутствие примесей существенно влияет на их электрические свойства. Основные характеристики некоторых оксидных полупроводников приведены в табл. 9.3.
Технология изготовления оксидных полупроводников сравнительно проста. Обычно эти материалы используют в поликристаллическом состоянии в виде спеченных образцов, полученных методом керамической технологии. Практическое применение получили смеси оксидов, на основе которых изготовляют терморезисторы, варисторы, выпрямители и другие приборы (см. гл. 8.3.1 и 8.7.2).
Закись меди Cu20 получила наибольшее практическое применение для изготовления купроксных выпрямителей. Это вещество малиново-красного цвета, кристаллизуется в кубической структуре. В результате избытка кислорода относительно стехиометрического состава закись меди обладает примесной дырочной электропроводностью; ее удельное сопротивление в зависимости от термической обработки изменяется в пределах от 10 до 107 Ом м. Для получения Cu20 электронной проводимости производят диффузию меди.
Закись меди получают путем окисления пластин особо чистой меди в атмосфере воздуха при температуре около 1020 °С. В воде она нерастворима, но растворяется в соляной кислоте и нашатырном спирте. Начиная с 155 °С, Cu20 восстанавливается водородом.
Рис. 9.7. Схема движения электрона(ов) и иона(ов) в кристалле FeO |
2- | 3+ | 2- | 3+ | 2- | 2+ |
Fe | Fe | Fe | |||
2+ | 2- | 2+ | 2- | 2+ | 2- |
Fe | о | Fe | Fe | o | |
2- о | / | 2- 0 | 3+ Fe | 2- 0 | 2+ Fe |
2+ | 2- | 2+ | У 2- | 2+ | 2- |
Fe | Fe | Fe |
Оксид цинка ZnO — соединение белого цвета. Из-за избытка цинка относительно стехиометрического состава ZnO обладает при
месной электронной проводимостью. Оксид цинка растворяется в кислотах и щелочах, проявляя как основные, так и кислотные свойства. Наиболее широко ZnO применяют в радиоэлектронике для изготовления самоактивированного люминофора ZnO:Zn, цвет свечения которого сине-зеленый. В последние годы на основе порошкообразного оксида цинка получают комплексные соединения, которые используют в качестве варисторов для вентильных разрядников (см. гл. 8.7.2), а также в качестве фоточувствительного слоя электрофотографических бумаг.
Дата добавления: 2015-08-09; просмотров: 185 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Германий | | | ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ И СВОЙСТВАХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ |