Halvledermaterialer - germanium og silisium
Halvledere representerer et stort område av materialer som skiller seg fra hverandre med et bredt spekter av elektriske og fysiske egenskaper, samt med et bredt spekter av kjemisk sammensetning, som bestemmer forskjellige formål i deres tekniske bruk.
Av kjemisk natur kan moderne halvledermaterialer klassifiseres i følgende fire hovedgrupper:
1. Krystallinske halvledermaterialer som består av atomer eller molekyler av et enkelt element. Slike materialer er for tiden mye brukt germanium, silisium, selen, bor, silisiumkarbid, etc.
2. Oksydkrystallinske halvledermaterialer, dvs. metalloksidmaterialer. De viktigste er: kobberoksid, sinkoksid, kadmiumoksid, titandioksid, nikkeloksid, etc. Denne gruppen inkluderer også materialer basert på bariumtitanat, strontium, sink og andre uorganiske forbindelser med ulike små tilsetningsstoffer.
3. Krystallinske halvledermaterialer basert på forbindelser av atomer fra den tredje og femte gruppen av Mendeleevs grunnstoffsystem. Eksempler på slike materialer er indium-, gallium- og aluminiumantimonider, dvs.forbindelser av antimon med indium, gallium og aluminium. Disse ble kalt intermetalliske forbindelser.
4. Krystallinske halvledermaterialer basert på forbindelser av svovel, selen og tellur på den ene siden og kobber, kadmium og gris Ca på den andre. Slike forbindelser kalles henholdsvis: sulfider, selenider og tellurider.
Alle halvledermaterialer, som allerede nevnt, kan deles etter krystallstruktur i to grupper. Noen materialer er laget i form av store enkeltkrystaller (enkeltkrystaller), hvorfra plater av forskjellige størrelser kuttes i visse krystallretninger for bruk i likerettere, forsterkere, fotoceller.
Slike materialer utgjør gruppen enkeltkrystallhalvledere... De vanligste enkrystallmaterialene er germanium og silisium. R-metoder er utviklet for produksjon av enkeltkrystaller av silisiumkarbid, enkeltkrystaller av intermetalliske forbindelser.
Andre halvledermaterialer er en blanding av svært små krystaller som er tilfeldig loddet sammen. Slike materialer kalles polykrystallinske... Representanter for polykrystallinske halvledermaterialer er selen og silisiumkarbid, samt materialer laget av ulike oksider ved hjelp av keramisk teknologi.
Vurder mye brukte halvledermaterialer.
Germanium - et element i den fjerde gruppen av Mendeleevs periodiske system av elementer. Germanium har en lys sølvfarge. Smeltepunktet til germanium er 937,2 ° C. Det finnes ofte i naturen, men i svært små mengder. Tilstedeværelsen av germanium finnes i sinkmalm og i asken fra forskjellige kull. Hovedkilden til germaniumproduksjon er kullaske og avfall fra metallurgiske anlegg.
Ris. 1. Germanium
Germanium ingot, oppnådd som et resultat av en rekke kjemiske operasjoner, er ennå ikke et stoff som er egnet for fremstilling av halvlederenheter fra det. Den inneholder uoppløselige urenheter, er ennå ikke en enkelt krystall og har ikke et tilsetningsstoff introdusert i den som bestemmer den nødvendige typen elektrisk ledningsevne.
Den er mye brukt for å rense ingoten fra uoppløselige urenheter sone smeltemetoden... Denne metoden kan brukes til å fjerne bare de urenhetene som løser seg annerledes i en gitt fast halvleder og i dens smelte.
Germanium er veldig hardt, men ekstremt sprøtt og knuser i små biter ved støt. Ved hjelp av en diamantsag eller andre enheter kan den imidlertid kuttes i tynne skiver. Innenlandsk industri produserer legert germanium med elektronisk ledningsevne ulike kvaliteter med resistivitet fra 0,003 til 45 ohm NS cm og germanium legert med elektrisk ledningsevne av hull med resistivitet fra 0,4 til 5,5 ohm NS cm og over. Den spesifikke motstanden til rent germanium ved romtemperatur ρ = 60 ohm NS cm.
Germanium som halvledermateriale er mye brukt ikke bare for dioder og trioder, det brukes til å lage strømlikerettere for høye strømmer, forskjellige sensorer som brukes til å måle magnetisk feltstyrke, motstandstermometre for lave temperaturer, etc.
Silisium utbredt i naturen. Det, som germanium, er et element i den fjerde gruppen av Mendeleev-systemet av elementer og har samme krystallstruktur (kubikk). Polert silisium tar på seg den metalliske glansen til stål.
Silisium forekommer ikke naturlig i fri tilstand, selv om det er det nest mest tallrike grunnstoffet på jorden, og danner grunnlaget for kvarts og andre mineraler. Silisium kan isoleres i sin elementære form ved høytemperaturreduksjon av SiO2-karbon. Samtidig er renheten til silisium etter syrebehandling ~ 99,8%, og for halvlederinstrumenter i denne formen brukes den ikke.
Høyrent silisium oppnås fra dets tidligere godt rensede flyktige forbindelser (halogenider, silaner) enten ved høytemperaturreduksjon med sink eller hydrogen, eller ved termisk nedbrytning. Frigitt under reaksjonen avsettes silisium på veggene i reaksjonskammeret eller på et spesielt varmeelement - oftest på en stang laget av silisium med høy renhet.
Ris. 2. Silisium
Som germanium er silisium sprøtt. Dens smeltepunkt er betydelig høyere enn for germanium: 1423 ° C. Motstanden til rent silisium ved romtemperatur ρ = 3 NS 105 ohm-se
Siden smeltepunktet til silisium er mye høyere enn for germanium, erstattes grafittdigelen med en kvartsdigel, fordi grafitt ved høye temperaturer kan reagere med silisium og danne silisiumkarbid. I tillegg kan grafittforurensninger komme inn i smeltet silisium.
Industrien produserer halvlederdotert silisium med elektronisk ledningsevne (ulike kvaliteter) med resistivitet fra 0,01 til 35 ohm x cm og hullledningsevne også av ulike kvaliteter med resistivitet fra 0,05 til 35 ohm x cm.
Silisium, som germanium, er mye brukt i produksjonen av mange halvlederenheter.I silisium-likeretteren oppnås høyere reversspenninger og driftstemperaturer (130 - 180 ° C) enn i germanium-likeretterne (80 ° C). Spissen og planet er laget av silisium dioder og trioder, fotoceller og andre halvlederenheter.
I fig. 3 viser avhengigheten av motstanden til germanium og silisium av begge typer på konsentrasjonen av urenheter i dem.
Ris. 3. Påvirkning av konsentrasjonen av urenheter på motstanden til germanium og silisium ved romtemperatur: 1 — silisium, 2 — germanium
Kurvene i figuren viser at urenheter har en enorm effekt på motstanden: i germanium endres den fra den indre motstandsverdien på 60 ohm x cm til 10-4 ohm x cm, det vil si 5 x 105 ganger, og for silisium med 3 x 103 til 10-4 ohm x cm, dvs. i 3 x 109 én gang.
Som et materiale for produksjon av ikke-lineære motstander er det polykrystallinske materialet spesielt mye brukt - silisiumkarbid.
Ris. 4. Silisiumkarbid
Ventilbegrensere for kraftledninger er laget av silisiumkarbid - enheter som beskytter kraftledningen mot overspenning. I dem passerer disker laget av en ikke-lineær halvleder (silisiumkarbid) strøm til bakken under påvirkning av bølgebølger som oppstår i linjen. Som et resultat gjenopprettes normal drift av linjen. Ved driftsspenning øker motstandslinjene til disse diskene og lekkasjestrømmen fra ledningen til jord stopper.
Silisiumkarbid produseres kunstig - ved varmebehandling av en blanding av kvartssand med kull ved høy temperatur (2000 ° C).
Avhengig av tilsetningsstoffene som introduseres, dannes to hovedtyper silisiumkarbid: grønn og svart.De skiller seg fra hverandre i typen elektrisk ledningsevne, nemlig: grønn silisiumkarbid kaster n-type elektrisk ledningsevne, og svart - med p-type ledningsevne.
Til ventilbegrensere silisiumkarbid brukes til å produsere skiver med en diameter på 55 til 150 mm og en høyde på 20 til 60 mm. I et ventilstopp er silisiumkarbidskiver koblet i serie med hverandre og med gnistgap. Systemet bestående av skiver og tennplugger komprimeres av en spiralfjær. Med en bolt kobles avlederen til kraftledningsleder, og ° C er den andre siden av avlederen forbundet med en ledning til bakken. Alle deler av sikringen er plassert i en porselenskasse.
Ved normal overføringslinjespenning passerer ikke ventilen linjestrøm. Ved økte spenninger (overspenninger) skapt av atmosfærisk elektrisitet eller interne overspenninger, dannes gnistgap og ventilskivene vil stå under høy spenning.
Motstanden deres vil synke kraftig, noe som vil sikre strømlekkasje fra ledningen til bakken. Den høye strømmen som passeres vil redusere spenningen til normal og motstanden i ventilskivene vil øke. Ventilen vil være stengt, det vil si at driftsstrømmen til linjen ikke vil bli overført til dem.
Silisiumkarbid brukes også i halvlederlikerettere som opererer ved høye driftstemperaturer (opptil 500 °C).