1tom096

5. MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE 194

ładunku. Wzrost przewodnictwa przy wyższych temperaturach (odcinek 3) jest wywołany wzrostem przewodnictwa samoistnego.

Charakterystyka logarytmu konduktywności w funkcji odwrotności temperatury bezwzględnej lgy = w w przypadku półprzewodnika wykazującego wyłącznic przewodnictwo samoistne (półprzewodnika samoistnego) jest w przybliżeniu linią prostą (rys. 5.8a). W słabych polach elektrycznych charakterystyka y = <?(E) półprzewodnika jest liniowa. W silnych polach natomiast, ze wzrostem natężenia pola następuje wzrost nośników ładunku, a tym samym i wzrost konduktywności powodujący nieliniowość tej charakterystyki.

5.4.2.2. Właściwości złącz i styków

Połączenie półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n wykonuje się zazwyczaj w pojedynczym krysztale, w którym przez wprowadzenie odpowiednich domieszek uzyskuje się obszary o różnym typie przewodnictwa. Ze względu na brak wyraźnej granicy pomiędzy tymi obszarami, połączenie to nosi nazwę złącza p-n (w przeciwieństwie do określenia styk). Złącze p-n wykazuje właściwości zaporowe wtedy, gdy półprzewodnik typu n jest połączony z dodatnim biegunem źródła prądu (typu p-z ujemnym); w przeciwnym przypadku — wykazuje właściwości przewodzenia.

Styk mctal-półprzewodnik może mieć właściwości zaporowe w jednym kierunku lub jednakowe właściwości przewodzące w obydwu kierunkach w zależności od typu półprzewodnika (p czy n) oraz rodzaju metalu, a ściślej — od różnicy pracy wyjścia elektronu z metalu i półprzewodnika.

5.43. Materiały półprzewodnikowe

Do roku 1960 najczęściej używanym materiałem półprzewodnikowym był german Ge, po 1960 r. — krzem Si. Coraz szersze zastosowanie techniczne znajdują związki oznaczone A¹" B^v, gdzie A"' jest pierwiastkiem z trzeciej grupy, B^N — z piątej grupy układu okresowego. Spośród tych związków powszechnie jest stosowany arsenek galu GaAs. Właściwości krzemu, germanu oraz ważniejszych związków półprzewodnikowych A"¹ B' podano w tabl. 5.12. Krzem jest stosowany zarówno w urządzeniach cncrgoelektronicznych, jak i w technice wielkich częstotliwości. Złącza p-n krzemowe w porównaniu do złącz p-n germanowych charakteryzują się wyższą dopuszczalną temperaturą pracy oraz mniejszymi (o kilka rzędów wielkości) prądami wstecznymi. Rczystywność teoretyczna, wynikająca z przewodnictwa samoistnego, w temperaturze 300 K w przypadku krzemu wynosi 2,3 • 10⁵ D cm, zaś germanu — 47 D cm. Krzem i german stosuje się na ogół jako półprzewodniki domieszkowane na złącza p-n. W tablicy 5.13 podano wartości energii jonizacji stanów domieszkowych w Ge i Si.

Tablica 5.13. Energia jonizacji stanów domieszkowych w germanie i krzemie, wg [5.17; 5.18: 5.22; 5.28; 5.33]

Rodzaj domieszki	Donor D lub akceptor A	Energia jonizacji. eV
		Ge	Si
B	A	0.0104	0,045
Al	A	0.0102	0.057
Cia	A	0.0108	0.065
In	A	0.0112	0.160
P	D	0.0120	0.044
As	D	0.0127	0.049
Sb	D	0.0096	0,039
Bi	D	-	0.069

Tablica 5.12. Właściwości krzemu i germanu oraz ważniejszych związków półprzewodnikowych A^IMB^V, wg [5.17; 5.18; 5.22; 5.28; 5.33]

Pierwiastek lub związek	Tempera tura topnienia ^SC	Szerokość pasma wzbronio nego eV	Ruchliwość ładunku cm^2/ elektronów	nośników w 300 K V’S) dziur
Si	1420	1,1	1300	500
Ge	937	0,7	3900	1900
AJSb	1060	1,49	900	400
GaP	1465	2,25	300	150
GaAs	1238	1,38	8600	250
GaSb	706	0,68	5000	1000
lnP	1070	1,27	5300	100
In As	940	0.36	33000	450
InSb	525	0,17	80000	7000

Właściwości półprzewodników mają niektóre ciała bezpostaciowe lub o bardzo małym stopniu uporządkowania (polikrystaliczne). Ciała te nazwano półprzewodnikami amorficznymi (bezpostaciowymi). Typowym przedstawicielem półprzewodników amorficznych jest poli-luystaliczny krzem nasycony wodorem, zwany potocznie krzemem amorficznym. Ma on właściwości półprzewodnika samoistnego; przez odpowiednie domieszkowanie otrzymuje właściwości półprzewodnika typu n iub p. Cechy półprzewodnika amorficznego ma również, w polikrystalicznej postaci, arsenek galu GaAs. Zarówno krzem amorficzny, jak \ polikrystaliczny GaAs znajdują zastosowanie w ogniwach fotoelektrycznych. Ogniwa te wykonuje się również ze związków pierwiastków z II i VI grupy układu okresowego, takich jak np. siarczek kadmu CdS.

5.4.4. Tworzywa syntetyczne półprzewodzące

Właściwości półprzewodzące (odpowiednie wartości konduktywności) nadaje się tworzywom syntetycznym przez dodanie do nich proszków lub zawiesin koloidalnych stopów metali i ich tlenków, a także węgla w postaci sadzy lub grafitu. Rezystywność tak otrzymanych kompozycji wynika głównie z właściwości składnika przewodzącego, ponieważ rezystywność osnowy, która ma cechy materiału izolacyjnego, pozostaje nadal duża. Zależność rezystywno-ści tworzyw półprzewodzących od temperatury jest uwarunkowana zachowaniem się fazy przewodzącej.

Gumy półprzewodzące są specjalnym rodzajem mieszanek gumowych, których rezystywność zmniejsza się celowo (nawet do kilku omocentymetrówj przez stosowanie odpowiedniej ilości takich dodatków jak sadza acetylenowa i grafit.

Charakterystyczną właściwością gumowych mieszanek półprzewodzących jest zależność ich rezystywności od wydłużenia. Przy niewielkich wydłużeniach (do ok. 6%) rezystywność zwiększa się w przybliżeniu proporcjonalnie do wydłużenia i po usunięciu naprężenia rozciągającego wraca z pewnym opóźnieniem do wartości początkowej. Przy wydłużeniach większych (do ok. 30%) rezystywność zwiększa się bardzo znacznie i nieodwracalnie. Do wytwarzania gum półprzewodzących są stosowane kauczuki zarówno naturalne, jak i syntetyczne. Kauczuki syntetyczne — perbunan i neopren — odznaczają się dość małą rezystywności ą.

Polietylen półprzewodzący — stosowany w elektrotechnice — zawiera domieszkę sadzy aktywnej, która jednocześnie stanowi inhibitor, zmniejszający skłonność polietylenu do utleniania. Pomimo, że sadza ma tendencje do tworzenia agregacji przestrzennych, uzyskanie granulatu polietylenu półprzewodzącego, który w końcowej postaci wyrobu wykazywałby jednorodne właściwości, jest rzeczą trudną. Poza czynnikami takimi jak stopień rozdrobnienia mieszanych substancji, masa cząsteczkowa polimeru, stosunek składników itp., na rezystywność materiału wywiera rówmież wpływ sposób jego przetwarzania.

Obecnie polietyleny półprzewodzące są produkowane w kilku odmianach, a mianowicie; jako termoplastyczne oraz. podatne na sieciowanie (chemiczne, radiacyjne), a także jako wykazujące dużą lub małą przyczepność do polietylenu izolacyjnego. Polietylen półprzewodzący może zawierać również dodatki lub napełniacze uzupełniające.

5-4.5. Warystory

Warystory są półprzewodnikowymi rezystorami zmiennooporowymi o charakterystyce napięciowo-prądowej odznaczającej się dużą nieliniowością. Typową statyczną charakterys-l.ykę napiędowo-prądową warystora przedstawiono na rys. 5.9a. Charakterystykę tę podaje ^S1? zazwyczaj w skali logarytmicznej (rys. 5.9b). Można w niej wyróżnić dwa obszary ograniczone prawie prostoliniowymi odcinkami (o różnym kącie nachylenia). Każdy z. tych odcinków' można aproksymować zależnością

U = CI⁰    (5.4)

^w. której: V — napięcie warystora, I — prąd warystora, C — stała, fl — współczynnik

nieliniowości.

13*