Полупроводникови материали — германий и силиций

Полупроводниците представляват огромна област от материали, които се различават един от друг с голямо разнообразие от електрически и физични свойства, както и с голямо разнообразие от химичен състав, което определя различни цели в техническата им употреба.

По химическа природа, съвременен полупроводниковите материали могат да бъдат класифицирани в следните четири основни групи:

1. Кристални полупроводникови материали, изградени от атоми или молекули на един елемент. Такива материали в момента са широко използвани германий, силиций, селен, бор, силициев карбид и др.

2. Оксидни кристални полупроводникови материали, т.е. материали от метални оксиди. Основните са: меден оксид, цинков оксид, кадмиев оксид, титанов диоксид, никелов оксид и др. Тази група включва и материали на базата на бариев титанат, стронций, цинк и други неорганични съединения с различни малки добавки.

3. Кристални полупроводникови материали на базата на съединения на атоми от третата и петата група на системата от елементи на Менделеев. Примери за такива материали са индиеви, галиеви и алуминиеви антимониди, т.е. съединения на антимон с индий, галий и алуминий. Те бяха наречени интерметални съединения.

4. Кристални полупроводникови материали на базата на съединения на сяра, селен и телур от едната страна и мед, кадмий и прасе° Са от друга. Такива съединения се наричат ​​съответно: сулфиди, селениди и телуриди.

Всички полупроводникови материали, както вече беше споменато, могат да бъдат разпределени по кристалната структура в две групи. Някои материали са направени под формата на големи монокристали (монокристали), от които се изрязват плочи с различни размери в определени посоки на кристали за използване в токоизправители, усилватели, фотоклетки.

Такива материали съставляват групата монокристални полупроводници… Най -често срещаните монокристални материали са германий и силиций. RРазработени са методи за производство на монокристали и от силициев карбид, монокристали от интерметални съединения.

Други полупроводникови материали са смес от много малки кристали, произволно споени заедно. Такива материали се наричат поликристален… Представители на поликристални полупроводникови материали са селен и силициев карбид, както и материали, изработени от различни оксиди по керамична технология.

Помислете за широко използвани полупроводникови материали.

Германий — елемент от четвъртата група на периодичната система от елементи на Менделеев. Германий има ярко сребрист цвят. Точката на топене на германий е 937,2 ° С. В природата често се среща, но в много малки количества. Наличието на германий се открива в цинкови руди и в пепел от различни въглища. Основният източник на производство на германий е въглищната пепелth и отпадъци от металургични заводи.

Ориз. 1. Германий

Слитъкът на германий, получен в резултат на редица химически операции, все още не е вещество, подходящо за производството на полупроводникови устройства от него. Той съдържа неразтворими примеси, все още не е единичен кристал и в него не е въведена добавка, която определя необходимия вид електрическа проводимост.

Той се използва широко за почистване на слитъка от неразтворими примеси метод на топене в зона… Този метод може да се използва за отстраняване само на онези примеси, които се разтварят по различен начин в даден твърд полупроводник и в неговата стопилка.

Германийът е много твърд, но изключително крехък и се раздробява на малки парченца при удар. Въпреки това, с помощта на диамантен трион или други устройства, той може да бъде нарязан на тънки филийки. Вътрешната промишленост произвежда легиран германий с електронна проводимост различни степени с съпротивление от 0,003 до 45 ома NS cm и германий, легиран с електрическа проводимост на отворите с съпротивление от 0,4 до 5,5 ома NS cm и повече. Специфичното съпротивление на чист германий при стайна температура ρ = 60 ома NS см.

Германийът като полупроводников материал е широко използван не само за диоди и триоди, от него се правят мощентокоизправители за високи токове, различни сензори, използвани за измерване на силата на магнитното поле, термометри на съпротивление за ниски температури и др.

Силиций широко разпространен в природата. Той, подобно на германия, е елемент от четвъртата група от системата от елементи на Менделеев и има същата кристална (кубична) структура. Полиран силиций придобива метален блясък на стомана.

Силицият не се среща естествено в свободно състояние, въпреки че е вторият най -разпространен елемент на Земята, формиращ основата на кварц и други минерали. Силицийът може да бъде изолиран в своята елементарна форма чрез високотемпературно намаляване на Si02 въглерод. В същото време чистотата силиций след киселинно третиране е ~ 99,8%, а за полупроводник инструментални устройства в тази форма, тя не се използва.

Силицийът с висока чистота се получава от неговите предварително добре пречистени летливи съединения (халогениди, силани) или чрез тяхното редуциране с висока температура с цинк или водород, или чрез тяхното термично разлагане. Пуснато при реакция силиций се отлага върху стените на реакционната камера или върху специално нагревателно тяло — най -често върху пръчка, изработена с висока чистота силиций.

Ориз. 2. Силиций

Подобно на германия, силицийът е крехък. Точката му на топене е значително по -висока от тази на германия: 1423 ° C. Съпротивлението на чист силиций при стайна температура ρ = 3 NS 105 ом-виж

Тъй като точката на топене на силиция е много по -висока от тази на германия, графитният тигел се заменя с кварцов тигел, тъй като графитът при високи температури може да реагира със силиций и да образува силициев карбид. Освен това замърсителите от графит могат да влязат в разтопен силиций.

Промишлеността произвежда полупроводников легиран силиций с електронна проводимост (различни степени) със специфично съпротивление от 0,01 до 35 ома x cm и с електрическа проводимост на отворите също от различни степени със специфично съпротивление от 0,05 до 35 ома x cm.

Силицийът, подобно на германия, се използва широко в производството на множество полупроводникови устройства. В силиконовия токоизправител се постигат по -високи обратни напрежения и работни температури (130 — 180 ° C), отколкото в германиевите токоизправители (80 ° C). Точката и равнината са изработени от силиций диоди и триоди, фотоклетки и други полупроводникови устройства.

На фиг. 3 показва зависимостите на съпротивлението на германий и силиций от двата типа от концентрацията на примеси в тях.

Ориз. 3. Влияние на концентрацията на примеси върху съпротивлението на германий и силиций при стайна температура: 1 — силиций, 2 — германий

Кривите на фигурата показват, че примесите имат огромен ефект върху съпротивлението: в германия, тя се променя от стойността на вътрешното съпротивление от 60 ома x cm до 10-4 ома х см, тоест в 5 х 105 пъти, а за силиций с 3 x 103 до 10-4 ома х см, т.е.в 3 х 109 веднъж.

Като материал за производството на нелинейни съпротивления, поликристалният материал е особено широко използван — силициев карбид.

Ориз. 4. Силициев карбид

Ограничители на клапани за електропроводи са изработени от силициев карбид — устройства, които предпазват електропровода от пренапрежение. В тях дискове, направени от нелинеен полупроводник (силициев карбид) преминават ток към земята под действието на вълни от пренапрежение, възникващи в линията. В резултат на това нормалната работа на линията се възстановява. При работното напрежение линиите на съпротивлението на тези дискове се увеличават и токът на изтичане от линията към земята спира.

Силициевият карбид се произвежда изкуствено — чрез термична обработка на смес от кварцов пясък с въглища при висока температура (2000 ° C).

В зависимост от въведените добавки се образуват два основни типа силициев карбид: зелен и черен. Те се различават един от друг по вида на електропроводимостта, а именно: зеленият силициев карбид хвърля електрическа проводимост н-типов, и черен -с p -тип проводимост.

За клапанни ограничители силициев карбид се използва за производство на дискове с диаметър от 55 до 150 мм и височина от 20 до 60 мм. В клапанов ограничител дисковете от силициев карбид са свързани последователно един с друг и с искрови празнини. Системата, състояща се от дискове и свещи, е компресирана от спирална пружина. С болт, разрядникът е свързан към проводник на електропровода, а ° С другата страна на разрядника е свързана с проводник към земята. Всички части на предпазителя са поставени в порцеланов калъф.

При нормално напрежение на преносната линия вентилът не пропуска ток от линията. При повишени напрежения (пренапрежения), създадени от атмосферно електричество, или вътрешни пренапрежения, пробиват се искрови пролуки и дисковете на клапаните ще бъдат под високо напрежение.

Съпротивлението им ще спадне рязко, което ще осигури изтичане на ток от линията към земята. Пропуснатият голям ток ще намали напрежението до нормално и съпротивлението в дисковете на клапаните ще се увеличи. Клапанът ще бъде затворен, тоест работният ток на линията няма да бъде предаден към тях.

Силициевият карбид се използва и в полупроводникови токоизправители, работещи при високи работни температури (до 500 ° C).