Bahan semikonduktor - germanium dan silikon

Semikonduktor mewakili kawasan luas bahan yang berbeza antara satu sama lain dengan pelbagai jenis sifat elektrik dan fizikal, serta dengan pelbagai jenis komposisi kimia, yang menentukan tujuan yang berbeza dalam penggunaan teknikalnya.

Mengikut sifat kimia, bahan semikonduktor moden boleh dikelaskan kepada empat kumpulan utama berikut:

1. Bahan semikonduktor hablur yang terdiri daripada atom atau molekul unsur tunggal. Bahan-bahan tersebut kini digunakan secara meluas germanium, silikon, selenium, boron, silikon karbida, dll.

2. Bahan semikonduktor hablur oksida, i.e. bahan oksida logam. Yang utama ialah: kuprum oksida, zink oksida, kadmium oksida, titanium dioksida, nikel oksida, dll. Kumpulan ini juga termasuk bahan berasaskan barium titanate, strontium, zink dan sebatian tak organik lain dengan pelbagai bahan tambahan kecil.

3. Bahan semikonduktor berhablur berdasarkan sebatian atom daripada kumpulan ketiga dan kelima sistem unsur Mendeleev. Contoh bahan tersebut ialah indium, galium dan antimonida aluminium, i.e.sebatian antimoni dengan indium, galium, dan aluminium. Ini dipanggil sebatian antara logam.

4. Bahan semikonduktor hablur berasaskan sebatian sulfur, selenium dan telurium di satu pihak dan kuprum, kadmium dan babi Ca di pihak yang lain. Sebatian sedemikian dipanggil, masing-masing: sulfida, selenida dan tellurides.

Semua bahan semikonduktor, seperti yang telah disebutkan, boleh dibahagikan dengan struktur kristal kepada dua kumpulan. Sesetengah bahan dibuat dalam bentuk kristal tunggal yang besar (kristal tunggal), dari mana plat pelbagai saiz dipotong dalam arah kristal tertentu untuk digunakan dalam penerus, penguat, fotosel.

Bahan sedemikian membentuk kumpulan semikonduktor kristal tunggal... Bahan kristal tunggal yang paling biasa ialah germanium dan silikon. Kaedah RM telah dibangunkan untuk penghasilan kristal tunggal silikon karbida, kristal tunggal sebatian antara logam.

Bahan semikonduktor lain ialah campuran kristal yang sangat kecil yang dipateri bersama secara rawak. Bahan sedemikian dipanggil polihablur... Wakil bahan semikonduktor polihablur ialah selenium dan silikon karbida, serta bahan yang diperbuat daripada pelbagai oksida menggunakan teknologi seramik.

Pertimbangkan bahan semikonduktor yang digunakan secara meluas.

Germanium — unsur kumpulan keempat sistem unsur berkala Mendeleev. Germanium mempunyai warna perak yang terang. Takat lebur germanium ialah 937.2 ° C. Ia sering dijumpai di alam semula jadi, tetapi dalam kuantiti yang sangat kecil. Kehadiran germanium terdapat dalam bijih zink dan dalam abu pelbagai arang. Sumber utama pengeluaran germanium adalah abu arang batu dan sisa daripada loji metalurgi.

nasi. 1. Germanium

Jongkong Germanium, yang diperolehi hasil daripada beberapa operasi kimia, belum lagi menjadi bahan yang sesuai untuk pembuatan peranti semikonduktor daripadanya. Ia mengandungi kekotoran yang tidak larut, belum menjadi kristal tunggal, dan tidak mempunyai bahan tambahan yang dimasukkan ke dalamnya yang menentukan jenis kekonduksian elektrik yang diperlukan.

Ia digunakan secara meluas untuk membersihkan jongkong daripada kaedah lebur zon kekotoran tidak larut... Kaedah ini boleh digunakan untuk membuang hanya bendasing yang larut secara berbeza dalam semikonduktor pepejal tertentu dan dalam cairnya.

Germanium adalah sangat keras tetapi sangat rapuh dan berkecai menjadi kepingan kecil apabila hentaman. Walau bagaimanapun, menggunakan gergaji berlian atau peranti lain, ia boleh dipotong menjadi kepingan nipis. Industri domestik menghasilkan germanium aloi dengan kekonduksian elektronik pelbagai gred dengan kerintangan daripada 0.003 hingga 45 ohm NS cm dan germanium dialoi dengan kekonduksian elektrik lubang dengan kerintangan daripada 0.4 hingga 5.5 ohm NS cm dan ke atas. Rintangan tentu germanium tulen pada suhu bilik ρ = 60 ohm NS cm.

Germanium sebagai bahan semikonduktor digunakan secara meluas bukan sahaja untuk diod dan triod, ia digunakan untuk membuat penerus kuasa untuk arus tinggi, pelbagai sensor digunakan untuk mengukur kekuatan medan magnet, termometer rintangan untuk suhu rendah, dll.

Silikon diedarkan secara meluas dalam alam semula jadi. Ia, seperti germanium, adalah unsur kumpulan keempat sistem unsur Mendeleev dan mempunyai struktur kristal (kubik) yang sama. Silikon yang digilap mengambil kilauan logam keluli.

Silikon tidak berlaku secara semula jadi dalam keadaan bebas, walaupun ia adalah unsur kedua paling banyak di Bumi, membentuk asas kuarza dan mineral lain. Silikon boleh diasingkan dalam bentuk unsurnya dengan pengurangan suhu tinggi karbon SiO2. Pada masa yang sama, ketulenan silikon selepas rawatan asid adalah ~ 99.8%, dan untuk peranti instrumental semikonduktor dalam bentuk ini, ia tidak digunakan.

Silikon ketulenan tinggi diperoleh daripada sebatian meruapnya yang telah ditulenkan dengan baik (halida, silanes) sama ada melalui pengurangan suhu tinggi dengan zink atau hidrogen, atau melalui penguraian termanya. Dikeluarkan semasa tindak balas, silikon didepositkan pada dinding ruang tindak balas atau pada elemen pemanasan khas - selalunya pada rod yang diperbuat daripada silikon ketulenan tinggi.

nasi. 2. Silikon

Seperti germanium, silikon rapuh. Takat leburnya jauh lebih tinggi daripada germanium: 1423 ° C. Rintangan silikon tulen pada suhu bilik ρ = 3 NS 105 ohm-see

Oleh kerana takat lebur silikon jauh lebih tinggi daripada germanium, pijar grafit digantikan dengan pijar kuarza, kerana grafit pada suhu tinggi boleh bertindak balas dengan silikon untuk membentuk silikon karbida. Selain itu, bahan cemar grafit boleh memasuki silikon cair.

Industri ini menghasilkan silikon terdop semikonduktor dengan kekonduksian elektronik (pelbagai gred) dengan kerintangan dari 0.01 hingga 35 ohm x cm dan kekonduksian lubang juga pelbagai gred dengan kerintangan dari 0.05 hingga 35 ohm x cm.

Silikon, seperti germanium, digunakan secara meluas dalam pembuatan banyak peranti semikonduktor.Dalam penerus silikon, voltan terbalik yang lebih tinggi dan suhu operasi (130 — 180 ° C) dicapai berbanding dengan penerus germanium (80 ° C). Titik dan satah diperbuat daripada silikon diod dan triod, fotosel, dan peranti semikonduktor lain.

Dalam rajah. 3 menunjukkan pergantungan rintangan germanium dan silikon kedua-dua jenis pada kepekatan bendasing di dalamnya.

nasi. 3. Pengaruh kepekatan kekotoran pada rintangan germanium dan silikon pada suhu bilik: 1 — silikon, 2 — germanium

Lengkung dalam rajah menunjukkan bahawa bendasing mempunyai kesan yang besar pada rintangan: dalam germanium, ia berubah daripada nilai rintangan dalaman 60 ohm x cm kepada 10-4 ohm x cm, iaitu sebanyak 5 x 105 kali, dan untuk silikon sebanyak 3 x 103 hingga 10-4 ohm x cm, iaitu dalam 3 x 109 sekali.

Sebagai bahan untuk pengeluaran perintang bukan linear, bahan polihabluran digunakan secara meluas - silikon karbida.

nasi. 4. Silikon karbida

Penghad injap untuk talian kuasa diperbuat daripada silikon karbida - peranti yang melindungi talian kuasa daripada lebihan voltan. Di dalamnya, cakera yang diperbuat daripada semikonduktor bukan linear (silikon karbida) mengalirkan arus ke tanah di bawah tindakan gelombang lonjakan yang berlaku dalam talian. Akibatnya, operasi normal talian dipulihkan. Pada voltan operasi, garisan rintangan cakera ini meningkat dan arus bocor dari talian ke tanah berhenti.

Silikon karbida dihasilkan secara buatan — dengan rawatan haba campuran pasir kuarza dengan arang batu pada suhu tinggi (2000 ° C).

Bergantung pada bahan tambahan yang diperkenalkan, dua jenis utama silikon karbida terbentuk: hijau dan hitam.Mereka berbeza antara satu sama lain dalam jenis kekonduksian elektrik, iaitu: karbida silikon hijau membuang kekonduksian elektrik jenis-n, dan hitam - dengan kekonduksian jenis p.

Untuk penyekat injap silikon karbida digunakan untuk menghasilkan cakera dengan diameter 55 hingga 150 mm dan ketinggian 20 hingga 60 mm. Dalam hentian injap, cakera silikon karbida disambung secara bersiri antara satu sama lain dan dengan celah percikan. Sistem yang terdiri daripada cakera dan palam pencucuh dimampatkan oleh spring gegelung. Dengan bolt, penangkap disambungkan ke konduktor talian kuasa, dan ° C bahagian lain penangkap disambungkan dengan wayar ke tanah. Semua bahagian fius diletakkan di dalam bekas porselin.

Pada voltan talian penghantaran biasa, injap tidak melepasi arus talian. Pada peningkatan voltan (surges) yang dicipta oleh elektrik atmosfera atau lonjakan dalaman, celah percikan tercipta dan cakera injap akan berada di bawah voltan tinggi.

Rintangan mereka akan menurun secara mendadak, yang akan memastikan kebocoran semasa dari talian ke tanah. Arus tinggi yang dilalui akan mengurangkan voltan kepada normal dan rintangan dalam cakera injap akan meningkat. Injap akan ditutup, iaitu, arus operasi talian tidak akan dihantar kepada mereka.

Silikon karbida juga digunakan dalam penerus semikonduktor yang beroperasi pada suhu operasi yang tinggi (sehingga 500 °C).