Halvledermaterialer - germanium og silicium

Halvledere repræsenterer et stort område af materialer, der adskiller sig fra hinanden med en bred vifte af elektriske og fysiske egenskaber, såvel som med en bred vifte af kemiske sammensætninger, som bestemmer forskellige formål i deres tekniske anvendelse.

Af kemisk natur kan moderne halvledermaterialer klassificeres i følgende fire hovedgrupper:

1. Krystallinske halvledermaterialer opbygget af atomer eller molekyler af et enkelt grundstof. Sådanne materialer er i øjeblikket almindeligt anvendte germanium, silicium, selen, bor, siliciumcarbid osv.

2. Oxidkrystallinske halvledermaterialer, dvs. metaloxidmaterialer. De vigtigste er: kobberoxid, zinkoxid, cadmiumoxid, titaniumdioxid, nikkeloxid osv. Denne gruppe omfatter også materialer baseret på bariumtitanat, strontium, zink og andre uorganiske forbindelser med forskellige små tilsætningsstoffer.

3. Krystallinske halvledermaterialer baseret på forbindelser af atomer fra den tredje og femte gruppe af Mendeleevs grundstofsystem. Eksempler på sådanne materialer er indium-, gallium- og aluminiumantimonider, dvs.forbindelser af antimon med indium, gallium og aluminium. Disse blev kaldt intermetalliske forbindelser.

4. Krystallinske halvledermaterialer baseret på forbindelser af svovl, selen og tellur på den ene side og kobber, cadmium og svine Ca på den anden side. Sådanne forbindelser kaldes henholdsvis: sulfider, selenider og tellurider.

Alle halvledermaterialer, som allerede nævnt, kan opdeles efter krystalstruktur i to grupper. Nogle materialer er lavet i form af store enkeltkrystaller (enkeltkrystaller), hvorfra der skæres plader i forskellige størrelser i bestemte krystalretninger til brug i ensrettere, forstærkere, fotoceller.

Sådanne materialer udgør gruppen af ​​enkeltkrystalhalvledere... De mest almindelige enkeltkrystalmaterialer er germanium og silicium. R-metoder er blevet udviklet til fremstilling af enkeltkrystaller af siliciumcarbid, enkeltkrystaller af intermetalliske forbindelser.

Andre halvledermaterialer er en blanding af meget små krystaller, der er tilfældigt loddet sammen. Sådanne materialer kaldes polykrystallinske... Repræsentanter for polykrystallinske halvledermaterialer er selen og siliciumcarbid samt materialer fremstillet af forskellige oxider ved hjælp af keramisk teknologi.

Overvej udbredte halvledermaterialer.

Germanium - et grundstof i den fjerde gruppe af Mendeleevs periodiske system af grundstoffer. Germanium har en lys sølvfarve. Smeltepunktet for germanium er 937,2 ° C. Det findes ofte i naturen, men i meget små mængder. Tilstedeværelsen af ​​germanium findes i zinkmalme og i asken fra forskellige kul. Den vigtigste kilde til germaniumproduktion er kulaske og affald fra metallurgiske anlæg.

Ris. 1. Germanium

Germanium ingot, opnået som et resultat af en række kemiske operationer, er endnu ikke et stof, der er egnet til fremstilling af halvlederenheder fra det. Det indeholder uopløselige urenheder, er endnu ikke en enkelt krystal og har ikke et additiv indført i det, der bestemmer den nødvendige type elektrisk ledningsevne.

Det er meget brugt til at rense barren fra uopløselige urenheder zone smeltemetode... Denne metode kan bruges til kun at fjerne de urenheder, der opløses forskelligt i en given fast halvleder og i dens smelte.

Germanium er meget hårdt, men ekstremt skørt og splintres i små stykker ved stød. Ved hjælp af en diamantsav eller andre enheder kan den dog skæres i tynde skiver. Indenlandsk industri producerer legeret germanium med elektronisk ledningsevne forskellige kvaliteter med resistivitet fra 0,003 til 45 ohm NS cm og germanium legeret med elektrisk ledningsevne af huller med resistivitet fra 0,4 til 5,5 ohm NS cm og derover. Den specifikke modstand af rent germanium ved stuetemperatur ρ = 60 ohm NS cm.

Germanium som halvledermateriale er meget udbredt, ikke kun til dioder og trioder, det bruges til at lave ensrettere til høje strømme, forskellige sensorer til at måle magnetisk feltstyrke, modstandstermometre til lave temperaturer mv.

Silicium er vidt udbredt i naturen. Det er ligesom germanium et element i den fjerde gruppe af Mendeleev-systemet af elementer og har den samme krystalstruktur (kubisk). Poleret silicium antager den metalliske glans af stål.

Silicium forekommer ikke naturligt i fri tilstand, selv om det er det næstmest udbredte grundstof på Jorden, der danner grundlaget for kvarts og andre mineraler. Silicium kan isoleres i sin elementære form ved højtemperaturreduktion af SiO2-carbon. Samtidig er renheden af ​​silicium efter syrebehandling ~ 99,8%, og for halvlederinstrumenter i denne form bruges den ikke.

Højrent silicium opnås fra dets tidligere godt oprensede flygtige forbindelser (halogenider, silaner) enten ved deres højtemperaturreduktion med zink eller brint eller ved deres termiske nedbrydning. Frigivet under reaktionen aflejres silicium på reaktionskammerets vægge eller på et specielt varmeelement - oftest på en stang lavet af silicium med høj renhed.

Ris. 2. Silicium

Ligesom germanium er silicium skørt. Dens smeltepunkt er væsentligt højere end germanium: 1423 ° C. Modstanden af ​​rent silicium ved stuetemperatur ρ = 3 NS 105 ohm-se

Da siliciums smeltepunkt er meget højere end germaniums, erstattes grafitdigelen med en kvartsdigel, fordi grafit ved høje temperaturer kan reagere med silicium og danne siliciumcarbid. Derudover kan grafitforurenende stoffer trænge ind i smeltet silicium.

Industrien producerer halvlederdoteret silicium med elektronisk ledningsevne (forskellige kvaliteter) med resistivitet fra 0,01 til 35 ohm x cm og hulledningsevne også af forskellige kvaliteter med resistivitet fra 0,05 til 35 ohm x cm.

Silicium er ligesom germanium meget brugt til fremstilling af mange halvlederenheder.I silicium-ensretteren opnås højere omvendte spændinger og driftstemperaturer (130 — 180 ° C) end i germanium-ensretterne (80 ° C). Spidsen og planet er lavet af silicium dioder og trioder, fotoceller og andre halvlederenheder.

I fig. 3 viser afhængigheden af ​​modstanden af ​​germanium og silicium af begge typer på koncentrationen af ​​urenheder i dem.

Ris. 3. Indflydelse af koncentrationen af ​​urenheder på modstanden af ​​germanium og silicium ved stuetemperatur: 1 — silicium, 2 — germanium

Kurverne på figuren viser, at urenheder har en enorm effekt på modstanden: i germanium ændres den fra den indre modstandsværdi på 60 ohm x cm til 10-4 ohm x cm, det vil sige 5 x 105 gange, og for silicium med 3 x 103 til 10-4 ohm x cm, altså i 3 x 109 én gang.

Som materiale til fremstilling af ikke-lineære modstande er det polykrystallinske materiale særligt udbredt - siliciumcarbid.

Ris. 4. Siliciumcarbid

Ventilbegrænsere til strømledninger er lavet af siliciumcarbid - enheder, der beskytter strømledningen mod overspænding. I dem passerer diske lavet af en ikke-lineær halvleder (siliciumcarbid) strøm til jorden under påvirkning af bølgebølger, der forekommer i linjen. Som følge heraf genoprettes normal drift af linjen. Ved driftsspænding stiger disse diskes modstandslinjer, og lækstrømmen fra ledningen til jorden stopper.

Siliciumcarbid fremstilles kunstigt - ved varmebehandling af en blanding af kvartssand med kul ved høj temperatur (2000 ° C).

Afhængigt af de introducerede tilsætningsstoffer dannes to hovedtyper af siliciumcarbid: grøn og sort.De adskiller sig fra hinanden i typen af ​​elektrisk ledningsevne, nemlig: grøn siliciumcarbid kaster n-type elektrisk ledningsevne, og sort - med p-type ledningsevne.

Til ventilbegrænsere siliciumcarbid bruges til at fremstille skiver med en diameter på 55 til 150 mm og en højde på 20 til 60 mm. I et ventilstop er siliciumcarbidskiver forbundet i serie med hinanden og med gnistgab. Systemet bestående af skiver og tændrør komprimeres af en spiralfjeder. Med en bolt forbindes aflederen til strømledningsleder, og ° C er den anden side af aflederen forbundet med en ledning til jorden. Alle dele af sikringen er placeret i en porcelænskasse.

Ved normal transmissionsledningsspænding passerer ventilen ikke ledningsstrøm. Ved øgede spændinger (overspændinger) skabt af atmosfærisk elektricitet eller interne overspændinger skabes gnistgab, og ventilskiverne vil være under højspænding.

Deres modstand vil falde kraftigt, hvilket vil sikre strømlækage fra ledningen til jorden. Den høje strøm, der passeres, vil reducere spændingen til normal, og modstanden i ventilskiverne vil stige. Ventilen vil være lukket, det vil sige, at ledningens driftsstrøm ikke overføres til dem.

Siliciumcarbid bruges også i halvlederensrettere, der arbejder ved høje driftstemperaturer (op til 500 °C).