Polprevodniški materiali — germanij in silicij

Polprevodniki predstavljajo obsežno področje materialov, ki se med seboj razlikujejo po najrazličnejših električnih in fizikalnih lastnostih ter po najrazličnejši kemijski sestavi, ki določa različne namene njihove tehnične uporabe.

Po kemični naravi lahko sodobne polprevodniške materiale razvrstimo v naslednje štiri glavne skupine:

1. Kristalni polprevodniški materiali, sestavljeni iz atomov ali molekul enega samega elementa. Takšni materiali so trenutno široko uporabljeni germanij, silicij, selen, bor, silicijev karbid itd.

2. Oksidni kristalni polprevodniški materiali, tj. kovinski oksidni materiali. Glavni so: bakrov oksid, cinkov oksid, kadmijev oksid, titanov dioksid, nikljev oksid itd. V to skupino spadajo tudi materiali na osnovi barijevega titanata, stroncija, cinka in drugih anorganskih spojin z različnimi majhnimi dodatki.

3. Kristalni polprevodniški materiali na osnovi spojin atomov iz tretje in pete skupine Mendelejevega sistema elementov. Primeri takih materialov so indijevi, galijevi in ​​aluminijevi antimonidi, tj.spojine antimona z indijem, galijem in aluminijem. Imenovali so jih intermetalne spojine.

4. Kristalni polprevodniški materiali na osnovi spojin žvepla, selena in telurja na eni ter bakra, kadmija in prašičnega Ca na drugi strani. Take spojine se imenujejo: sulfidi, selenidi in teluridi.

Vse polprevodniške materiale, kot smo že omenili, lahko po kristalni zgradbi razdelimo v dve skupini. Nekateri materiali so izdelani v obliki velikih monokristalov (monokristali), iz katerih so v določenih kristalnih smereh izrezane plošče različnih velikosti za uporabo v usmernikih, ojačevalnikih, fotocelicah.

Takšni materiali sestavljajo skupino monokristalnih polprevodnikov... Najpogostejša enokristalna materiala sta germanij in silicij. Razvite so bile metode za proizvodnjo monokristalov silicijevega karbida, monokristalov intermetalnih spojin.

Drugi polprevodniški materiali so mešanica zelo majhnih kristalov, naključno spajkanih skupaj. Takšne materiale imenujemo polikristalni ... Predstavniki polikristalnih polprevodniških materialov so selen in silicijev karbid ter materiali iz različnih oksidov s keramično tehnologijo.

Razmislite o široko uporabljenih polprevodniških materialih.

Germanij — element četrte skupine Mendelejevega periodnega sistema elementov. Germanij ima svetlo srebrno barvo. Tališče germanija je 937,2 ° C. Pogosto ga najdemo v naravi, vendar v zelo majhnih količinah. Prisotnost germanija najdemo v cinkovih rudah in v pepelu različnih premogov. Glavni vir proizvodnje germanija je premogov pepel in odpadki iz metalurških obratov.

riž. 1. Germanij

Germanijev ingot, pridobljen kot posledica številnih kemičnih operacij, še ni snov, primerna za izdelavo polprevodniških naprav iz njega. Vsebuje netopne nečistoče, še ni monokristal in nima dodatka, ki bi določal zahtevano vrsto električne prevodnosti.

Široko se uporablja za čiščenje ingota od netopnih primesi conska metoda taljenja ... S to metodo lahko odstranimo samo tiste nečistoče, ki se različno topijo v danem trdnem polprevodniku in v njegovi talini.

Germanij je zelo trd, vendar izjemno krhek in se ob udarcu razbije na majhne koščke. Z diamantno žago ali drugimi napravami pa ga lahko narežemo na tanke rezine. Domača industrija proizvaja legirani germanij z elektronska prevodnost različne stopnje z upornostjo od 0,003 do 45 ohm NS cm in germanij, legiran z električno prevodnostjo lukenj z upornostjo od 0,4 do 5,5 ohm NS cm in več. Specifični upor čistega germanija pri sobni temperaturi ρ = ​​60 ohm NS cm.

Germanij kot polprevodniški material se pogosto uporablja ne le za diode in triode, temveč se uporablja za izdelavo močnostnih usmernikov za visoke tokove, različnih senzorjev za merjenje jakosti magnetnega polja, uporovnih termometrov za nizke temperature itd.

Silicij je zelo razširjen v naravi. Tako kot germanij je element četrte skupine Mendelejevega sistema elementov in ima enako kristalno (kubično) strukturo. Poliran silicij prevzame kovinski lesk jekla.

Silicij se v naravi ne pojavlja v prostem stanju, čeprav je drugi najpogostejši element na Zemlji, ki tvori osnovo kremena in drugih mineralov. Silicij je mogoče izolirati v njegovi elementarni obliki z visokotemperaturno redukcijo ogljika SiO2. Hkrati je čistost silicija po obdelavi s kislino ~ 99,8%, za polprevodniške instrumentalne naprave v tej obliki pa se ne uporablja.

Silicij visoke čistosti se pridobiva iz njegovih predhodno dobro prečiščenih hlapnih spojin (halidi, silani) z njihovo visokotemperaturno redukcijo s cinkom ali vodikom ali z njihovim termičnim razkrojem. Silicij, ki se sprošča med reakcijo, se odlaga na stene reakcijske komore ali na poseben grelni element — največkrat na palico iz silicija visoke čistosti.

riž. 2. Silicij

Tako kot germanij je silicij krhek. Njegovo tališče je bistveno višje kot pri germaniju: 1423 ° C. Odpornost čistega silicija pri sobni temperaturi ρ = ​​3 NS 105 ohm-glej

Ker je tališče silicija veliko višje od tališča germanija, je grafitni lonček zamenjan s kremenčevim lončkom, saj lahko grafit pri visokih temperaturah reagira s silicijem in tvori silicijev karbid. Poleg tega lahko kontaminanti grafita vstopijo v staljeni silicij.

Industrija proizvaja polprevodniški dopirani silicij z elektronsko prevodnostjo (različne stopnje) z upornostjo od 0,01 do 35 ohm x cm in luknjasto prevodnostjo tudi različnih stopenj z upornostjo od 0,05 do 35 ohm x cm.

Silicij se tako kot germanij široko uporablja pri izdelavi številnih polprevodniških naprav.V silicijevem usmerniku so dosežene višje povratne napetosti in delovne temperature (130-180 ° C) kot v germanijevih usmernikih (80 ° C). Konica in ravnina sta iz silicija diode in triode, fotocelice in druge polprevodniške naprave.

Na sl. 3 prikazuje odvisnosti odpornosti germanija in silicija obeh vrst od koncentracije nečistoč v njih.

riž. 3. Vpliv koncentracije nečistoč na odpornost germanija in silicija pri sobni temperaturi: 1 - silicij, 2 - germanij

Krivulje na sliki kažejo, da imajo nečistoče velik vpliv na upor: v germaniju se ta spremeni od vrednosti notranjega upora 60 ohm x cm do 10-4 ohm x cm, to je 5 x 105-krat, za silicij za 3 x 103 do 10-4 ohm x cm, tj. v 3 x 109 enkrat.

Kot material za izdelavo nelinearnih uporov se še posebej pogosto uporablja polikristalni material - silicijev karbid.

riž. 4. Silicijev karbid

Omejevalniki ventilov za daljnovode so izdelani iz silicijevega karbida - naprave, ki ščitijo daljnovod pred prenapetostjo. V njih diski iz nelinearnega polprevodnika (silicijev karbid) prenašajo tok na tla pod vplivom prenapetostnih valov, ki se pojavljajo v liniji. Posledično se vzpostavi normalno delovanje linije. Pri obratovalni napetosti se upornost teh diskov poveča in tok uhajanja iz voda v zemljo se ustavi.

Silicijev karbid se proizvaja umetno - s toplotno obdelavo mešanice kremenčevega peska s premogom pri visoki temperaturi (2000 ° C).

Glede na vnesene dodatke nastaneta dve glavni vrsti silicijevega karbida: zeleni in črni.Med seboj se razlikujejo po vrsti električne prevodnosti, in sicer: zeleni silicijev karbid vrže električno prevodnost n-tipa, črni pa s prevodnostjo p-tipa.

Za omejevalniki ventilov silicijev karbid se uporablja za izdelavo diskov s premerom od 55 do 150 mm in višino od 20 do 60 mm. Pri zapiralu ventila so diski iz silicijevega karbida zaporedno povezani med seboj in z iskrišči. Sistem, sestavljen iz diskov in svečk, je stisnjen z vijačno vzmetjo. Odvodnik je povezan s sornikom električni vodnik, in ° C druga stran odvodnika je z žico povezana z maso. Vsi deli varovalke so nameščeni v porcelanasto ohišje.

Pri normalni napetosti daljnovoda ventil ne prepušča linijskega toka. Pri povečanih napetostih (napetosti), ki jih ustvari atmosferska elektrika ali notranji sunki, nastanejo iskrišča in koluti ventilov bodo pod visoko napetostjo.

Njihov upor se bo močno zmanjšal, kar bo zagotovilo uhajanje toka iz linije v tla. Prehodni visok tok bo zmanjšal napetost na normalno in upor v kolutih ventilov se bo povečal. Ventil bo zaprt, to pomeni, da se delovni tok linije ne bo prenašal nanje.

Silicijev karbid se uporablja tudi v polprevodniških usmernikih, ki delujejo pri visokih delovnih temperaturah (do 500 °C).