Полупроводнички материјали — германијум и силицијум

Полупроводници представљају огромну област материјала који се међусобно разликују широким спектром електричних и физичких својстава, као и широким спектром хемијског састава, што одређује различите намене у њиховој техничкој употреби.

По хемијској природи, савремени полупроводнички материјали се могу класификовати у следеће четири главне групе:

1. Кристални полупроводнички материјали сачињени од атома или молекула једног елемента. Такви материјали су тренутно широко коришћени германијум, силицијум, селен, бор, силицијум карбид итд.

2. Оксидни кристални полупроводнички материјали, тј. метални оксидни материјали. Главни су: бакар оксид, цинк оксид, кадмијум оксид, титанијум диоксид, никл оксид итд. У ову групу спадају и материјали на бази баријум титаната, стронцијума, цинка и других неорганских једињења са разним малим адитивима.

3. Кристални полупроводнички материјали на бази једињења атома из треће и пете групе Мендељејевљевог система елемената. Примери таквих материјала су индијум, галијум и алуминијум антимониди, тј.једињења антимона са индијумом, галијумом и алуминијумом. То су названа интерметална једињења.

4. Кристални полупроводнички материјали на бази једињења сумпора, селена и телура са једне стране и бакра, кадмијума и свињског Ца са друге стране. Таква једињења се називају, респективно: сулфиди, селениди и телуриди.

Сви полупроводнички материјали, као што је већ поменуто, могу се поделити по кристалној структури у две групе. Неки материјали се израђују у облику великих монокристала (сингле кристала), од којих се у одређеним правцима кристала секу плоче различитих величина за употребу у исправљачима, појачавачима, фотоћелијама.

Такви материјали чине групу монокристалних полупроводника... Најчешћи монокристални материјали су германијум и силицијум. Развијене су Рметоде за производњу монокристала силицијум карбида, монокристала интерметалних једињења.

Остали полупроводнички материјали су мешавина веома малих кристала насумично залемљених заједно. Такви материјали се називају поликристални... Представници поликристалних полупроводничких материјала су селен и силицијум карбид, као и материјали направљени од разних оксида по керамичкој технологији.

Размотрите широко коришћене полупроводничке материјале.

Германијум — елемент четврте групе Мендељејевљевог периодног система елемената. Германијум има светлу сребрну боју. Тачка топљења германијума је 937,2 ° Ц. Често се налази у природи, али у врло малим количинама. Присуство германијума се налази у рудама цинка и у пепелу разних угља. Главни извор производње германијума је пепео од угља и отпад из металуршких постројења.

Пиринач. 1. Германијум

Германијумски ингот, добијен као резултат низа хемијских операција, још није супстанца погодна за производњу полупроводничких уређаја од њега. Садржи нерастворљиве нечистоће, још није појединачни кристал и нема унесен адитив који одређује потребну врсту електричне проводљивости.

Широко се користи за чишћење ингота од нерастворљивих нечистоћа методом зонског топљења... Овај метод се може користити за уклањање само оних нечистоћа које се различито растварају у датом чврстом полупроводнику и у његовом растопу.

Германијум је веома тврд, али изузетно крхак и распада се на мале комадиће при удару. Међутим, помоћу дијамантске тестере или других уређаја, може се исећи на танке кришке. Домаћа индустрија производи легирани германијум са електронска проводљивост различите класе са отпорношћу од 0,003 до 45 ома НС цм и легираним германијумом са електричном проводљивошћу рупа са отпорношћу од 0,4 до 5,5 ома НС цм и више. Специфични отпор чистог германијума на собној температури ρ = 60 ома НС цм.

Германијум као полупроводнички материјал има широку примену не само за диоде и триоде, већ се користи за израду енергетских исправљача за велике струје, разних сензора који се користе за мерење јачине магнетног поља, отпорних термометара за ниске температуре итд.

Силицијум је широко распрострањен у природи. Он је, као и германијум, елемент четврте групе Мендељејевског система елемената и има исту кристалну (кубичну) структуру. Полирани силицијум поприма метални сјај челика.

Силицијум се не јавља природно у слободном стању, иако је други најзаступљенији елемент на Земљи, чинећи основу кварца и других минерала. Силицијум се може изоловати у свом елементарном облику високотемпературном редукцијом СиО2 угљеника. Истовремено, чистоћа силицијума након третмана киселином је ~ 99,8%, а за полупроводничке инструменталне уређаје у овом облику се не користи.

Силицијум високе чистоће се добија из његових претходно добро пречишћених испарљивих једињења (халогенида, силана) било њиховом високотемпературном редукцијом цинком или водоником, или њиховим термичким разлагањем. Ослобођен током реакције, силицијум се одлаже на зидове реакционе коморе или на посебан грејни елемент — најчешће на штап од силицијума високе чистоће.

Пиринач. 2. Силицијум

Као и германијум, силицијум је крхак. Његова тачка топљења је знатно виша од германијума: 1423 ° Ц. Отпор чистог силицијума на собној температури ρ = 3 НС 105 ома-види

Пошто је тачка топљења силицијума много виша од оне код германијума, графитни лончић је замењен кварцним лонцем, јер графит на високим температурама може да реагује са силицијумом и формира силицијум карбид. Поред тога, загађивачи графита могу ући у растопљени силицијум.

Индустрија производи силицијум допиран полупроводницима са електронском проводљивошћу (различитих разреда) са отпорношћу од 0,01 до 35 охм к цм и проводљивошћу рупа такође различитих разреда са отпорношћу од 0,05 до 35 охм к цм.

Силицијум се, као и германијум, широко користи у производњи многих полупроводничких уређаја.У силицијумском исправљачу постижу се већи реверзни напони и радне температуре (130 — 180 °Ц) него у германијумским исправљачима (80 °Ц). Тачка и раван су направљени од силикона диоде и триоде, фотоћелије и други полупроводнички уређаји.

На сл. 3 приказане су зависности отпора германијума и силицијума оба типа од концентрације примеса у њима.

Пиринач. 3. Утицај концентрације примеса на отпор германијума и силицијума на собној температури: 1 — силицијум, 2 — германијум

Криве на слици показују да нечистоће имају огроман утицај на отпор: у германијуму се он мења од вредности унутрашњег отпора од 60 охм к цм до 10-4 ома к цм, односно за 5 к 105 пута, а за силицијум од 3 к 103 до 10-4 ома к цм, односно у 3 к 109 једном.

Као материјал за производњу нелинеарних отпорника, посебно се користи поликристални материјал - силицијум карбид.

Пиринач. 4. Силицијум карбид

Од силицијум карбида су направљени лимитатори вентила за далеководе - уређаји који штите далековод од пренапона. У њима, дискови направљени од нелинеарног полупроводника (силицијум карбида) пропуштају струју до земље под дејством таласа пренапона који се јављају у линији. Као резултат, нормалан рад линије је обновљен. При радном напону линије отпора ових дискова се повећавају и струја цурења од линије до земље престаје.

Силицијум карбид се производи вештачки — топлотном обрадом мешавине кварцног песка са угљем на високој температури (2000 ° Ц).

У зависности од унетих адитива, формирају се две главне врсте силицијум карбида: зелена и црна.Они се разликују једни од других по врсти електричне проводљивости, наиме: зелени силицијум карбид баца електричну проводљивост н-типа, а црни - са п-типом проводљивости.

За ограничавачи вентила силицијум карбид се користи за производњу дискова пречника од 55 до 150 мм и висине од 20 до 60 мм. У граничнику вентила, дискови од силицијум карбида су спојени у серији један са другим и са варничним празнинама. Систем који се састоји од дискова и свећица је компримован помоћу спиралне опруге. Вијком је одводник повезан са проводник далековода, и ° Ц друга страна одводника је повезана жицом са уземљењем. Сви делови осигурача смештени су у порцеланску кутију.

При нормалном напону далековода, вентил не пропушта линијску струју. При повећаним напонима (пренапонима) створеним атмосферским електрицитетом или унутрашњим пренапонима, стварају се искристи празнини и дискови вентила ће бити под високим напоном.

Њихов отпор ће нагло пасти, што ће обезбедити цурење струје од линије до земље. Пропуштена велика струја ће смањити напон на нормалу и отпор у дисковима вентила ће се повећати. Вентил ће бити затворен, односно радна струја линије се неће преносити на њих.

Силицијум карбид се такође користи у полупроводничким исправљачима који раде на високим радним температурама (до 500 °Ц).