емпературу.
Рисунок 2. Фотография тигля. 1 – тигель. 2 – шихта, 3 SiC – монокристаллы.

Этот метод позволил получить политипно-однородные кристаллы неправильной шестиугольной формы. С куда более чистыми образцами удалось установить, что Карбид Кремния – полупроводник с непрямой зонной структурой. Также было открыто множество других свойств и характеристик, о которых будет рассказано позже. Важным для электроники является то, что Карбид Кремния имеет высокую температуру роста (>2000^о C), тяжело обрабатывается и плохо травится. Отчего промышленность 50-х годов снова потеряла к нему интерес.

В 1970 году Ю. А. Водаков и Е. П. Мохов предложили сублимационный сэндвич-метод выращивания эпитаксиальных (наращенных на материале) слоев SiC. Этим методом удавалось управляемо получить слои n- и p- проводимости, то есть создавать p-n структуры. Основной особенностью сэндвич-метода или метода малых промежутков является то, что источником и затравкой служат кристаллы полупроводникового материала. Процесс выращивания кристаллов здесь и далее не будет рассматриваться подробно, так как это область исследования других дисциплин, изучаемых на старших курсах.

С использованием затравок удалось добиться создания больших монокристаллов. Цветков В. Ф. и Таиров Ю. М. в 1979 году предложили метод «Физического транспорта паров» (Physical Vapor Transport - PVT). Также этот метод называют «модифицированным методом Лели».

На основе этих технологий и их модификаций в ФТИ им. Иоффе к середине 80-х годов было разработано несколько SiC-полупроводниковых приборов и проведены обширные исследования электрофизических свойств Карбида Кремния.

Самым современным и эффективным методом эпитаксии плёнок 3C-SiC является газотранспортный метод С. Нишино. Применение стандартного технологического оборудования и подложек большого размера открыло возможность использовать полученные результаты для создания коммерческих изделий. Было создано несколько типов полевых транзисторов. Хотя их характеристики оказались не удовлетворительными по сравнению с современным применением. Обычно такие пленки 3C-SiC используют для создания мембран и тензодатчиков (измеритель уровня деформации).

Вскоре были отработаны режимы роста 6H-SiC пленок на подложках 6H-SiC. Комбинация модифицированного метода Лели, газотранспортной эпитаксии с последующим плазмохимическим травлением и металлизацией поверхности позволило создавать качественные SiC приборы:
светодиоды синей области спектра, фотоприемники УФ-диапазона, выпрямительные диоды, полевые и биполярные транзисторы, тиристоры.

---

2.2. Методы получения GaN

В настоящее время известны четыре способа получения нитрида галия:

1. 
   Непосредственный синтез азотированием галлия. Кристаллы нитрида галлия выращивают прямым синтезом из элементов N и Ga при давлении 100 атм в атмосфере азота N₂ и температуре 750 °C. Повышенное давления газовой среды необходимо для осуществления реакции галлия и азота при относительно невысоких температурах; в условиях низкого давления галлий не вступает в реакцию с азотом ниже 1000 °C.
   
2. 
   Нагревание Ga в токе NH­₃ при температуре 1200 °C.
   
3. 
   Разложение (NH₄)₃GaF₆ (GaCl^.NH₃) в токе NH_3­ ­при температуре 900 °C
   
4. 
   Восстановление оксида Галлия с азотированием при температуре 1100-1200 °C
   

На данный момент подавляющее большинство методов синтеза Нитрида Галлия основано на реакции взаимодействия аммиака с Галлийсодержащим порошком. Но высокая температура и длительность процесса ограничивает его применение в широких масштабах.

Перспективным методом синтеза может быть высокотемпературное горение смеси порошкообразного оксида Галлия с нанопорошком алюминия в атмосфере воздуха.
3. СВОЙСТВА МОЛЕКУЛ

3.1 Описание молекулы карбида кремния.
Свойства карбида кремния сильно зависят от его кристаллической структуры. На данный момент известно примерно 250 кристаллических форм карбида кремния, из них обширное применение имеет 3.

Молекула SiC образована ковалентной связью с тетраэдрической координацией атомов. Гибридизация валентных электронов углеродного атома сопровождается искажением их электронных облаков. Вместо конфигурации, свойственных s- и p-состояниям, облака каждого электрона при sp³-гибридизации приобретают резко ассиметричную форму, вытянутую в одну сторону от ядра атома и одинаковую для всех четырёх электронов. Аналогичная картина наблюдается в кристаллических веществах с тетраэдрической координацией атомов, к которой относится и SiC.

Как известно ковалентная связь характеризуется высокой прочностью, что означает высокую твердость и высокую температуру плавления.

Полиморфизм SiC характеризуется большим количеством схожих кристаллических структур, называемых политипами. Они являются вариациями одного и того же химического соединения, которые идентичны в двух измерениях, но отличаются в третьем. Таким образом, их можно рассматривать как слои, сложенные в стопку в определённой последовательности.

---

Альфа-карбид кремния (α-SiC) является наиболее часто встречающимся полиморфом. Эта модификация образуется при температуре свыше 1700 °C и имеет гексагональную решётку, кристаллическая структура типа вюрцита.

Бета-модификация (β-SiC), с кристаллической структурой типа цинковой обманки (аналог структуры алмаза), образуется при температурах ниже 1700 °C. До недавнего времени бета-форма имела сравнительно небольшое коммерческое использование, однако в настоящее время в связи с использованием его в качестве гетерогенных катализаторов интерес к ней увеличивается. Нагревание бета-формы до температур свыше 1700 °C способно приводить к постепенному переходу кубической бета-формы в гексагональную (2Н, 4Н, 6Н, 8Н) и ромбичеcкую (15R).

Чистый карбид кремния бесцветен. Его оттенки от коричневого до чёрного цвета связаны с примесями железа. Радужный блеск кристаллов обусловливается тем, что при контакте с воздухом на их поверхности образуется плёнка из диоксида кремния, что приводит к пассивированию внешнего слоя.

Карбид кремния является весьма инертным химическим веществом: практически не взаимодействует с большинством кислот, кроме концентрированных фтористоводородной (плавиковой), азотной и ортофосфорной кислот. Способен выдерживать нагревание на открытом воздухе до температур порядка 1500 °C. Карбид кремния не плавится при любом известном давлении, но способен сублимировать при температурах свыше 1700 °C.
Р
исунок 3. Схематичное изображение (β) 3C – SiC структуры





Р
исунок 4. Схематичное изображение 4H – SiC структуры
Рисунок 5. Схематичное изображение 6H – SiC структуры

3.2. Описание молекулы нитрида галлия

П
о физическим свойствам нитрид галлия во многом схож с карбидом кремния. Это также бинарное ковалентное соединение с кристаллической структурой типа вюрцита, но без полиморфизма.

Рисунок 6. Элементарная ячейка GaN. Зеленые атомы – Ga. Коричневые – N.

GaN тугоплавок, тверд, обладает высокой теплопроводностью, но ниже, чем у карбида кремния. При нормальных условиях – бесцветный прозрачный кристалл.

---

Дальнейшее рассмотрение свойств, в первую очередь, важных для электротехники, бессмысленно без уточнения применения этих свойств. Поэтому, прежде чем рассматривать эти свойства, в данном реферате будут рассмотрены устройства на основе SiC и GaN, а после они будут сравнены с кремниевыми и GaNAl устройствами с рассмотрением характеристик молекул и веществ.

4. 
   ДИОДЫ И ТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ SiC и GaN
   

1. 
   p-n, p-n-p и n-p-n переходы, диоды и транзисторы
   

Не смотря на, казалось бы, общедоступное и необходимое понимание принципа работы p-n, n-p-n и p-n-p переходов, в курсе обучения они пока не были рассмотрены. Поэтому, прежде чем рассказывать о особенностях устройства переходов в полупроводниковых компонентах на основе карбида кремния и нитрида галлия, нужно вкратце рассказать о переходах в общем.

p-n переход другими словами можно назвать «электронно-дырочным переходом», от английского p – positive (положительная/дырочная) и n – negative (отрицательная/отрицательная) область. Соответственно p-n переход – это область соприкосновения полупроводников с указанными типами проводимости. Простейшим устройством основанным на p-n переходе является диод.

Р
исунок 7. Схематическое устройство диода и его обозначение на принципиальных электрических схемах.
В зависимости от материалов, используемых при создании p-n переходов, примесей в них и легирования получен огромный набор самых разных диодов для различных целей. В данном реферате будут рассмотрены только самые подходящие диоды и транзисторы для карбида кремния и нитрида галлия.

Рассмотрим работу p-n перехода на основе выпрямительного диода.

Если к аноду диода приложить внешнее напряжение по направлению к катоду (против направления поля в переходе), то динамическое равновесие нарушится и диффузный ток (усредненный в одном направлении) начнет преобладать над дрейфовым (хаотичным движением электронов), быстро нарастая с увеличением напряжения. Это явление называется прямым смещением. Диод не идеален, поэтому обладает некоторым сопротивлением и вносит изменения в протекающий через себя ток. При достижении определенный силы тока диод не сможет рассеять мощность и выйдет из строя. Сила тока, при которой происходит выход из строя диода при постоянной и длительной работе называется максимальным прямым током I

---

_{пр. макс.}

Если к катоду диода приложить внешнее напряжение по направлению к аноду (по направлению поля в переходе), то это приведет к увеличению толщины слоев пространственного заряда. Сопротивление на диоде увеличится, малый дрейфовый ток будет преобладать над диффузным при идеальном диоде. Это явление называется обратным смещением. В реальном же диоде малый диффузный ток присутствует, и называется током утечки (или обратным током) I_ут. Важно подбирать диоды так, чтобы ток утечки не влиял на работу цепи существенно. При увеличении напряжения под воздействием внешнего поля p-n барьер будет «пробит» и ток потечет через пробитый диод. Такое напряжение называют напряжением пробоя U­_пр­,, а тип пробоя - лавинным_. При еще большем увеличении обратного напряжения резко увеличится сопротивление на диоде, и он просто сгорит, не сумев рассеять приложенную мощность. Такой пробой называется тепловым или невосстановимым.

Простейший пример применения выпрямительных диодов – диодный мост, преобразующий ток переменного напряжения в постоянное.

Помимо p-n перехода, можно создать комбинацию из переходов p-n-p и n-p-n. Простейшими устройствами использующие свойства данных переходов называются биполярными транзисторами с каналами N типа и P типа проводимости соответственно.

Р исунок 8. NPN биполярный транзистор и его обозначение на схеме

Рисунок 9. PNP биполярный транзистор транзистор и его обозначение на схеме
Устройство транзисторов еще более понятно после ознакомления с устройством диодов. Рассмотрим их устройство на примере биполярного транзистора. В основе лежат все те же p-n переходы, только после p-n перехода добавляется еще один слой полупроводника p типа, либо аналогично с n-p-n. Порядок расположения разных слоев влияет на положение слоя p-n, который все так же подвержен прямому и обратному смещению.

Биполярный транзистор состоит из трех функциональных элементов. Эмиттер, Коллектор и База. Эмиттер и коллектор имеют проводимость одинакового типа n или p, база – отличную от них. В зависимости от способов подключения биполярный транзистор может выполнять различные функции, но рассматривать их сейчас мы не будем.

Рассмотрим NPN биполярный транзистор. В связи с наличием двух p-n переходов в разном направлении ток от коллектора к эмиттеру течь не будет по причине наличия хотя бы одного потенциального барьера. Вне зависимости от полюсов. Но если на тонкий P слой подать ток той же полярности что и на эмиттере, то электроны N области эмиттера устремятся в P область базы и начнут движение по дыркам. Но так как P слой тонкий и свободных дырок для всех электронов не хватает, то они остаются в P области, которая практически превращается в N область. На базе практически формируется N область, но и на коллекторе N область, также от эмиттера имеется разность потенциалов. В итоге те электроны что не смогли уйти по базе отправляются в коллектор. Притом количество электронов, а значит и сила тока будет прямо пропорционально зависеть от приложенному к управляющей цепи (базе) току.

---

Смотрите также файлы

• Урок в 11 классе Картонных папок стеллажи былого века залежи. Продолжите фразы бд это.pptx

• Алгоритм и программа. Способы записи алгоритмов.docx

• Контрольная работа по дисциплине Иностранный язык Щелкунова В. А. (1ЗмФД) Проверил Заболотских Л. В.docx

• Задача директора(начальника).pptx

• Рома самое ценное в моей жизни это семья! Юлиана.docx