Polovodičové materiály — germánium a kremík
Polovodiče predstavujú rozsiahlu oblasť materiálov, ktoré sa navzájom líšia širokou škálou elektrických a fyzikálnych vlastností, ako aj širokou škálou chemického zloženia, ktoré určuje rôzne účely ich technického využitia.
Podľa chemickej povahy možno moderné polovodičové materiály rozdeliť do nasledujúcich štyroch hlavných skupín:
1. Kryštalické polovodičové materiály zložené z atómov alebo molekúl jedného prvku. Takéto materiály sú v súčasnosti široko používané germánium, kremík, selén, bór, karbid kremíka atď.
2. Oxidové kryštalické polovodičové materiály, t.j. materiály z oxidov kovov. Hlavné sú: oxid medi, oxid zinočnatý, oxid kademnatý, oxid titaničitý, oxid niklu atď. Do tejto skupiny patria aj materiály na báze titaničitanu bárnatého, stroncia, zinku a iných anorganických zlúčenín s rôznymi drobnými prísadami.
3. Kryštalické polovodičové materiály na báze zlúčenín atómov z tretej a piatej skupiny Mendelejevovej sústavy prvkov. Príkladmi takýchto materiálov sú antimonidy indium, gálium a hliník, t.j.zlúčeniny antimónu s indiom, gálium a hliníkom. Nazývali sa intermetalické zlúčeniny.
4. Kryštalické polovodičové materiály na báze zlúčenín síry, selénu a telúru na jednej strane a medi, kadmia a prasačieho Ca na strane druhej. Takéto zlúčeniny sa nazývajú: sulfidy, selenidy a teluridy.
Všetky polovodičové materiály, ako už bolo spomenuté, možno rozdeliť podľa kryštálovej štruktúry do dvoch skupín. Niektoré materiály sa vyrábajú vo forme veľkých monokryštálov (jednokryštálov), z ktorých sa v určitých kryštálových smeroch vyrezávajú platne rôznych veľkostí na použitie v usmerňovačoch, zosilňovačoch, fotobunkách.
Takéto materiály tvoria skupinu monokryštálových polovodičov... Najbežnejšími monokryštálovými materiálmi sú germánium a kremík. Metódy RM boli vyvinuté na výrobu monokryštálov karbidu kremíka, monokryštálov intermetalických zlúčenín.
Ostatné polovodičové materiály sú zmesou veľmi malých kryštálov náhodne spájaných dohromady. Takéto materiály sa nazývajú polykryštalické... Zástupcami polykryštalických polovodičových materiálov sú selén a karbid kremíka, ako aj materiály vyrobené z rôznych oxidov keramickou technológiou.
Zvážte široko používané polovodičové materiály.
Germánium — prvok štvrtej skupiny Mendelejevovho periodického systému prvkov. Germánium má žiarivú striebornú farbu. Teplota topenia germánia je 937,2 ° C. Často sa vyskytuje v prírode, ale vo veľmi malých množstvách. Prítomnosť germánia sa nachádza v zinkových rudách a v popole rôznych druhov uhlia. Hlavným zdrojom výroby germánia je uhoľný popol a odpad z hutníckych závodov.
Ryža. 1. Germánium
Germániový ingot, získaný v dôsledku množstva chemických operácií, zatiaľ nie je látkou vhodnou na výrobu polovodičových súčiastok z neho. Obsahuje nerozpustné nečistoty, ešte nie je monokryštál a nie je v ňom zavedená prísada, ktorá určuje požadovaný typ elektrickej vodivosti.
Široko sa používa na čistenie ingotu od nerozpustných nečistôt zónová metóda tavenia... Touto metódou je možné odstrániť len tie nečistoty, ktoré sa v danom pevnom polovodiči a v jeho tavenine rozpúšťajú rozdielne.
Germánium je veľmi tvrdé, ale mimoriadne krehké a pri náraze sa rozbije na malé kúsky. Pomocou diamantovej píly alebo iných zariadení sa však dá narezať na tenké plátky. Domáci priemysel vyrába legované germánium s elektronická vodivosť rôzne druhy s odporom od 0,003 do 45 ohm NS cm a germánium legované s elektrickou vodivosťou otvorov s odporom od 0,4 do 5,5 ohm NS cm a viac. Merný odpor čistého germánia pri izbovej teplote ρ = 60 ohm NS cm.
Germánium ako polovodičový materiál má široké využitie nielen pre diódy a triódy, vyrábajú sa z neho výkonové usmerňovače pre vysoké prúdy, rôzne snímače slúžiace na meranie intenzity magnetického poľa, odporové teplomery na nízke teploty atď.
Kremík široko rozšírený v prírode. Rovnako ako germánium je prvkom štvrtej skupiny Mendelejevovho systému prvkov a má rovnakú kryštálovú (kubickú) štruktúru. Leštený kremík preberá kovový lesk ocele.
Kremík sa vo voľnom stave prirodzene nevyskytuje, hoci je druhým najrozšírenejším prvkom na Zemi, tvorí základ kremeňa a iných minerálov. Kremík možno izolovať vo svojej elementárnej forme vysokoteplotnou redukciou uhlíka Si02. Zároveň je čistota kremíka po spracovaní kyselinou ~ 99,8% a pre polovodičové prístrojové zariadenia v tejto forme sa nepoužíva.
Vysoko čistý kremík sa získava z jeho predtým dobre vyčistených prchavých zlúčenín (halogenidy, silány) buď ich vysokoteplotnou redukciou zinkom alebo vodíkom, alebo ich tepelným rozkladom. Kremík, ktorý sa uvoľňuje počas reakcie, sa ukladá na stenách reakčnej komory alebo na špeciálnom vyhrievacom telese — najčastejšie na tyči vyrobenej z vysoko čistého kremíka.
Ryža. 2. Kremík
Rovnako ako germánium je kremík krehký. Jeho teplota topenia je výrazne vyššia ako u germánia: 1423 °C. Odpor čistého kremíka pri izbovej teplote ρ = 3 NS 105 ohm-viď.
Pretože teplota topenia kremíka je oveľa vyššia ako teplota germánia, grafitový téglik je nahradený kremenným téglikom, pretože grafit pri vysokých teplotách môže reagovať s kremíkom za vzniku karbidu kremíka. Okrem toho sa do roztaveného kremíka môžu dostať kontaminanty grafitu.
Priemysel vyrába polovodičový dopovaný kremík s elektronickou vodivosťou (rôzne stupne) s rezistivitou od 0,01 do 35 ohm x cm a dierovou vodivosťou tiež rôznych stupňov s rezistivitou od 0,05 do 35 ohm x cm.
Kremík, podobne ako germánium, je široko používaný pri výrobe mnohých polovodičových zariadení.V kremíkovom usmerňovači sa dosahujú vyššie spätné napätia a prevádzkové teploty (130 — 180 °C) ako v germániových usmerňovačoch (80 °C). Hrot a rovina sú vyrobené z kremíka diódy a triódy, fotobunky a iné polovodičové zariadenia.
Na obr. 3 sú znázornené závislosti odolnosti germánia a kremíka oboch typov od koncentrácie nečistôt v nich.
Ryža. 3. Vplyv koncentrácie nečistôt na odolnosť germánia a kremíka pri izbovej teplote: 1 — kremík, 2 — germánium
Krivky na obrázku ukazujú, že nečistoty majú obrovský vplyv na odpor: v germániu sa mení z hodnoty vnútorného odporu 60 ohm x cm na 10-4 ohm x cm, teda 5 x 105-krát a pre kremíka o 3 x 103 až 10-4 ohm x cm, t.j. raz 3 x 109.
Ako materiál na výrobu nelineárnych rezistorov je široko používaný najmä polykryštalický materiál - karbid kremíka.
Ryža. 4. Karbid kremíka
Ventilové obmedzovače pre elektrické vedenia sú vyrobené z karbidu kremíka - zariadenia, ktoré chránia elektrické vedenie pred prepätím. V nich disky vyrobené z nelineárneho polovodiča (karbidu kremíka) prenášajú prúd do zeme pôsobením nárazových vĺn vyskytujúcich sa vo vedení. V dôsledku toho sa obnoví normálna prevádzka linky. Pri prevádzkovom napätí sa línie odporu týchto diskov zväčšia a unikajúci prúd z vedenia do zeme sa zastaví.
Karbid kremíka sa vyrába umelo — tepelným spracovaním zmesi kremenného piesku s uhlím pri vysokej teplote (2000 °C).
V závislosti od zavedených prísad sa vytvárajú dva hlavné typy karbidu kremíka: zelený a čierny.Líšia sa od seba typom elektrickej vodivosti, a to: zelený karbid kremíka vrhá elektrickú vodivosť typu n a čierny - s vodivosťou typu p.
Pre ventilové obmedzovače karbid kremíka sa používa na výrobu kotúčov s priemerom 55 až 150 mm a výškou 20 až 60 mm. Vo ventilovom doraze sú kotúče z karbidu kremíka zapojené do série navzájom a s iskriskovými medzerami. Systém pozostávajúci z kotúčov a zapaľovacích sviečok je stláčaný vinutou pružinou. Pomocou skrutky je zvodič pripojený k vodič elektrického vedenia, a ° C druhá strana zvodiča je spojená vodičom so zemou. Všetky časti poistky sú umiestnené v porcelánovom kufríku.
Pri normálnom napätí prenosového vedenia ventil neprechádza prúdom vedenia. Pri zvýšených napätiach (prepätiach) vytvorených atmosférickou elektrinou alebo vnútornými prepätiami vznikajú iskriská a kotúče ventilov budú pod vysokým napätím.
Ich odpor prudko klesne, čo zabezpečí únik prúdu z vedenia do zeme. Prechádzajúci vysoký prúd zníži napätie na normálnu úroveň a odpor v kotúčoch ventilov sa zvýši. Ventil bude zatvorený, to znamená, že prevádzkový prúd vedenia sa na ne neprenesie.
Karbid kremíka sa používa aj v polovodičových usmerňovačoch pracujúcich pri vysokých prevádzkových teplotách (až do 500 °C).