Poluvodički materijali — germanij i silicij

Poluvodiči predstavljaju veliko područje materijala koji se međusobno razlikuju najrazličitijim električnim i fizikalnim svojstvima, kao i najrazličitijim kemijskim sastavom, što određuje različite namjene u njihovoj tehničkoj uporabi.

Po kemijskoj prirodi suvremeni poluvodički materijali mogu se svrstati u sljedeće četiri glavne skupine:

1. Kristalni poluvodički materijali sastavljeni od atoma ili molekula jednog elementa. Takvi materijali su trenutno široko korišteni germanij, silicij, selen, bor, silicijev karbid itd.

2. Oksidni kristalni poluvodički materijali, t.j. materijali od metalnih oksida. Glavni su: bakreni oksid, cinkov oksid, kadmijev oksid, titanov dioksid, niklov oksid itd. U ovu skupinu spadaju i materijali na bazi barijeva titanata, stroncija, cinka i drugih anorganskih spojeva s raznim sitnim dodacima.

3. Kristalni poluvodički materijali temeljeni na spojevima atoma treće i pete skupine Mendeljejevljevog sustava elemenata. Primjeri takvih materijala su antimonidi indija, galija i aluminija, tj.spojevi antimona s indijem, galijem i aluminijem. To su nazvani intermetalni spojevi.

4. Kristalni poluvodički materijali na bazi spojeva sumpora, selena i telura s jedne strane i bakra, kadmija i svinjskog Ca s druge strane. Takvi spojevi se nazivaju, redom: sulfidi, selenidi i teluridi.

Svi poluvodički materijali, kao što je već spomenuto, mogu se podijeliti prema kristalnoj strukturi u dvije skupine. Neki materijali se izrađuju u obliku velikih monokristala (monokristala), iz kojih se izrezuju ploče različitih veličina u određenim kristalnim smjerovima za upotrebu u ispravljačima, pojačalima, fotoćelijama.

Takvi materijali čine skupinu monokristalnih poluvodiča... Najčešći monokristalni materijali su germanij i silicij. Razvijene su metode za proizvodnju monokristala silicijevog karbida, monokristala intermetalnih spojeva.

Ostali poluvodički materijali su mješavina vrlo malih kristala nasumično zalemljenih zajedno. Takvi materijali nazivaju se polikristalni... Predstavnici polikristalnih poluvodičkih materijala su selen i silicijev karbid, te materijali izrađeni od raznih oksida primjenom keramičke tehnologije.

Razmotrite široko korištene poluvodičke materijale.

Germanij — element četvrte skupine Mendeljejevljeva periodnog sustava elemenata. Germanij ima svijetlu srebrnu boju. Talište germanija je 937,2 ° C. Često se nalazi u prirodi, ali u vrlo malim količinama. Prisutnost germanija nalazi se u rudama cinka iu pepelu raznih ugljena. Glavni izvor proizvodnje germanija je pepeo od ugljena i otpad iz metalurških postrojenja.

Riža. 1. Germanij

Ingot germanija, dobiven kao rezultat niza kemijskih operacija, još nije tvar prikladna za proizvodnju poluvodičkih uređaja iz njega. Sadrži netopljive nečistoće, još nije monokristal i nema uveden aditiv koji određuje potrebnu vrstu električne vodljivosti.

Široko se koristi za čišćenje ingota od netopivih nečistoća metoda zonskog taljenja... Ovom se metodom mogu ukloniti samo one nečistoće koje se različito otapaju u određenom čvrstom poluvodiču iu njegovoj talini.

Germanij je vrlo tvrd, ali iznimno krt i pri udaru se raspada u male komadiće. No pomoću dijamantne pile ili drugih uređaja može se izrezati na tanke kriške. Domaća industrija proizvodi legirani germanij s elektronska vodljivost različiti stupnjevi otpora od 0,003 do 45 ohma NS cm i germanija legiranog električnom vodljivošću rupa otpora od 0,4 do 5,5 ohma NS cm i više. Specifični otpor čistog germanija pri sobnoj temperaturi ρ = ​​60 ohm NS cm.

Germanij kao poluvodički materijal naširoko se koristi ne samo za diode i triode, već se od njega izrađuju ispravljači za velike struje, razni senzori za mjerenje jakosti magnetskog polja, otporni termometri za niske temperature itd.

Silicij široko rasprostranjen u prirodi. On je, kao i germanij, element četvrte skupine Mendeljejeva sustava elemenata i ima istu kristalnu (kubičnu) strukturu. Polirani silicij poprima metalni sjaj čelika.

Silicij se prirodno ne pojavljuje u slobodnom stanju, iako je drugi najzastupljeniji element na Zemlji, koji čini osnovu kvarca i drugih minerala. Silicij se može izolirati u svom elementarnom obliku redukcijom SiO2 ugljika na visokoj temperaturi. Istodobno, čistoća silicija nakon obrade kiselinom je ~ 99,8%, a za poluvodičke instrumentalne uređaje u ovom obliku, ne koristi se.

Silicij visoke čistoće dobiva se iz njegovih prethodno dobro pročišćenih hlapljivih spojeva (halogenidi, silani) bilo njihovom visokotemperaturnom redukcijom cinkom ili vodikom, bilo njihovim toplinskim razlaganjem. Oslobođen tijekom reakcije, silicij se taloži na stijenkama reakcijske komore ili na posebnom grijaćem elementu — najčešće na šipki izrađenoj od silicija visoke čistoće.

Riža. 2. Silicij

Kao i germanij, silicij je krt. Njegovo talište je znatno više nego kod germanija: 1423 ° C. Otpor čistog silicija na sobnoj temperaturi ρ = ​​3 NS 105 ohm-vidi

Budući da je talište silicija puno veće od tališta germanija, grafitni lončić zamijenjen je kvarcnim lončićem jer grafit na visokim temperaturama može reagirati sa silicijem u silicijev karbid. Osim toga, kontaminanti grafita mogu ući u rastaljeni silicij.

Industrija proizvodi poluvodički dopirani silicij s elektronskom vodljivošću (različitih stupnjeva) s otporom od 0,01 do 35 ohm x cm i vodljivošću rupe također različitih stupnjeva s otporom od 0,05 do 35 ohm x cm.

Silicij se, poput germanija, široko koristi u proizvodnji mnogih poluvodičkih uređaja.U silicijskom ispravljaču postižu se viši povratni naponi i radne temperature (130-180 °C) nego u germanijevim ispravljačima (80 °C). Vrh i ravnina napravljeni su od silicija diode i triode, fotoćelije i drugi poluvodički uređaji.

Na sl. Slika 3 prikazuje ovisnosti otpora germanija i silicija obje vrste o koncentraciji nečistoća u njima.

Riža. 3. Utjecaj koncentracije nečistoća na otpornost germanija i silicija pri sobnoj temperaturi: 1 — silicij, 2 — germanij

Krivulje na slici pokazuju da nečistoće imaju ogroman utjecaj na otpor: u germaniju se on mijenja od vrijednosti unutarnjeg otpora od 60 ohm x cm do 10-4 ohm x cm, odnosno 5 x 105 puta, a za silicij za 3 x 103 do 10-4 ohm x cm, tj. u 3 x 109 jednom.

Kao materijal za izradu nelinearnih otpornika posebno se koristi polikristalni materijal - silicijev karbid.

Riža. 4. Silicijev karbid

Ograničivači ventila za vodove izrađeni su od silicijevog karbida - uređaji koji štite vodove od prenapona. U njima diskovi izrađeni od nelinearnog poluvodiča (silicijevog karbida) propuštaju struju u zemlju pod djelovanjem udarnih valova koji se javljaju u liniji. Kao rezultat toga, normalan rad linije je uspostavljen. Pri radnom naponu, vodovi otpora ovih diskova se povećavaju i struja curenja iz voda prema masi prestaje.

Silicijev karbid se proizvodi umjetno - toplinskom obradom mješavine kvarcnog pijeska i ugljena na visokoj temperaturi (2000 ° C).

Ovisno o unesenim aditivima, formiraju se dvije glavne vrste silicij karbida: zeleni i crni.Međusobno se razlikuju po vrsti električne vodljivosti, naime: zeleni silicijev karbid baca električnu vodljivost n-tipa, a crni - s vodljivošću p-tipa.

Za restriktori ventila silicijev karbid koristi se za izradu diskova promjera od 55 do 150 mm i visine od 20 do 60 mm. U blokadi ventila, diskovi od silicij-karbida povezani su u seriju jedan s drugim i s iskrištima. Sustav koji se sastoji od diskova i svjećica komprimiran je spiralnom oprugom. Pomoću vijka, odvodnik je spojen na vodič dalekovoda, a ° C druga strana odvodnika spojena je žicom na masu. Svi dijelovi fitilja smješteni su u porculansko kućište.

Pri normalnom naponu dalekovoda, ventil ne propušta struju vodova. Kod povećanih napona (udara) stvorenih atmosferskim elektricitetom ili unutarnjim udarima, stvaraju se iskrišta i diskovi ventila bit će pod visokim naponom.

Njihov otpor će naglo pasti, što će osigurati curenje struje od linije do zemlje. Velika struja koja prolazi smanjit će napon na normalu i otpor u diskovima ventila će se povećati. Ventil će biti zatvoren, odnosno radna struja voda neće se prenositi na njih.

Silicijev karbid se također koristi u poluvodičkim ispravljačima koji rade na visokim radnim temperaturama (do 500 °C).