Файл: Реферат по дисциплине Актуальные проблемы современного приборостроения.doc
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 186
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
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 (>2000о 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 GaNВ настоящее время известны четыре способа получения нитрида галия:
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 структурыРисунок 5. Схематичное изображение 6H – SiC структуры3.2. Описание молекулы нитрида галлияП 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.
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) Iут. 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 Uпр,, 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 схемеУстройство 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.
2.2. Методы получения GaNВ настоящее время известны четыре способа получения нитрида галия:
-
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. -
Нагревание Ga в токе NH3 при температуре 1200 °C. -
Разложение (NH4)3GaF6 (GaCl.NH3) в токе NH3 при температуре 900 °C -
Восстановление оксида Галлия с азотированием при температуре 1100-1200 °C
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 структурыРисунок 5. Схематичное изображение 6H – SiC структуры3.2. Описание молекулы нитрида галлияП 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.
-
ДИОДЫ И ТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ SiC и GaN
-
p-n, p-n-p и n-p-n переходы, диоды и транзисторы
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) Iут. 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 Uпр,, 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 схемеУстройство 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.