Полупроводники, применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике (См. Полупроводниковая электроника) используют главным образом кристаллические П. м. Большинство из них имеет кристаллическую структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры Алмаза.

Значительную роль в развитии полупроводниковой техники сыграл Селен: селеновые выпрямители долгое время оставались основными полупроводниковыми приборами, получившими массовое применение.

В начале 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые П. м. - Кремний и Германий. Обычно их изготовляют в виде массивных Монокристаллов, легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10^-3-10⁴ ом․см получают преимущественно методом вытягивания из расплава (по Чохральскому), а легированные монокристаллы Ge с удельным сопротивлением 0,1-45 ом․см получают, кроме того, зонной плавкой (См. Зонная плавка). Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, Al, Ga, In) - дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов (См. Полупроводниковый диод), Транзисторов, интегральных микросхем и т.д.

Большую группу П. м. составляют химические соединения типа A^III B^V (элементов III группы с элементами V группы) - арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb, AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Синтез и выращивание монокристаллов обычно производят в замкнутых сосудах из высокотемпературных химически инертных материалов, обладающих высокой прочностью, поскольку давление насыщенного пара над расплавом таких элементов, как Р и As, сравнительно велико. Примеси элементов II группы придают этим П. м., как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы - электронную. П. м. этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах (См. Полупроводниковый лазер), светоизлучающих диодах (См. Светоизлучающий диод), Ганна диодах, фотоэлектронных умножителях (См. Фотоэлектронный умножитель), в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн.

П. м. типа AⁱⁱB^vi из которых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преимущественно с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих П. м. определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование П. м. этого типа связано главным образом с их оптическими свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в Фоторезисторах, Фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения (см. Модуляция света) и т.д.

К П. м. относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Te, и оксидные системы, например V₂O₅ - P₂O₅ - R_xO_y, где R - металлы I - IV групп, х - число атомов металла и у - число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении.

Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Элемент, | Наиме- | Ширина | Подвижность | Кристал- | Постоян- | Темпера- | Упругость |

| тип | нование | запрещенной | носителей | лическая | ная | тура | пара при |

| соедине- | материа- | зоны, эв | заряда, 300 K, | структура | решётки, Å | плавле- | темпера- |

| ния | ла | | см²/(в․сек) | | | ния, °С | туре плавле- |

| | |---------------------------------------------------------| | | | ния, атм |

| | | при | при 0 К | элек- | дырки | | | | |

| | | 300 К | | троны | | | | | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Элемент | С (алмаз) | 5,47 | 5,51 | 1800 | 1600 | алмаз | 3,56679 | 4027 | 10^-9 |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | Ge | 0,803 | 0,89 | 3900 | 1900 | типа алмаза | 5,65748 | 937 | |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | Si | 1,12 | 1,16 | 1500 | 600 | " | 5,43086 | 1420 | 10^-6 |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | α-Sn | | Полупроводниковые материалы0,08 | | | " | 6,4892 | | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| IV-IV | α-SiC | 3 | 3,1 | 400 | 50 | типа | 4,358 | 3100 | |

| | | | | | | сфалерита | | | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| III-V | AISb | 1,63 | 1,75 | 200 | 420 | типа | 6,1355 | 1050 | <0,02 |

| | | | | | | сфалерита | | | |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | BP | 6 | | | | " | 4,538 | >1300 | >24 |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | GaN | 3,5 | | | | типа | 3,186 (по | >1700 | >200 |

| | | | | | | вюртцита | оси a) | | |

| | | | | | | | 5,176 (по | | |

| | | | | | | | оси с) | | |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | GaSb | 0,67 | 0,80 | 4000 | 1400 | типа | 6,0955 | 706 | <4․10^-4 |

| | | | | | | сфалерита | | | |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | GaAs | 1,43 | 1,52 | 8500 | 400 | то же | 5,6534 | 1239 | 1 |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | GaP | 2,24 | 2,40 | 110 | 75 | " | 5,4505 | 1467 | 35 |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | InSb | 0,16 | 0,26 | 78000 | 750 | " | 6,4788 | 525 | <4․10^-5 |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | InAs | 0,33 | 0,46 | 33000 | 460 | " | 6,0585 | 943 | 0,33 |

| |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | InP | 1,29 | 1,34 | 4600 | 150 | " | 5,8688 | 1060 | 25 |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| II-VI | CdS | 2,42 | 2,56 | 300 | 50 | типа | 4,16 (по | 1750 | |

| | | | | | | вюртцита | оси a) | | |

| | | | | | | | 6,756 (по | | |

| | | | | | | | оси с) | | |

| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |

| | CdSe | 1,7 | 1,85 | 800 | | типа | 6,05 | 1258 | |

| | | | | | | сфалерита | | | |

| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |

| | ZnO | 3,2 | | 200 | | кубич. | 4,58 | 1975 | |

| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |

| | ZnS | 3,6 | 3,7 | 165 | | типа | 3,82 (по | 1700 | |

| | | | | | | вюртцита | оси a) 6,26 | | |

| | | | | | | | (по оси с) | | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| IV-VI | PbS | 0,41 | 0,34 | 600 | 700 | кубич. | 5,935 | 1103 | |

| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |

| | PbTe | 0,32 | 0,24 | 6000 | 4000 | то же | 6,460 | 917 | |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

П. м. в широких пределах изменяют свои свойства с изменением температуры, а также под влиянием электрических и магнитных полей, механических напряжений, облучения и др. воздействий. Этим пользуются для создания различного рода Датчиков.

П. м. характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик П. м., например ширина запрещенной зоны и эффективная масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации химических примесей и степени совершенства кристаллической решётки. Но многие параметры практически полностью определяются концентрацией и природой химических примесей и структурных дефектов. Некоторые физические свойства важнейших П. м. приведены в таблице.

В электронных приборах П. м. используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических слоев (толщиной от долей мкм до нескольких сотен мкм), нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки (см. Микроэлектроника). В таких устройствах П. м. должны обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств П. м. в пределах монокристалла или слоя, а также степень совершенства их кристаллической структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).

В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству структуры П. м. технология их производства весьма сложна и требует высокой стабильности технологических режимов (постоянства температуры, расхода газовой смеси, продолжительности процесса и т.д.) и соблюдения специальных условий, в частности т. н. полупроводниковой чистоты аппаратуры и помещений (не более 4 пылинок размером свыше 0,5 мкм в 1 л воздуха). Продолжительность процесса выращивания монокристаллов в зависимости от их размеров и вида П. м. составляет от нескольких десятков мин до нескольких сут. При обработке П. м. в промышленных условиях используют процессы резания П. м. алмазным инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами, термической обработки, травления щелочами и кислотами.

Контроль качества П. м. весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры П. м.: химический состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава П. м. обычно пользуются оптическими, спектральными, масс-спектроскопическими и активационными методами. Электрофизические характеристики измеряют т. н. зондовыми методами или используют Холла эффект. Совершенство структуры монокристаллов исследуют методами рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Толщину слоев измеряют либо бесконтактными оптическими методами, либо методами сошлифовки слоя.

Лит.: Технология полупроводниковых материалов, пер. с англ., М., 1961; Родо М., Полупроводниковые материалы, пер. с франц., М., 1971; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973; Палатник А. С., Сорокин В. К., Основы пленочного полупроводникового материаловедения, М., 1973; Кристаллохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ, М., 1973.

Ю. Н. Кузнецов, А. Ю. Малинин.

материалы, применяемые в электротехнических и радиотехнических устройствах для разделения токоведущих частей, имеющих разные потенциалы, для увеличения ёмкости конденсаторов, а также служащие теплопроводящей средой в электрических машинах, аппаратах и т. п. В качестве Э. м. используют Диэлектрики, которые по сравнению с проводниковыми материалами обладают значительно большим удельным объёмным электрическим сопротивлением ρ_v = 10⁹-10²⁰ ом·см (у проводников 10^-6-10^-4 ом·см). Основные характеристики Э. м.: удельное объёмное и поверхностное сопротивления ρ_v и ρ_s, относительная Диэлектрическая проницаемость ε, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости 1/ε·dε/dTград^-1, угол диэлектрических потерь δ, электрическая прочность Е_пр (напряжённость электрического поля, при которой происходит пробой, см. Пробой диэлектриков). При оценке Э. м. учитывают также зависимость этих характеристик от частоты электрического тока и величины напряжения.

Э. м. можно классифицировать по нескольким признакам: агрегатному состоянию, химическому составу, способам получения и т. д. В зависимости от агрегатного состояния различают твёрдые, жидкие и газообразные Э. м. Твёрдые Э. м. составляют наиболее обширную группу и в соответствии с физико-химическими свойствами, структурой, особенностями производства делятся на ряд подгрупп, например слоистые пластики, бумаги и ткани, лакоткани, слюды и материалы на их основе, электрокерамические и др. К этим же материалам условно можно отнести лаки, заливочные и пропиточные составы, которые, хотя и находятся в жидком состоянии, но используются в качестве Э. м. в затвердевшем состоянии. Электрическая прочность твёрдых Э. м. (при 20 °С и частоте электрического тока 50 гц) лежит в пределах от 1 Мв/м (например, для некоторых материалов на основе смол) до 120 Мв/м (например, для полиэтилентерефталата). (О применении и получении твёрдых Э. м. см. в ст. Изоляция электрическая, Изолятор, Лаки, Слюда (См. Слюды), Стеклопластики, Пластические массы, Компаунды полимерные, Смолы синтетические.) Жидкие Э. м. - Электроизоляционные масла, в том числе нефтяные, растительные и синтетические. Отдельные виды жидких Э. м. отличаются друг от друга Вязкостью и имеют различные по величине электрические характеристики. Лучшими электрическими свойствами обладают конденсаторные и кабельные масла. Электрическая прочность жидких Э. м. при 20 °С и частоте 50 гц обычно находится в пределах 12-25 Мв/м, например для трансформаторных масел 15-20 Мв/м (см. также Жидкие диэлектрики). Существуют полужидкие Э. м. - Вазелины. Газообразные Э. м. - воздух, элегаз (гексафторид серы), фреон-21 (дихлорфторметан). Воздух является естественным изолятором (воздушные промежутки в электрических машинах, аппаратах и т. п.), обладает электрической прочностью около 3 Мв/м. Элегаз и фреон-21 имеют электрическую прочность около 7,5 Мв/м, применяются в качестве Э. м. в основном в кабелях и различных электрических аппаратах.

По химическому составу различают органические и неорганические Э. м. Наиболее распространённые Э. м. - неорганические (слюда, керамика и пр.). В качестве Э. м. используют природные (естественные) материалы и искусственные (синтетические) материалы. Искусственные Э. м. можно создавать с заданным набором необходимых электрических и физико-химических свойств, поэтому такие Э. м. наиболее широко применяют в электротехнике и радиотехнике. В соответствии с электрическими свойствами молекул вещества различают полярные (дипольные) и неполярные (нейтральные) Э. м. К полярным Э. м. относятся бакелиты, совол, галовакс, поливинилхлорид, многие кремнийорганические материалы; к неполярным - водород, бензол, четырёххлористый углерод, полистирол, парафин и др. Полярные Э. м. отличаются повышенной диэлектрической проницаемостью и несколько повышенной электрической проводимостью и гигроскопичностью.

Для твёрдых Э. м. большое значение имеют механические свойства: прочность при растяжении и сжатии, при статическом и динамическом изгибе, твёрдость, обрабатываемость, а также тепловые свойства (теплостойкость и нагревостойкость), влагопроницаемость, гигроскопичность, искростойкость и др. Теплостойкость характеризует верхний предел температур, при которых Э. м. способны сохранять свои механические и эксплуатационные свойства. Нагревостойкость Э. м. - способность выдерживать воздействие высоких температур (от 90 до 250 °С) без заметных изменений электрических характеристик материала. В электромашиностроении принято деление Э. м. на 7 классов. Наиболее нагревостойкие Э. м. - неорганические материалы (слюда, фарфор, стекло без связующих или с элементоорганическими связующими). Для хрупких материалов (стекло, фарфор) важна также способность выдерживать перепады температур. Осуществляя электрическое разделение проводников, Э. м. в то же время не должны препятствовать отводу тепла от обмоток, сердечников и других элементов электрических машин и установок. Поэтому важным свойством Э. м. является теплопроводность. Для повышения коэффициента теплопроводности в жидкие Э. м. добавляют минеральные наполнители. Большинство Э. м. в той или иной мере поглощают влагу (гигроскопичны). Для повышения влагонепроницаемости пористые Э. м. пропитывают маслами, синтетическими жидкостями, компаундами. К абсолютно влагостойким можно отнести лишь глазурованный фарфор, стекло и т. п.

Лит.: Электротехнический справочник, 5 изд., т. 1, М., 1974.

А. И. Хоменко.

изоляторы - газообразные, жидкие или твердые материалы, которые не проводят электрический ток.

Газообразные изоляторы. Коронный разряд. Одним из наиболее известных и распространенных изоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной температуре. Для низких напряжений удельное электрическое сопротивление такого воздуха составляет ок. 1018 Ом?см. Когда напряженность электрического поля поперек однородной воздушной щели достигает 30 кВ/см, проводимость увеличивается, так как начинается фотоионизация воздуха и в конце концов между электродами проскакивает искра. Если геометрия электродов разнородна, как, например, в случае острия и плоскости или провода линии электропередачи над поверхностью земли, вокруг острия или провода при достаточно большой напряженности электрического поля возникает светящаяся область ионизованного воздуха, называемая коронным разрядом. Ток коронного разряда возрастает с увеличением напряжения, и в конце концов возникает искра или дуга в зависимости от мощности источника и сопротивления внешней цепи.

Электрическая прочность. Повышение давления воздуха приводит к увеличению напряжения коронного разряда и напряженности электрического поля, при которой происходит пробой для рассматриваемой системы электродов. Согласно закону Пашена, в однородном электрическом поле напряжение пробоя не изменится, если при уменьшении межэлектродного зазора во столько же раз увеличить давление газа в зазоре. Такие распространенные газы, как азот, кислород и двуокись углерода, по своей изолирующей способности близки к воздуху при атмосферном давлении. Некоторые пары, особенно те, что содержат серу, хлор или фтор, такие, как гексафторид серы (SF6), четыреххлористый углерод (CCl4) и фреон-12 (CCl2F2), имеют втрое большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Влияние давления на напряжение пробоя для некоторых материалов показано на рисунке.

Электроизолирующие свойства газов оказываются наихудшими при давлениях от 1 до 0,01 кПа. Прохождение тока через газ при таких давлениях сопровождается ярким свечением (например, в ртутных или неоновых лампах). Это явление называется тлеющим разрядом.

Жидкие диэлектрики. Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 1012 Ом?см). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана . Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

Твердые диэлектрики. К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.

Вакуум как изолятор. Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10?2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случае говорят об изоляции высоким вакуумом. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде - при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой.

Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований.

Конденсаторы. Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеют многообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектов индуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений. Емкость конденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путем определения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжения между обкладками. Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE2 и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е - в вольтах (В).

Низковольтные конденсаторы. Для слаботочных и низковольтных приложений, таких, как радио- и телефонные сети и низковольтные выпрямители, конденсаторы изготавливаются обычно из слоев алюминиевой или другой металлической фольги, разделенных диэлектриком из одного или нескольких слоев пропарафиненной бумаги. Очень компактный низковольтный конденсатор - т.н. электролитический - изготавливается нанесением (посредством электролитического осаждения) тонкой изолирующей оксидной пленки на поверхность металлической фольги; при этом достигается достаточно высокая емкость на единицу площади поверхности конденсатора. Полученный материал наматывается в виде обмотки компактных размеров.

Высоковольтные конденсаторы. В конденсаторах для высоких напряжений, которые используются в радиопередающих устройствах, в качестве изолятора часто применяется слюда. Конденсаторы для очень высоких напряжений обычно изготавливаются из металлической фольги с большим числом слоев диэлектрической бумаги, помещенных в заполненный маслом контейнер, или из металлических пластин, разделенных газообразным или жидким диэлектриком. В таких конструкциях для высокочастотных конденсаторов, в которых важно иметь низкие диэлектрические потери, в качестве диэлектрика используется и вакуум. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
.