Félvezető anyagok - germánium és szilícium

A félvezetők az anyagok hatalmas területét képviselik, amelyek sokféle elektromos és fizikai tulajdonsággal, valamint sokféle kémiai összetétellel különböznek egymástól, ami meghatározza a műszaki felhasználásuk különböző céljait.

Kémiai természetük szerint a modern félvezető anyagok a következő négy fő csoportba sorolhatók:

1. Egyetlen elem atomjaiból vagy molekuláiból álló kristályos félvezető anyagok. Ilyen anyagok jelenleg széles körben használt germánium, szilícium, szelén, bór, szilícium-karbid stb.

2. Oxid kristályos félvezető anyagok, i.e. fémoxid anyagok. A főbbek: réz-oxid, cink-oxid, kadmium-oxid, titán-dioxid, nikkel-oxid stb. Ebbe a csoportba tartoznak a bárium-titanát, stroncium, cink és egyéb szervetlen vegyületek alapú anyagok is, különféle apró adalékanyagokkal.

3. Mengyelejev elemrendszerének harmadik és ötödik csoportjába tartozó atomok vegyületein alapuló kristályos félvezető anyagok. Ilyen anyagok például az indium-, gallium- és alumínium-antimonidok, pl.antimonvegyületek indiummal, galliummal és alumíniummal. Ezeket intermetallikus vegyületeknek nevezték.

4. Egyrészt kén, szelén és tellúr, másrészt réz, kadmium és sertés-Ca vegyület alapú kristályos félvezető anyagok. Az ilyen vegyületeket szulfidoknak, szelenideknek és telluridoknak nevezik.

Minden félvezető anyag, mint már említettük, kristályszerkezetük alapján két csoportra osztható. Egyes anyagok nagyméretű egykristályok (egykristályok) formájában készülnek, amelyekből különböző méretű lemezeket vágnak ki bizonyos kristályirányokban, hogy felhasználják egyenirányítókban, erősítőkben, fotocellákban.

Az ilyen anyagok alkotják az egykristályos félvezetők csoportját... A leggyakoribb egykristályos anyagok a germánium és a szilícium. RMmódszereket dolgoztak ki szilícium-karbid egykristályainak, intermetallikus vegyületek egykristályainak előállítására.

Más félvezető anyagok véletlenszerűen összeforrasztott nagyon kicsi kristályok keverékei. Az ilyen anyagokat polikristályosnak nevezik... A polikristályos félvezető anyagok képviselői a szelén és a szilícium-karbid, valamint a különféle oxidokból kerámiatechnológiával készült anyagok.

Vegye figyelembe a széles körben használt félvezető anyagokat.

Germánium – Mengyelejev periodikus elemrendszerének negyedik csoportjának eleme. A germánium élénk ezüst színű. A germánium olvadáspontja 937,2 ° C. Gyakran előfordul a természetben, de nagyon kis mennyiségben. A germánium jelenléte megtalálható a cinkércekben és a különféle szenek hamujában. A germániumtermelés fő forrása a szénhamu és a kohászati ​​üzemekből származó hulladék.

Rizs. 1. Germánium

A számos kémiai művelet eredményeként kapott germánium öntvény még nem alkalmas félvezető eszközök gyártására belőle. Oldhatatlan szennyeződéseket tartalmaz, még nem egykristály, és nincs benne olyan adalék, amely meghatározza a szükséges elektromos vezetőképesség típusát.

Széles körben alkalmazzák a tuskó oldhatatlan szennyeződésektől való tisztítására zóna olvasztási módszer... Ezzel a módszerrel csak azokat a szennyeződéseket lehet eltávolítani, amelyek az adott szilárd félvezetőben és annak olvadékában eltérően oldódnak.

A germánium nagyon kemény, de rendkívül törékeny, és ütés hatására apró darabokra törik. Gyémántfűrésszel vagy más eszközökkel azonban vékony szeletekre vágható. A hazai ipar ötvözött germániumot állít elő elektronikus vezetőképesség Különféle minőségek 0,003 és 45 ohm NS cm közötti ellenállással és germánium ötvözetű lyukak elektromos vezetőképességével 0,4 és 5,5 ohm NS cm és nagyobb ellenállással. A tiszta germánium fajlagos ellenállása szobahőmérsékleten ρ = 60 ohm NS cm.

A germániumot, mint félvezető anyagot nemcsak diódákhoz és triódákhoz használják széles körben, hanem nagy áramerősségű egyenirányítókat, különféle mágneses térerősség mérésére szolgáló érzékelőket, alacsony hőmérsékletű ellenálláshőmérőket stb.

A szilícium széles körben elterjedt a természetben. A germániumhoz hasonlóan a Mengyelejev-elemrendszer negyedik csoportjának eleme, és azonos kristály (köbös) szerkezettel rendelkezik. A polírozott szilícium felveszi az acél fémes fényét.

A szilícium a természetben nem fordul elő szabad állapotban, bár a második legelterjedtebb elem a Földön, amely a kvarc és más ásványok alapját képezi. A szilícium elemi formájában izolálható a SiO2 szén magas hőmérsékletű redukálásával. Ugyanakkor a savas kezelés után a szilícium tisztasága ~ 99,8%, félvezető műszeres eszközöknél ebben a formában nem használják.

A nagy tisztaságú szilíciumot a korábban jól tisztított illékony vegyületeiből (halogenidek, szilánok) nyerik vagy magas hőmérsékleten cinkkel vagy hidrogénnel redukálva, vagy hőbontással. A reakció során felszabaduló szilícium a reakciókamra falára vagy egy speciális fűtőelemre kerül - leggyakrabban egy nagy tisztaságú szilíciumból készült rúdra.

Rizs. 2. Szilícium

A germániumhoz hasonlóan a szilícium is törékeny. Olvadáspontja lényegesen magasabb, mint a germániumé: 1423 °C. A tiszta szilícium ellenállása szobahőmérsékleten ρ = 3 NS 105 ohm-lásd

Mivel a szilícium olvadáspontja jóval magasabb, mint a germániumé, a grafittégelyt kvarctégelyre cserélik, mivel a grafit magas hőmérsékleten reakcióba léphet a szilíciummal, és szilícium-karbidot képezhet. Ezenkívül a grafitszennyeződések bejuthatnak az olvadt szilíciumba.

Az ipar félvezetővel adalékolt szilíciumot gyárt elektronikus vezetőképességgel (különböző fokozatok), amelynek ellenállása 0,01-35 ohm x cm, és lyukvezetőképessége szintén különböző, 0,05-35 ohm x cm-es ellenállással.

A szilíciumot a germániumhoz hasonlóan széles körben használják számos félvezető eszköz gyártásában.A szilícium egyenirányítóban magasabb fordított feszültség és üzemi hőmérséklet (130-180 °C) érhető el, mint a germánium egyenirányítókban (80 °C). A csúcs és a sík szilíciumból készült diódák valamint triódák, fotocellák és egyéb félvezető eszközök.

ábrán. A 3. ábra bemutatja mindkét típusú germánium és szilícium ellenállásának a bennük lévő szennyeződések koncentrációjától való függését.

Rizs. 3. A szennyeződések koncentrációjának hatása a germánium és a szilícium ellenállására szobahőmérsékleten: 1 — szilícium, 2 — germánium

Az ábrán látható görbék azt mutatják, hogy a szennyeződéseknek óriási hatása van az ellenállásra: germániumban a 60 ohm x cm belső ellenállásértékről 10-4 ohm x cm-re, azaz 5 x 105-szörösére változik, ill. szilícium 3 x 103-mal 10-4 ohm x cm-re, azaz 3 x 109-ben egyszer.

A nemlineáris ellenállások gyártására szolgáló anyagként különösen széles körben használják a polikristályos anyagot - a szilícium-karbidot.

Rizs. 4. Szilícium-karbid

Az elektromos vezetékek szelephatárolói szilícium-karbidból készülnek - olyan eszközök, amelyek megvédik a tápvezetéket a túlfeszültségtől. Ezekben a nemlineáris félvezetőből (szilícium-karbidból) készült korongok a vezetékben fellépő túlfeszültség hatására áramot vezetnek a földre. Ennek eredményeként a vonal normál működése helyreáll. Üzemi feszültségnél ezeknek a tárcsáknak az ellenállási vonalai megnőnek, és a vezetékből a föld felé áramló szivárgási áram leáll.

A szilícium-karbidot mesterségesen állítják elő - kvarchomok és szén keverékének magas hőmérsékleten (2000 ° C) történő hőkezelésével.

A bevezetett adalékanyagoktól függően a szilícium-karbid két fő típusa keletkezik: zöld és fekete.Ezek különböznek egymástól az elektromos vezetőképesség típusában, nevezetesen: a zöld szilícium-karbid n-típusú elektromos vezetőképességet ad, és a fekete - p-típusú vezetőképességgel.

Mert szelep szűkítők A szilícium-karbidot 55-150 mm átmérőjű és 20-60 mm magas tárcsák gyártására használják. Szelepütközőben a szilícium-karbid tárcsák sorba vannak kapcsolva egymással és szikraközökkel. A tárcsákból és gyújtógyertyákból álló rendszert tekercsrugó szorítja össze. Csavarral a levezető csatlakozik elektromos vezeték vezető, és ° C a levezető másik oldala vezetékkel csatlakozik a földhöz. A biztosíték minden alkatrésze porcelán tokban van.

Normál távvezetéki feszültség mellett a szelep nem engedi át a vonali áramot. A légköri elektromosság vagy a belső túlfeszültség által keltett megnövekedett feszültségeknél (túlfeszültségeknél) szikraközök keletkeznek, és a szeleptárcsák nagy feszültség alatt állnak.

Ellenállásuk meredeken csökken, ami biztosítja az áramszivárgást a vezetékről a földre. Az áthaladó nagy áram normálra csökkenti a feszültséget, és megnő a szeleptárcsák ellenállása. A szelep zárva lesz, vagyis a vezeték üzemi árama nem jut át ​​hozzájuk.

A szilícium-karbidot magas üzemi hőmérsékleten (500 °C-ig) működő félvezető egyenirányítókban is használják.