Керамические полупроводники Лекция 14 Свойства полупроводников Проводимость

Керамические полупроводники Лекция 14

Свойства полупроводников Проводимость полупроводников может быть: 1) электронной (n) и 2) электронно дырочной (р) При изменении тока в электрической цепи падение напряжения оказывается не прямо пропорциональным току фотопроводимость

Примесная электропроводность донорная акцепторная

Эффект Холла носители электрического заряда (электроны или дырки) отклоняются магнитным полем в направлении, перпендикулярном направлению тока и магнитному полю

Полупроводниковый диод

Методы получения керамических полупроводников Фервей: 1) метод контролируемой валентности: введение посторонних ионов в кристаллическую решетку оксида металла, имеющего переменную валентность, в результате чего в ней образуются ионы того же металла, но имеющие другую валентность 2) метод получения нестехиометрических соединений: используется способность ряда элементов изменять валентность при изменении среды (окислительная ↔ восстановительная) □δ)О, где □ – пустой узел в решетке 3) метод разбавления: приготовление твердых растворов двух или более веществ, значительно отличающихся по электропроводности

Основные сведения о природе ферромагнетизма материалы магнитомягкие и магнитожесткие (Нс>400 А/м) где χ – магнитная восприимчивость; μ – магнитная проницаемость, I – намагниченность, В – индукция, Н – напряженность магнитного поля Веще ства, имеющие положительную восприимчивость, называют пара магнетиками, а отрицательную – диамагнетиками. Диамагнетики и большинство парамагнетиков имеют незначительную 10 4 – 10 8 восприимчивость

Полупроводниковая магнитная керамика – ферриты Ферриты – это оксидные магнитные материалы со структурой ионных кристаллов, относящиеся к классу не полностью скомпенсированных антиферромагнетиков – ферримагнетиков. Основная отличительная особенность ферритов: сочетание в них свойств диэлектриков, полупроводников и ферромагнетиков Применяют в устройствах радиоэлектронной, вычислительной, сверхвысокочастотной (СВЧ) техники, автоматики и телемеханики Состав ферритов где М – характеризующий металл, k – его валентность, m и n – целые числа

Ферриты 1 Феррошпинели – ферриты со структурой природного минерала шпинели Mg. Al 2 O 4. 2 Феррогранаты – ферриты со структурой минерала граната Ca 3 Al 2(Si. O 4)3. 3 Гексаферриты – ферриты с гексагональной структурой, изоморфной структуре минерала магнетоплюмбита Pb. Fe 7. 5 Mn 3. 5 Al 0. 5 Ti 0. 5 O 19. 4 Ортоферриты – ферриты с ромбически искаженной структурой минерала перовскита Ca. Ti. O 3. халькогенидные шпинели представляют собой смешанные сульфиды (селениды) хрома и двухвалентных металлов тетрасульфиды дихрома железа и кобальта (Fe. Cr 2 S 4 и Co. Cr 2 S 4) отличаются тем, что имеют самые высокие среди магнитных полупроводников температуры магнитного упорядочения (170 и 227 К соответственно) тетрахалькогениды дихрома меди (Cu. Cr 2 X 4, X=S, Se) являются ферромагнентиками с ТС выше комнатной и обладают металлической проводимостью. Температура магнитного упорядочения ферромагнетика Cu. Cr 2 Se 4 составляет 420 К.

Преимущества и недостатки ферритов Высокое значение удельного электросопротивления позволяет использовать ферриты для работы на частотах до сотен к. Гц и даже МГц практически без потерь на вихревые токи. ферриты почти в два раза легче металлов, на их свойства мало влияет радиация. Технология изготовления ферритов позволяет получать изделия сложной формы. Однако ферриты имеют ряд недостатков: по сравнению с металлическими магнитными материалами, ферриты имеют меньшие значения магнитной проницаемости, индукции насыщения, а также низкую температурную стабильность. При механических воздействиях магнитные свойства ферритов ухудшаются из за их высокой хрупкости.

Структура шпинели XY 2 O 4 Такие шпинели называют прямыми или нормальными. Из прямых шпинелей известны где X – чаще двухвалентный металл; Y – трехвалентный металл; Z – анион Обратные шпинели Y[XY]O 4 в октаэдрических пустотах половина позиций занята одним металлом, а другая половина – вторым металлом Степень обратности характеризуется коэффициентом обратности λ, который указывает на долю катионов, перешедших из тетраэдрических в октаэдрические пустоты: где χ - число катионов Х, перешедших в окта-позиции

Все катионы по электронным конфигурациям и (склонности к окта и тетра позициям) можно разделить на 5 групп: 1 Ионы с полностью заполненной d оболочкой (3 d и 4 d) имеют тенденцию к образованию ковалентных связей и занятию тетра позиций. К таким элементам относятся Cu, Zn, Ag, Cd, Sn. 2 Ионы с электронной конфигурацией благородных газов (заполнены K и L оболочки) не имеют определенной склонности к занятию кристаллографических позиций (Li, Al, Mg). Титан, несмотря на это, стремится занять окта позиции, вероятно, из за большого заряда (Ti 4+) и ионного радиуса. 3 Ионы с наполовину заполненными 3 d оболочками (Mn 2+, Fe 3+, Co 4+) имеют сферическое распределение заряда. Они, как и катионы 2 й группы могут практически с одинаковой вероятностью занимать окта и тетра позиции. 4 Ионы, имеющие 3 d 3 и 3 d 8 конфигурации, чаще всего заполняют октаэдрические кристаллографические позиции (Cr 3+, Ni 2+, Mn 4+). 5 Остальные ионы переходных металлов могут занимать как тетра , так и окта позиции.

Феррошпинели – основа для получения ферритов Структура феррошпинели: плотнейшая кубическая гранецентрированная упаковка анионов О 2 - с замещением катионами М 2+ и Fe 3+ 1/8 всех тетраэдрических и 1/2 октаэдрических пустот всего в решетке феррошпинели занято 8 тетраэдрических пустот (А узлы) и 16 октаэдрических пустот (В узлы Кристаллическая структура ферритов шпинелей: а – схематическое изображение элементарной ячейки шпинельной структуры, разделённой на 8 октантов; б – расположение ионов в смежных октантах ячейки; белые кружки – анионы О 2 , образующие остов решётки, чёрные – катионы в октаэдрических и тетраэдрических позициях; в – катион в тетраэдрическом окружении; г – катион в октаэдрическом окружении.

Феррошпинели – основа для получения ферритов Неель предположил считать, что кристаллическая решетка шпинели состоит из двух подрешеток: одна образована ионами металла в тетраэдрических пустотах (подрешетка А), другая – ионами металла в октаэдрических пустотах (подрешетка В) Если магнитные моменты подрешеток одинаковые по величине, то феррит – антиферромагнетик, если различны, то феррит – ферримагнетик В зависимости от расположения ионов М 2+ и М 3+ в А и В узлах различают нормальную, обратную и смешанную феррошпинели Феррошпинель называют простой, если в ее состав входит только один двухвалентный ион – Me. O-Fe 2 O 3 Если феррошпинель твердый раствор двух шпинелей, одна из которых не обязательно ферро магнитная, то такую шпинель называют смешанной. никель цинковые (Ni 1 -x Znx. O ∙Fe 2 O 4) и марганец цинковые (Mn 1 -x. Znx. O∙Fe 2 O 4)

Феррошпинели – основа для получения ферритов Ферриты со структурой шпинели – ферримагнетики. Ферримагнетики аналогичны антиферромагнетикам, так как отрицательное обменное взаимодействие приводит к антипараллельной ориентации подрешеток. Причем магнитные моменты подрешеток различны по величине, поэтому результирующий магнитный момент в такой структуре отличен от нуля. Ферримагнетик можно считать нескомпенсированным антиферромагнетиком. нормальные ферриты шпинели Zn 2+[Fe 3+]O 4, Cd 2+[Fe 3+]O 4 – не ферромагнитны Ферриты – обратные шпинели, например, Fe 3+[Fe 3+Fe 2+]O 4 – ферромагнитны Структуру обратной шпинели имеют ферриты Mg, Fe, Сo, Ni, Li, Cu. режим охлаждения влияет на формирование магнитных свойств ферритов