Polovodičové materiály — germanium a křemík

Polovodiče představují rozsáhlou oblast materiálů, které se od sebe liší širokou škálou elektrických a fyzikálních vlastností a také širokou škálou chemického složení, které určuje různé účely jejich technického použití.

Podle chemické povahy lze moderní polovodičové materiály rozdělit do následujících čtyř hlavních skupin:

1. Krystalické polovodičové materiály složené z atomů nebo molekul jednoho prvku. Takovými materiály jsou v současnosti široce používané germanium, křemík, selen, bor, karbid křemíku atd.

2. Oxidové krystalické polovodičové materiály, tzn. materiály z oxidů kovů. Mezi hlavní patří: oxid mědi, oxid zinečnatý, oxid kademnatý, oxid titaničitý, oxid niklu atd. Do této skupiny patří také materiály na bázi titaničitanu barnatého, stroncia, zinku a dalších anorganických sloučenin s různými drobnými přísadami.

3. Krystalické polovodičové materiály na bázi sloučenin atomů třetí a páté skupiny Mendělejevovy soustavy prvků. Příklady takových materiálů jsou indium, gallium a antimonidy hliníku, tzn.sloučeniny antimonu s indiem, galliem a hliníkem. Tyto byly nazývány intermetalické sloučeniny.

4. Krystalické polovodičové materiály na bázi sloučenin síry, selenu a teluru na jedné straně a mědi, kadmia a prasečího Ca na straně druhé. Takové sloučeniny se nazývají: sulfidy, selenidy a teluridy.

Všechny polovodičové materiály, jak již bylo zmíněno, lze rozdělit podle krystalové struktury do dvou skupin. Některé materiály jsou vyráběny ve formě velkých monokrystalů (jednokrystalů), ze kterých se v určitých krystalových směrech vyřezávají desky různých velikostí pro použití v usměrňovačích, zesilovačích, fotočláncích.

Takové materiály tvoří skupinu monokrystalických polovodičů... Nejběžnější monokrystalické materiály jsou germanium a křemík. Metody RM byly vyvinuty pro výrobu monokrystalů karbidu křemíku, monokrystalů intermetalických sloučenin.

Jiné polovodičové materiály jsou směsí velmi malých krystalů náhodně pájených dohromady. Takové materiály se nazývají polykrystalické... Zástupci polykrystalických polovodičových materiálů jsou selen a karbid křemíku a také materiály vyrobené z různých oxidů keramickou technologií.

Zvažte široce používané polovodičové materiály.

Germanium — prvek čtvrté skupiny Mendělejevovy periodické soustavy prvků. Germanium má zářivě stříbrnou barvu. Bod tání germania je 937,2 ° C. Často se vyskytuje v přírodě, ale ve velmi malých množstvích. Přítomnost germania se nachází v zinkových rudách a v popelu různých uhlí. Hlavním zdrojem produkce germania je uhelný popel a odpad z hutních provozů.

Rýže. 1. Germanium

Germaniový ingot, získaný řadou chemických operací, zatím není látkou vhodnou pro výrobu polovodičových součástek z něj. Obsahuje nerozpustné nečistoty, není ještě monokrystal a není v něm zavedena přísada, která určuje požadovaný typ elektrické vodivosti.

Hojně se používá k čištění ingotu od nerozpustných nečistot zónová metoda tavení... Touto metodou lze odstranit pouze ty nečistoty, které se v daném pevném polovodiči a v jeho tavenině rozpouštějí odlišně.

Germanium je velmi tvrdé, ale extrémně křehké a při nárazu se roztříští na malé kousky. Pomocí diamantové pily nebo jiných zařízení jej však lze nakrájet na tenké plátky. Domácí průmysl vyrábí legované germanium s elektronická vodivost různé kvality s měrným odporem od 0,003 do 45 ohmů NS cm a germanium legované s elektrickou vodivostí otvorů s odporem od 0,4 do 5,5 ohmů NS cm a více. Měrný odpor čistého germania při pokojové teplotě ρ = 60 ohm NS cm.

Germanium jako polovodičový materiál má široké využití nejen pro diody a triody, vyrábí se z něj výkonové usměrňovače pro vysoké proudy, různé senzory používané k měření síly magnetického pole, odporové teploměry pro nízké teploty atd.

Křemík široce rozšířený v přírodě. Je stejně jako germanium prvkem čtvrté skupiny Mendělejevovy soustavy prvků a má stejnou krystalickou (kubickou) strukturu. Leštěný křemík přebírá kovový lesk oceli.

Křemík se přirozeně nevyskytuje ve volném stavu, i když je druhým nejrozšířenějším prvkem na Zemi, tvoří základ křemene a dalších minerálů. Křemík lze izolovat ve své elementární formě vysokoteplotní redukcí uhlíku SiO2. Čistota křemíku po úpravě kyselinou je přitom ~ 99,8 % a pro polovodičová přístrojová zařízení v této podobě se nepoužívá.

Vysoce čistý křemík se získává z jeho dříve dobře vyčištěných těkavých sloučenin (halogenidy, silany) buď jejich vysokoteplotní redukcí zinkem nebo vodíkem, nebo jejich tepelným rozkladem. Křemík, který se uvolňuje během reakce, se ukládá na stěnách reakční komory nebo na speciálním topném tělese — nejčastěji na tyči vyrobené z vysoce čistého křemíku.

Rýže. 2. Křemík

Stejně jako germanium je křemík křehký. Jeho bod tání je výrazně vyšší než u germania: 1423 °C. Odpor čistého křemíku při pokojové teplotě ρ = 3 NS 105 ohm-viz.

Protože bod tání křemíku je mnohem vyšší než bod tání germania, je grafitový kelímek nahrazen křemenným kelímkem, protože grafit může při vysokých teplotách reagovat s křemíkem za vzniku karbidu křemíku. Kromě toho se do roztaveného křemíku mohou dostat nečistoty z grafitu.

Průmysl vyrábí polovodičový dopovaný křemík s elektronickou vodivostí (různé třídy) s měrným odporem od 0,01 do 35 ohm x cm a děrovou vodivostí také různých jakostí s měrným odporem od 0,05 do 35 ohm x cm.

Křemík, stejně jako germanium, je široce používán při výrobě mnoha polovodičových zařízení.V křemíkovém usměrňovači je dosahováno vyšších zpětných napětí a provozních teplot (130 — 180 °C) než v germaniových usměrňovačích (80 °C). Hrot a rovina jsou vyrobeny z křemíku diody a triody, fotobuňky a další polovodičová zařízení.

Na Obr. 3 jsou uvedeny závislosti odolnosti germania a křemíku obou typů na koncentraci nečistot v nich.

Rýže. 3. Vliv koncentrace nečistot na odolnost germania a křemíku při pokojové teplotě: 1 — křemík, 2 — germanium

Křivky na obrázku ukazují, že nečistoty mají obrovský vliv na odpor: u germania se změní z hodnoty vnitřního odporu 60 ohm x cm na 10-4 ohm x cm, tedy 5 x 105krát, a pro křemíku o 3 x 103 až 10-4 ohm x cm, tj. jednorázově 3 x 109.

Jako materiál pro výrobu nelineárních rezistorů je široce používán zejména polykrystalický materiál - karbid křemíku.

Rýže. 4. Karbid křemíku

Ventilové omezovače pro elektrické vedení jsou vyrobeny z karbidu křemíku - zařízení, která chrání elektrické vedení před přepětím. V nich disky vyrobené z nelineárního polovodiče (karbidu křemíku) propouštějí proud do země působením rázových vln vyskytujících se ve vedení. V důsledku toho je obnoven normální provoz linky. Při provozním napětí se čáry odporu těchto disků zvětší a unikající proud z vedení do země se zastaví.

Karbid křemíku se vyrábí uměle — tepelným zpracováním směsi křemenného písku s uhlím při vysoké teplotě (2000 °C).

V závislosti na zaváděných přísadách se tvoří dva hlavní typy karbidu křemíku: zelený a černý.Liší se od sebe v typu elektrické vodivosti, a to: zelený karbid křemíku hází elektrickou vodivost typu n a černý - s vodivostí typu p.

Pro ventilové omezovače Karbid křemíku se používá k výrobě kotoučů o průměru 55 až 150 mm a výšce 20 až 60 mm. Ve ventilovém dorazu jsou kotouče z karbidu křemíku zapojeny do série navzájem a s jiskřištěm. Systém skládající se z kotoučů a zapalovacích svíček je stlačován vinutou pružinou. Pomocí šroubu je svodič připojen k vodič elektrického vedení, a °C druhá strana svodiče je spojena vodičem se zemí. Všechny části pojistky jsou umístěny v porcelánovém pouzdře.

Při normálním napětí v přenosové síti ventil nepropouští proud ve vedení. Při zvýšených napětích (přepětí) vzniklých atmosférickou elektřinou nebo vnitřními rázy vznikají jiskřiště a kotouče ventilů budou pod vysokým napětím.

Jejich odpor prudce klesne, což zajistí únik proudu z vedení do země. Vysoký procházející proud sníží napětí na normál a odpor v kotoučích ventilů se zvýší. Ventil bude uzavřen, to znamená, že na ně nebude přenášen provozní proud vedení.

Karbid křemíku se také používá v polovodičových usměrňovačích pracujících při vysokých provozních teplotách (až 500 °C).