Materiały półprzewodnikowe — german i krzem

Półprzewodniki reprezentują rozległy obszar materiałów, które różnią się od siebie szeroką gamą właściwości elektrycznych i fizycznych, a także szeroką gamą składu chemicznego, co determinuje różne cele ich technicznego zastosowania.

Ze względu na charakter chemiczny nowoczesne materiały półprzewodnikowe można podzielić na cztery główne grupy:

1. Krystaliczne materiały półprzewodnikowe zbudowane z atomów lub cząsteczek pojedynczego pierwiastka. Takimi materiałami są obecnie szeroko stosowane german, krzem, selen, bor, węglik krzemu itp.

2. Tlenkowe krystaliczne materiały półprzewodnikowe, tj. materiały z tlenku metalu. Główne z nich to: tlenek miedzi, tlenek cynku, tlenek kadmu, dwutlenek tytanu, tlenek niklu itp. Do tej grupy należą również materiały na bazie tytanianu baru, strontu, cynku i innych związków nieorganicznych z różnymi drobnymi dodatkami.

3. Krystaliczne materiały półprzewodnikowe na bazie związków atomów trzeciej i piątej grupy układu pierwiastków Mendelejewa. Przykładami takich materiałów są antymonki indu, galu i glinu, tj.związki antymonu z indem, galem i glinem. Nazywano je związkami międzymetalicznymi.

4. Krystaliczne materiały półprzewodnikowe na bazie związków siarki, selenu i telluru z jednej strony oraz miedzi, kadmu i surowego Ca z drugiej. Związki takie nazywane są odpowiednio: siarczkami, selenkami i tellurkami.

Wszystkie materiały półprzewodnikowe, jak już wspomniano, można podzielić według struktury krystalicznej na dwie grupy. Niektóre materiały są wykonane w postaci dużych monokryształów (monokryształów), z których wycina się płytki o różnych rozmiarach w określonych kierunkach kryształów do zastosowania w prostownikach, wzmacniaczach, fotokomórkach.

Takie materiały tworzą grupę półprzewodników monokrystalicznych... Najpopularniejszymi materiałami monokrystalicznymi są german i krzem. Opracowano metody wytwarzania monokryształów węglika krzemu, monokryształów związków międzymetalicznych.

Inne materiały półprzewodnikowe to mieszanina bardzo małych kryształów przypadkowo zlutowanych razem. Nazywa się takie materiały polikrystaliczny... Przedstawicielami polikrystalicznych materiałów półprzewodnikowych są selen i węglik krzemu, a także materiały wykonane z różnych tlenków przy użyciu technologii ceramicznej.

Rozważ szeroko stosowane materiały półprzewodnikowe.

German — pierwiastek czwartej grupy układu okresowego pierwiastków Mendelejewa. German ma jasny srebrny kolor. Temperatura topnienia germanu wynosi 937,2 ° C. Często występuje w przyrodzie, ale w bardzo małych ilościach. Obecność germanu stwierdza się w rudach cynku oraz w popiele różnych węgli. Głównym źródłem produkcji germanu są popioły węglowe i odpady z zakładów metalurgicznych.

Ryż. 1. German

Wlewek germanu, otrzymany w wyniku szeregu operacji chemicznych, nie jest jeszcze substancją nadającą się do wytwarzania z niego urządzeń półprzewodnikowych. Zawiera nierozpuszczalne zanieczyszczenia, nie jest jeszcze monokryształem i nie ma wprowadzonego do niego dodatku określającego wymagany rodzaj przewodnictwa elektrycznego.

Jest szeroko stosowany do czyszczenia wlewka ze strefy nierozpuszczalnych zanieczyszczeń metoda topienia... Tą metodą można usunąć tylko te zanieczyszczenia, które rozpuszczają się inaczej w danym stałym półprzewodniku iw jego stopie.

German jest bardzo twardy, ale niezwykle kruchy i rozpada się na małe kawałki przy uderzeniu. Jednak za pomocą piły diamentowej lub innych urządzeń można ją pokroić w cienkie plasterki. Przemysł krajowy produkuje stopowy german z przewodność elektronowa różne gatunki o rezystywności od 0,003 do 45 omów NS cm i stopu germanu o przewodności elektrycznej otworów o rezystywności od 0,4 do 5,5 omów NS cm i więcej. Opór właściwy czystego germanu w temperaturze pokojowej ρ = 60 omów NS cm.

German jako materiał półprzewodnikowy jest szeroko stosowany nie tylko na diody i triody, jest używany do produkcji prostowników mocy dla dużych prądów, różnych czujników służących do pomiaru natężenia pola magnetycznego, termometrów rezystancyjnych do niskich temperatur itp.

Krzem szeroko rozpowszechniony w przyrodzie. Podobnie jak german jest pierwiastkiem czwartej grupy układu pierwiastków Mendelejewa i ma taką samą strukturę krystaliczną (sześcienną). Polerowany krzem nabiera metalicznego połysku stali.

Krzem nie występuje naturalnie w stanie wolnym, chociaż jest drugim najliczniej występującym pierwiastkiem na Ziemi, tworząc podstawę kwarcu i innych minerałów. Krzem można wyizolować w postaci elementarnej poprzez wysokotemperaturową redukcję węgla SiO2. Jednocześnie czystość krzemu po obróbce kwasem wynosi ~ 99,8%, a dla przyrządów półprzewodnikowych w tej postaci nie jest on używany.

Krzem o wysokiej czystości otrzymuje się z jego wcześniej dobrze oczyszczonych lotnych związków (halogenki, silany) albo przez ich wysokotemperaturową redukcję cynkiem lub wodorem, albo przez ich rozkład termiczny. Uwolniony podczas reakcji krzem osadza się na ściankach komory reakcyjnej lub na specjalnym elemencie grzejnym — najczęściej na pręcie wykonanym z krzemu o wysokiej czystości.

Ryż. 2. Krzem

Podobnie jak german, krzem jest kruchy. Jego temperatura topnienia jest znacznie wyższa niż w przypadku germanu: 1423 ° C. Rezystancja czystego krzemu w temperaturze pokojowej ρ = 3 NS 105 omów - patrz

Ponieważ temperatura topnienia krzemu jest znacznie wyższa niż germanu, tygiel grafitowy zastępuje się tyglem kwarcowym, ponieważ grafit w wysokich temperaturach może reagować z krzemem, tworząc węglik krzemu. Ponadto zanieczyszczenia grafitowe mogą przedostawać się do stopionego krzemu.

Przemysł wytwarza krzem domieszkowany półprzewodnikami o przewodnictwie elektronowym (różne stopnie) o rezystywności od 0,01 do 35 om x cm i przewodnictwie otworowym również różnych stopni o oporności właściwej od 0,05 do 35 om x cm.

Krzem, podobnie jak german, jest szeroko stosowany w produkcji wielu urządzeń półprzewodnikowych.W prostowniku krzemowym osiągane są wyższe napięcia wsteczne i temperatury pracy (130 — 180°C) niż w prostownikach germanowych (80°C). Punkt i płaszczyzna są wykonane z krzemu diody i triody, fotokomórki i inne urządzenia półprzewodnikowe.

na ryc. Na rycinie 3 pokazano zależności rezystancji germanu i krzemu obu typów od stężenia w nich zanieczyszczeń.

Ryż. 3. Wpływ stężenia zanieczyszczeń na odporność germanu i krzemu w temperaturze pokojowej: 1 — krzem, 2 — german

Krzywe na rysunku pokazują, że zanieczyszczenia mają ogromny wpływ na rezystancję: w przypadku germanu zmienia się ona od wartości rezystancji wewnętrznej 60 om x cm do 10-4 om x cm, czyli 5 x 105 razy, a dla krzemu o 3 x 103 do 10-4 ohm x cm, czyli w 3 x 109 raz.

Jako materiał do produkcji rezystorów nieliniowych szczególnie szeroko stosowany jest materiał polikrystaliczny - węglik krzemu.

Ryż. 4. Węglik krzemu

Ograniczniki zaworów do linii elektroenergetycznych wykonane są z węglika krzemu - urządzeń chroniących linię elektroenergetyczną przed przepięciami. W nich dyski wykonane z nieliniowego półprzewodnika (węglika krzemu) przekazują prąd do ziemi pod działaniem fal udarowych występujących w linii. W efekcie zostaje przywrócona normalna praca linii. Przy napięciu roboczym linie rezystancji tych dysków zwiększają się, a prąd upływowy z linii do uziemienia zatrzymuje się.

Węglik krzemu jest wytwarzany sztucznie — przez obróbkę cieplną mieszaniny piasku kwarcowego z węglem w wysokiej temperaturze (2000°C).

W zależności od wprowadzonych dodatków powstają dwa główne rodzaje węglika krzemu: zielony i czarny.Różnią się one między sobą rodzajem przewodnictwa elektrycznego, a mianowicie: zielony węglik krzemu rzuca przewodnictwo elektryczne typu n, a czarny - przewodnictwo typu p.

Dla ograniczniki zaworów węglik krzemu służy do produkcji krążków o średnicy od 55 do 150 mm i wysokości od 20 do 60 mm. W ograniczniku zaworów tarcze z węglika krzemu są połączone szeregowo ze sobą i iskiernikami. Układ składający się z tarcz i świec zapłonowych jest ściskany przez sprężynę śrubową. Za pomocą śruby, ogranicznik jest podłączony do przewodnik linii energetycznej, oraz ° C druga strona ogranicznika jest połączona przewodem z ziemią. Wszystkie części bezpiecznika umieszczone są w porcelanowej kasetce.

Przy normalnym napięciu linii przesyłowej zawór nie przepuszcza prądu sieciowego. Przy zwiększonych napięciach (przepięciach) wytwarzanych przez elektryczność atmosferyczną lub przepięcia wewnętrzne, powstają iskierniki, a dyski zaworów będą pod wysokim napięciem.

Ich rezystancja gwałtownie spadnie, co zapewni upływ prądu z linii do ziemi. Przepływający duży prąd obniży napięcie do normalnego poziomu, a rezystancja w tarczach zaworów wzrośnie. Zawór zostanie zamknięty, to znaczy prąd roboczy linii nie zostanie do nich przekazany.

Węglik krzemu jest również stosowany w prostownikach półprzewodnikowych pracujących w wysokich temperaturach pracy (do 500°C).