Печать
Опубликовано: 02 апреля 2014 02 апреля 2014
Просмотров: 12515 12515

       Основным сырьем для изготовления нелинейных полупроводниковых сопротивлений является технический карбид кремния - соединение двух элементов IV группы таблицы Д. И. Менделеева - кремния и углерода, соответствующее формуле SiC. Карбид кремния стехиометрического состава содержит 70,045% Si и 29,955% С, в природе практически не встречается.

              Технический карбид кремния изготовляется в электрических печах при восстановлении двуокиси кремния углеродом по уравнению:

SiO2+3C=SiC+2CO

В зависимости от сырья и проведения технологического процесса получаются кристаллы карбида кремния различной окраски. Чистый карбид кремния стехиометрического состава бесцветен. Поэтому даже по внешнему виду можно заключить, что технический карбид кремния весьма насыщен примесями, которые могут быть, как и компонентами чужеродных элементов, так и примесями, являющимися превышением той или иной компоненты над стехиометрическим составом. Так например добавка в шихту поваренной соли или элементов V группы (N, Р, As, Sb, Bi) дает SiC зеленую окраску, добавление элементов II группы (Са, Mg) и III группы (В, Al, Ga, In) дает голубую и фиолетовую окраску (в толстых слоях черную).

Электропроводность порошкообразного карбида кремния зависит от электропроводности зерен  исходного  материала,  их размеров,  степени  сжатия  частиц, напряженности электрического поля и температуры.

Полупроводниковая природа SiC обусловливает чрезвычайно сильное влияние примесей и дефектов кристалли­ческой решетки на его электропроводность.

Электро­проводность технического карбида кремния изменяется на 10— 12 порядков, а тип проводимости связан с наличием примесей, природа и концентрация которых влияет на цвет и интенсивность окрашивания кристаллов. Примеси элементов VB группы периодической системы (N, P, As) сообщают кристаллам SiC n-тип проводимости и яв­ляются донорами, отдающими свои электроны в свободную зону. Примеси элементов IIIВ группы периодической системы (В, А1, Ga) придают кристаллам SiC р-тип проводимости и являются акцепторами, определяющими движение электронов или поло­жительных   дырок   в   заполненной   зоне.

Беспримесный карбид кремния, обладающий собственной про­водимостью при низких температурах, до настоящего времени получить не удалось. Основными электрическими активными примесями являются азот и алюминий. Алюминий содержится в виде загрязняющих примесей в углеродистом кварцевом сырье и растворяется в карбиде кремния в процессе его синтеза. Азот легирует SiC из окружающего воздуха в процессе синтеза и охлаждения печи. Наиболее чистые кристаллы SiC содержат до 1017 ат/см3 азота  и, следовательно, имеют n-тип проводимости.

Технический карбид кремния имеет как донорные, так и ак­цепторные примеси, и его тип проводимости зависит от соотно­шения концентраций примесей различной природы.

Выпускаемый абразивной промышленностью карбид кремния по содержанию примесей подразделяется на два класса: черный и зеленый, зеленый цвет монокристаллам придает азот, а черный – алюминий. Зеленый содержит меньшее количество примесей. В табл. 1 представлен химический состав, % (по массе) черного и зеленого SiC.

Таблица 1

Химический состав черного и зеленого SiC, % (по массе)

Карбид кремния

SiC

Fe

Al

CaO

SiO2

Зеленый

98,70

0,11

0,06

0,01

-

Черный

96,21

1,05

-

0,94

Увеличение давления вызывает повышение электропроводности и уменьшение нелинейности порошков SiC.

С увеличением крупности зерен электропроводность порошков возрастает. Это объясняется тем, что с уменьшением числа контактов, расположенных на данной площади, плотность тока через каждый контакт возрастает. Из-за того, что сопротивление контакта с увеличением плотности тока падает, общее сопротивление порошка уменьшается.

Примеси Fe, Al, Cr вызывают увеличение электропроводности порошка, а примеси Mg и Ca ее уменьшение. Наибольшая нелинейность была получена с помощью примеси алюминия.

Сопротивление порошков SiC с ростом напряженности электрического поля уменьшается.

Область примесной проводимости в карбиде кремния ограни­чивается температурой 1400—1550°С. При более высоких температурах изменение электро­проводности   определяется   его  собственной   проводимостью.

При температурах более низких, когда преобладает примес­ная проводимость, электропроводность пропорциональна кон­центрации носителей тока и, следовательно, содержанию элек­трически активной добавки, растворенной в решетке полупро­водника.

При изменении температуры может иметь либо типичное для полупроводников экспоненциальное возрастание электропроводности с повышением температуры для области примесной  проводимости. Либо может наблюдаться уменьшение про­водимости с ростом температуры, что объясняется определяющей ролью металлических примесей (Fe, Al, Ca и др.) в этом случае.