Materiale semiconductoare - germaniu și siliciu

Semiconductorii reprezintă o arie vastă de materiale care diferă unele de altele printr-o mare varietate de proprietăți electrice și fizice, precum și cu o mare varietate de compoziții chimice, ceea ce determină diferite scopuri în utilizarea lor tehnică.

După natura chimică, materialele semiconductoare moderne pot fi clasificate în următoarele patru grupe principale:

1. Materiale semiconductoare cristaline formate din atomi sau molecule ale unui singur element. Astfel de materiale sunt în prezent utilizate pe scară largă germaniu, siliciu, seleniu, bor, carbură de siliciu etc.

2. Materiale semiconductoare cristaline de oxid, i.e. materiale cu oxid de metal. Principalele sunt: ​​oxid de cupru, oxid de zinc, oxid de cadmiu, dioxid de titan, oxid de nichel etc. Această grupă include și materiale pe bază de titanat de bariu, stronțiu, zinc și alți compuși anorganici cu diverși aditivi mici.

3. Materiale semiconductoare cristaline bazate pe compuși ai atomilor din grupele a treia și a cincea din sistemul de elemente al lui Mendeleev. Exemple de astfel de materiale sunt antimonidele de indiu, galiu și aluminiu, adicăcompuși ai antimoniului cu indiu, galiu și aluminiu. Aceștia au fost numiți compuși intermetalici.

4. Materiale semiconductoare cristaline pe bază de compuși ai sulfului, seleniului și telurului, pe de o parte, și ai cuprului, cadmiului și Ca porc, pe de altă parte. Astfel de compuși se numesc, respectiv: sulfuri, selenide și telururi.

Toate materialele semiconductoare, așa cum s-a menționat deja, pot fi împărțite după structura cristalină în două grupuri. Unele materiale sunt realizate sub formă de monocristale mari (single cristale), din care plăci de diferite dimensiuni sunt tăiate în anumite direcții de cristal pentru utilizare în redresoare, amplificatoare, fotocelule.

Astfel de materiale alcătuiesc grupul semiconductorilor monocristal... Cele mai comune materiale monocristaline sunt germaniul și siliciul. RMetode au fost dezvoltate pentru producerea de monocristale de carbură de siliciu, monocristale de compuși intermetalici.

Alte materiale semiconductoare sunt un amestec de cristale foarte mici lipite aleatoriu împreună. Astfel de materiale se numesc policristaline... Reprezentanții materialelor semiconductoare policristaline sunt seleniul și carbura de siliciu, precum și materialele realizate din diverși oxizi folosind tehnologia ceramicii.

Luați în considerare materialele semiconductoare utilizate pe scară largă.

Germaniu - un element din al patrulea grup al sistemului periodic de elemente al lui Mendeleev. Germaniul are o culoare argintie strălucitoare. Punctul de topire al germaniului este de 937,2 ° C. Se găsește adesea în natură, dar în cantități foarte mici. Prezența germaniului se găsește în minereurile de zinc și în cenușa diverșilor cărbuni. Principala sursă de producție de germaniu este cenușa de cărbune și deșeurile din fabricile metalurgice.

Orez. 1. Germaniu

Lingoul de germaniu, obținut în urma unui număr de operațiuni chimice, nu este încă o substanță potrivită pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare din acesta. Conține impurități insolubile, nu este încă un singur cristal și nu are un aditiv introdus în el care să determine tipul necesar de conductivitate electrică.

Este utilizat pe scară largă pentru a curăța lingoul de impuritățile insolubile, metoda de topire a zonei... Această metodă poate fi folosită pentru a îndepărta numai acele impurități care se dizolvă diferit într-un anumit semiconductor solid și în topitura acestuia.

Germaniul este foarte dur, dar extrem de fragil și se sparge în bucăți mici la impact. Cu toate acestea, folosind un ferăstrău cu diamant sau alte dispozitive, acesta poate fi tăiat în felii subțiri. Industria internă produce germaniu aliat cu conductivitate electronică diferite grade cu rezistivitate de la 0,003 la 45 ohmi NS cm și germaniu aliat cu conductivitate electrică a găurilor cu rezistivitate de la 0,4 la 5,5 ohmi NS cm și mai sus. Rezistența specifică a germaniului pur la temperatura camerei ρ = ​​60 ohm NS cm.

Germaniul ca material semiconductor este utilizat pe scară largă nu numai pentru diode și triode, ci este folosit pentru a face redresoare de putere pentru curenți mari, diverși senzori utilizați pentru măsurarea intensității câmpului magnetic, termometre de rezistență pentru temperaturi scăzute etc.

Siliciu larg distribuit în natură. El, ca și germaniul, este un element din a patra grupă a sistemului de elemente Mendeleev și are aceeași structură cristalină (cubică). Siliciul lustruit capătă luciul metalic al oțelului.

Siliciul nu se găsește în mod natural în stare liberă, deși este al doilea element cel mai abundent de pe Pământ, formând baza cuarțului și a altor minerale. Siliciul poate fi izolat în forma sa elementară prin reducerea la temperatură ridicată a carbonului SiO2. În același timp, puritatea siliciului după tratamentul cu acid este de ~ 99,8%, iar pentru dispozitivele instrumentale semiconductoare sub această formă, nu este utilizat.

Siliciul de înaltă puritate este obținut din compușii săi volatili bine purificați anterior (halogenuri, silani) fie prin reducerea lor la temperatură ridicată cu zinc sau hidrogen, fie prin descompunerea lor termică. Eliberat în timpul reacției, siliciul este depus pe pereții camerei de reacție sau pe un element special de încălzire - cel mai adesea pe o tijă din siliciu de înaltă puritate.

Orez. 2. Siliciu

Ca și germaniul, siliciul este fragil. Punctul său de topire este semnificativ mai mare decât cel al germaniului: 1423 ° C. Rezistența siliciului pur la temperatura camerei ρ = ​​3 NS 105 ohm-vezi

Deoarece punctul de topire al siliciului este mult mai mare decât cel al germaniului, creuzetul de grafit este înlocuit cu un creuzet de cuarț, deoarece grafitul la temperaturi ridicate poate reacționa cu siliciul pentru a forma carbură de siliciu. În plus, contaminanții din grafit pot pătrunde pe siliciu topit.

Industria produce siliciu dopat cu semiconductori cu conductivitate electronică (diverse grade) cu rezistivitate de la 0,01 până la 35 ohm x cm și conductivitate în găuri, de asemenea, de diferite grade, cu rezistivitate de la 0,05 la 35 ohm x cm.

Siliciul, precum germaniul, este utilizat pe scară largă la fabricarea multor dispozitive semiconductoare.În redresorul cu siliciu se obțin tensiuni inverse și temperaturi de funcționare mai mari (130 — 180 ° C) decât în ​​redresoarele cu germaniu (80 ° C). Punctul și planul sunt realizate din siliciu diode și triode, fotocelule și alte dispozitive semiconductoare.

În fig. 3 arată dependențele rezistenței germaniului și siliciului ambelor tipuri de concentrația de impurități din acestea.

Orez. 3. Influența concentrației de impurități asupra rezistenței germaniului și siliciului la temperatura camerei: 1 — siliciu, 2 — germaniu

Curbele din figură arată că impuritățile au un efect uriaș asupra rezistenței: în germaniu, aceasta se schimbă de la valoarea rezistenței interne de 60 ohm x cm la 10-4 ohm x cm, adică de 5 x 105 ori, iar pentru siliciu cu 3 x 103 până la 10-4 ohmi x cm, adică în 3 x 109 o dată.

Ca material pentru producția de rezistențe neliniare, materialul policristalin este deosebit de utilizat pe scară largă - carbură de siliciu.

Orez. 4. Carbură de siliciu

Limitatoarele de supape pentru liniile electrice sunt fabricate din carbură de siliciu - dispozitive care protejează linia de alimentare împotriva supratensiunii. În ele, discurile realizate dintr-un semiconductor neliniar (carbură de siliciu) trec curent către pământ sub acțiunea undelor de supratensiune care apar în linie. Ca rezultat, funcționarea normală a liniei este restabilită. La tensiunea de funcționare, liniile de rezistență ale acestor discuri cresc și curentul de scurgere de la linie la masă se oprește.

Carbura de siliciu este produsă artificial - prin tratarea termică a unui amestec de nisip de cuarț cu cărbune la temperatură ridicată (2000 ° C).

În funcție de aditivii introduși, se formează două tipuri principale de carbură de siliciu: verde și negru.Ele diferă unele de altele prin tipul de conductivitate electrică, și anume: carbura de siliciu verde aruncă conductivitate electrică de tip n, iar negru - cu conductivitate de tip p.

Pentru restrictoare de supape carbura de siliciu este folosită pentru a produce discuri cu un diametru de 55 până la 150 mm și o înălțime de 20 până la 60 mm. Într-o supapă de oprire, discurile din carbură de siliciu sunt conectate în serie între ele și cu eclatoare. Sistemul format din discuri si bujii este comprimat de un arc elicoidal. Cu un șurub, descărcătorul este conectat la conductor de linie electrică, iar ° C cealaltă parte a descărcător este conectată printr-un fir la pământ. Toate părțile siguranței sunt plasate într-o cutie de porțelan.

La tensiunea normală a liniei de transmisie, supapa nu trece curentul de linie. La tensiuni crescute (supratensiuni) create de electricitatea atmosferică sau de supratensiuni interne, se creează eclatoare, iar discurile supapelor vor fi sub tensiune înaltă.

Rezistența lor va scădea brusc, ceea ce va asigura scurgerea curentului de la linie la pământ. Curentul mare trecut va reduce tensiunea la normal, iar rezistența în discurile supapelor va crește. Supapa va fi închisă, adică curentul de funcționare al liniei nu le va fi transmis.

Carbura de siliciu este utilizată și în redresoarele cu semiconductori care funcționează la temperaturi ridicate de funcționare (până la 500 °C).