Halvledarmaterial — germanium och kisel

Halvledare representerar ett stort område av material som skiljer sig från varandra med en mängd olika elektriska och fysikaliska egenskaper, såväl som med en mängd olika kemiska sammansättningar, vilket bestämmer olika ändamål i deras tekniska användning.

Av kemisk natur kan moderna halvledarmaterial klassificeras i följande fyra huvudgrupper:

1. Kristallina halvledarmaterial som består av atomer eller molekyler av ett enda element. Sådana material är för närvarande allmänt använda germanium, kisel, selen, bor, kiselkarbid, etc.

2. Oxidkristallina halvledarmaterial, dvs. metalloxidmaterial. De viktigaste är: kopparoxid, zinkoxid, kadmiumoxid, titandioxid, nickeloxid, etc. Till denna grupp hör även material baserade på bariumtitanat, strontium, zink och andra oorganiska föreningar med olika små tillsatser.

3. Kristallina halvledarmaterial baserade på föreningar av atomer från den tredje och femte gruppen av Mendeleevs elementsystem. Exempel på sådana material är indium-, gallium- och aluminiumantimonider, d.v.s.föreningar av antimon med indium, gallium och aluminium. Dessa kallades intermetalliska föreningar.

4. Kristallina halvledarmaterial baserade på föreningar av svavel, selen och tellur å ena sidan och koppar, kadmium och gris Ca å andra sidan. Sådana föreningar kallas respektive: sulfider, selenider och tellurider.

Alla halvledarmaterial, som redan nämnts, kan delas in i två grupper efter kristallstruktur. Vissa material är gjorda i form av stora enkristaller (enkristaller), från vilka plattor av olika storlekar skärs i vissa kristallriktningar för användning i likriktare, förstärkare, fotoceller.

Sådana material utgör gruppen av enkristallhalvledare... De vanligaste enkristallmaterialen är germanium och kisel. R-metoder har utvecklats för framställning av enkristaller av kiselkarbid, enkristaller av intermetalliska föreningar.

Andra halvledarmaterial är en blandning av mycket små kristaller slumpmässigt sammanlödda. Sådana material kallas polykristallina... Representanter för polykristallina halvledarmaterial är selen och kiselkarbid, samt material gjorda av olika oxider med hjälp av keramisk teknik.

Överväg ofta använda halvledarmaterial.

Germanium - ett element i den fjärde gruppen av Mendeleevs periodiska system av element. Germanium har en ljus silverfärg. Smältpunkten för germanium är 937,2 ° C. Det finns ofta i naturen, men i mycket små mängder. Närvaron av germanium finns i zinkmalmer och i askan från olika kol. Den huvudsakliga källan till germaniumproduktion är kolaska och avfall från metallurgiska anläggningar.

Ris. 1. Germanium

Germaniumgöt, erhållen som ett resultat av ett antal kemiska operationer, är ännu inte ett ämne som är lämpligt för tillverkning av halvledarenheter från det. Den innehåller olösliga föroreningar, är ännu inte en enda kristall och har ingen tillsats införd i den som bestämmer vilken typ av elektrisk ledningsförmåga som krävs.

Det används i stor utsträckning för att rengöra götet från olösliga föroreningar zonsmältningsmetod... Denna metod kan användas för att ta bort endast de föroreningar som löser sig olika i en given fast halvledare och i dess smälta.

Germanium är mycket hårt men extremt skört och splittras i små bitar vid stöten. Men med hjälp av en diamantsåg eller andra enheter kan den skäras i tunna skivor. Inhemsk industri tillverkar legerat germanium med elektronisk ledningsförmåga olika kvaliteter med resistivitet från 0,003 till 45 ohm NS cm och germanium legerat med elektrisk ledningsförmåga av hål med resistivitet från 0,4 till 5,5 ohm NS cm och högre. Det specifika motståndet för rent germanium vid rumstemperatur ρ = 60 ohm NS cm.

Germanium som halvledarmaterial används i stor utsträckning, inte bara för dioder och trioder, det används för att göra effektlikriktare för höga strömmar, olika sensorer som används för att mäta magnetfältstyrka, resistanstermometrar för låga temperaturer, etc.

Kisel sprids brett i naturen. Det, liksom germanium, är ett element i den fjärde gruppen av Mendeleev-systemet av element och har samma kristallstruktur (kubisk). Polerat kisel antar den metalliska lystern av stål.

Kisel förekommer inte naturligt i det fria tillståndet, även om det är det näst vanligaste grundämnet på jorden och utgör grunden för kvarts och andra mineraler. Kisel kan isoleras i sin elementära form genom högtemperaturreduktion av SiO2-kol. Samtidigt är renheten hos kisel efter syrabehandling ~ 99,8%, och för halvledarinstrument i denna form används den inte.

Högrent kisel erhålls från dess tidigare välrenade flyktiga föreningar (halider, silaner) antingen genom deras högtemperaturreduktion med zink eller väte, eller genom deras termiska sönderdelning. Utsläppt under reaktionen avsätts kisel på reaktionskammarens väggar eller på ett speciellt värmeelement - oftast på en stav gjord av högrent kisel.

Ris. 2. Kisel

Liksom germanium är kisel sprött. Dess smältpunkt är betydligt högre än för germanium: 1423 ° C. Resistansen hos rent kisel vid rumstemperatur ρ = 3 NS 105 ohm-se

Eftersom smältpunkten för kisel är mycket högre än för germanium, ersätts grafitdegeln med en kvartsdegel, eftersom grafit vid höga temperaturer kan reagera med kisel för att bilda kiselkarbid. Dessutom kan grafitföroreningar komma in i smält kisel.

Industrin tillverkar halvledardopat kisel med elektronisk konduktivitet (olika kvaliteter) med resistivitet från 0,01 till 35 ohm x cm och hålledningsförmåga även av olika kvaliteter med resistivitet från 0,05 till 35 ohm x cm.

Kisel, liksom germanium, används i stor utsträckning vid tillverkning av många halvledarenheter.I kisellikriktaren uppnås högre backspänningar och driftstemperaturer (130 - 180 ° C) än i germaniumlikriktare (80 ° C). Spetsen och planet är gjorda av kisel dioder och trioder, fotoceller och andra halvledarenheter.

I fig. 3 visar beroendet av motståndet hos germanium och kisel av båda typerna av koncentrationen av föroreningar i dem.

Ris. 3. Inverkan av koncentrationen av föroreningar på motståndet hos germanium och kisel vid rumstemperatur: 1 — kisel, 2 — germanium

Kurvorna i figuren visar att föroreningar har en enorm effekt på motståndet: i germanium ändras det från det interna motståndsvärdet på 60 ohm x cm till 10-4 ohm x cm, det vill säga 5 x 105 gånger, och för kisel med 3 x 103 till 10-4 ohm x cm, dvs i 3 x 109 en gång.

Som ett material för produktion av icke-linjära motstånd är det polykristallina materialet särskilt allmänt använt - kiselkarbid.

Ris. 4. Kiselkarbid

Ventilbegränsare för kraftledningar är gjorda av kiselkarbid - enheter som skyddar kraftledningen från överspänning. I dem passerar skivor gjorda av en icke-linjär halvledare (kiselkarbid) ström till marken under verkan av överspänningsvågor som uppstår i linjen. Som ett resultat återställs normal drift av linjen. Vid driftspänning ökar motståndslinjerna för dessa skivor och läckströmmen från ledningen till jord stannar.

Kiselkarbid produceras artificiellt - genom värmebehandling av en blandning av kvartssand med kol vid hög temperatur (2000 ° C).

Beroende på vilka tillsatser som introduceras bildas två huvudtyper av kiselkarbid: grön och svart.De skiljer sig från varandra i typen av elektrisk ledningsförmåga, nämligen: grön kiselkarbid kastar elektrisk ledningsförmåga av n-typ, och svart - med ledningsförmåga av p-typ.

För ventilspärrar kiselkarbid används för att tillverka skivor med en diameter på 55 till 150 mm och en höjd på 20 till 60 mm. I ett ventilstopp är kiselkarbidskivor seriekopplade med varandra och med gnistgap. Systemet som består av skivor och tändstift komprimeras av en spiralfjäder. Med en bult kopplas avledaren till kraftledningsledare, och ° C är den andra sidan av avledaren ansluten med en tråd till marken. Alla delar av säkringen placeras i ett porslinsfodral.

Vid normal transmissionsledningsspänning passerar ventilen inte linjeström. Vid ökade spänningar (svallningar) skapade av atmosfärisk elektricitet eller interna överspänningar skapas gnistgap och ventilskivorna kommer att stå under hög spänning.

Deras motstånd kommer att sjunka kraftigt, vilket kommer att säkerställa strömläckage från ledningen till jord. Den höga strömmen som passerar kommer att minska spänningen till det normala och motståndet i ventilskivorna kommer att öka. Ventilen kommer att stängas, det vill säga ledningens driftsström kommer inte att överföras till dem.

Kiselkarbid används också i halvledarlikriktare som arbetar vid höga driftstemperaturer (upp till 500 °C).