Pusvadītāju materiāli - germānija un silīcijs

Pusvadītāji ir plašs materiālu laukums, kas atšķiras viens no otra ar visdažādākajām elektriskajām un fizikālajām īpašībām, kā arī ar visdažādāko ķīmisko sastāvu, kas nosaka dažādus to tehniskās izmantošanas mērķus.

Pēc ķīmiskā rakstura mūsdienu pusvadītāju materiālus var iedalīt šādās četrās galvenajās grupās:

1. Kristāliski pusvadītāju materiāli, kas sastāv no viena elementa atomiem vai molekulām. Šādi materiāli šobrīd ir plaši izmantoti germānija, silīcijs, selēns, bors, silīcija karbīds utt.

2. Oksīda kristāliskie pusvadītāju materiāli, t.i. metāla oksīda materiāli. Galvenie no tiem ir: vara oksīds, cinka oksīds, kadmija oksīds, titāna dioksīds, niķeļa oksīds utt. Šajā grupā ietilpst arī materiāli, kuru pamatā ir bārija titanāts, stroncijs, cinks un citi neorganiskie savienojumi ar dažādām nelielām piedevām.

3. Kristāliskie pusvadītāju materiāli, kuru pamatā ir Mendeļejeva elementu sistēmas trešās un piektās grupas atomu savienojumi. Šādu materiālu piemēri ir indija, gallija un alumīnija antimonīdi, t.i.antimona savienojumi ar indiju, galliju un alumīniju. Tos sauca par intermetāliskiem savienojumiem.

4. Kristāliski pusvadītāju materiāli, kuru pamatā ir sēra, selēna un telūra savienojumi, no vienas puses, un vara, kadmija un cūku Ca savienojumi, no otras puses. Šādus savienojumus sauc attiecīgi: sulfīdi, selenīdi un telurīdi.

Visus pusvadītāju materiālus, kā jau minēts, pēc kristāla struktūras var iedalīt divās grupās. Daži materiāli ir izgatavoti lielu monokristālu (vienkristālu) veidā, no kuriem noteiktos kristāla virzienos tiek izgrieztas dažāda izmēra plāksnes izmantošanai taisngriežos, pastiprinātājos, fotoelementos.

Šādi materiāli veido monokristālu pusvadītāju grupu... Visizplatītākie monokristālu materiāli ir germānija un silīcijs. Rmetodes ir izstrādātas silīcija karbīda monokristālu, intermetālisku savienojumu monokristālu ražošanai.

Citi pusvadītāju materiāli ir ļoti mazu kristālu maisījums, kas nejauši pielodēti kopā. Tādus materiālus sauc par polikristāliskiem... Polikristālisko pusvadītāju materiālu pārstāvji ir selēns un silīcija karbīds, kā arī materiāli, kas izgatavoti no dažādiem oksīdiem, izmantojot keramikas tehnoloģiju.

Apsveriet plaši izmantotos pusvadītāju materiālus.

Germānija — Mendeļejeva periodiskās elementu sistēmas ceturtās grupas elements. Ģermānijam ir spilgti sudraba krāsa. Germānija kušanas temperatūra ir 937,2 ° C. Tas bieži sastopams dabā, bet ļoti mazos daudzumos. Germānija ir atrodama cinka rūdās un dažādu ogļu pelnos. Galvenais germānija ražošanas avots ir ogļu pelni un metalurģijas rūpnīcu atkritumi.

Rīsi. 1. Germānija

Ģermānija lietnis, kas iegūts vairāku ķīmisku darbību rezultātā, vēl nav viela, kas piemērota pusvadītāju ierīču ražošanai no tā. Tas satur nešķīstošus piemaisījumus, vēl nav viens kristāls, un tajā nav ievadīta piedeva, kas nosaka nepieciešamo elektrovadītspējas veidu.

To plaši izmanto, lai attīrītu lietni no nešķīstošiem piemaisījumiem zonas kausēšanas metodi... Ar šo metodi var noņemt tikai tos piemaisījumus, kas atšķirīgi šķīst noteiktā cietā pusvadītājā un tā kausējumā.

Germānija ir ļoti cieta, bet ļoti trausla un trieciena rezultātā sadalās mazos gabaliņos. Tomēr, izmantojot dimanta zāģi vai citas ierīces, to var sagriezt plānās šķēlēs. Iekšzemes rūpniecība ražo leģētu germāniju ar elektroniskā vadītspēja dažādas klases ar pretestību no 0,003 līdz 45 omi NS cm un germānija, kas leģēta ar caurumu elektrovadītspēju ar pretestību no 0,4 līdz 5,5 omi NS cm un vairāk. Tīra germānija īpatnējā pretestība istabas temperatūrā ρ = 60 omi NS cm.

Germānija kā pusvadītāju materiāls tiek plaši izmantots ne tikai diodēm un triodēm, no tā izgatavo jaudas taisngriežus lielām strāvām, dažādus sensorus, ko izmanto magnētiskā lauka intensitātes mērīšanai, pretestības termometrus zemām temperatūrām u.c.

Silīcijs plaši izplatīts dabā. Tas, tāpat kā germānija, ir Mendeļejeva elementu sistēmas ceturtās grupas elements un tam ir tāda pati kristāla (kubiskā) struktūra. Pulētais silīcijs iegūst tērauda metālisku spīdumu.

Silīcijs dabā nav sastopams brīvā stāvoklī, lai gan tas ir otrs visbiežāk sastopamais elements uz Zemes, veidojot kvarca un citu minerālu pamatu. Silīciju var izolēt tā elementārā formā, reducējot SiO2 oglekli augstā temperatūrā. Tajā pašā laikā silīcija tīrība pēc skābes apstrādes ir ~ 99,8%, un pusvadītāju instrumentālajām ierīcēm šajā formā to neizmanto.

Augstas tīrības pakāpes silīciju iegūst no tā iepriekš labi attīrītiem gaistošiem savienojumiem (halogenīdiem, silāniem), tos augstas temperatūras reducējot ar cinku vai ūdeņradi, vai arī termiski sadaloties. Reakcijas laikā izdalītais silīcijs tiek nogulsnēts uz reakcijas kameras sienām vai uz īpaša sildelementa - visbiežāk uz stieņa, kas izgatavots no augstas tīrības pakāpes silīcija.

Rīsi. 2. Silīcijs

Tāpat kā germānija, silīcijs ir trausls. Tā kušanas temperatūra ir ievērojami augstāka nekā germānijam: 1423 ° C. Tīra silīcija pretestība istabas temperatūrā ρ = 3 NS 105 omi-sk.

Tā kā silīcija kušanas temperatūra ir daudz augstāka nekā germānijam, grafīta tīģeli aizstāj ar kvarca tīģeli, jo grafīts augstā temperatūrā var reaģēt ar silīciju, veidojot silīcija karbīdu. Turklāt izkausētā silīcijā var iekļūt grafīta piesārņotāji.

Nozare ražo pusvadītāju leģētu silīciju ar elektronisko vadītspēju (dažādas kategorijas) ar pretestību no 0,01 līdz 35 omi x cm un caurumu vadītspēju arī dažādu šķiru ar pretestību no 0,05 līdz 35 omi x cm.

Silīciju, tāpat kā germānu, plaši izmanto daudzu pusvadītāju ierīču ražošanā.Silīcija taisngriežos tiek sasniegti augstāki reversie spriegumi un darba temperatūra (130 - 180 ° C) nekā germānija taisngriežos (80 ° C). Punkts un plakne ir izgatavoti no silīcija diodes un triodes, fotoelementi un citas pusvadītāju ierīces.

attēlā. 3 parāda abu veidu germānija un silīcija pretestības atkarību no piemaisījumu koncentrācijas tajos.

Rīsi. 3. Piemaisījumu koncentrācijas ietekme uz germānija un silīcija pretestību istabas temperatūrā: 1 — silīcijs, 2 — germānija

Līknes attēlā parāda, ka piemaisījumiem ir milzīga ietekme uz pretestību: germānijā tā mainās no iekšējās pretestības vērtības 60 omi x cm uz 10-4 omi x cm, tas ir, 5 x 105 reizes, un silīcijs ar 3 x 103 līdz 10-4 omi x cm, t.i., 3 x 109 vienreiz.

Kā materiāls nelineāro rezistoru ražošanai īpaši plaši tiek izmantots polikristālisks materiāls - silīcija karbīds.

Rīsi. 4. Silīcija karbīds

Elektrības līniju vārstu ierobežotāji ir izgatavoti no silīcija karbīda - ierīcēm, kas aizsargā elektropārvades līniju no pārsprieguma. Tajos diski, kas izgatavoti no nelineāra pusvadītāja (silīcija karbīda), virza strāvu uz zemi līnijā radušos pārsprieguma viļņu ietekmē. Rezultātā tiek atjaunota normāla līnijas darbība. Pie darba sprieguma palielinās šo disku pretestības līnijas un apstājas noplūdes strāva no līnijas uz zemi.

Silīcija karbīdu ražo mākslīgi - termiski apstrādājot kvarca smilšu maisījumu ar akmeņoglēm augstā temperatūrā (2000 ° C).

Atkarībā no ieviestajām piedevām tiek veidoti divi galvenie silīcija karbīda veidi: zaļš un melns.Tie atšķiras viens no otra ar elektrovadītspējas veidu, proti: zaļais silīcija karbīds izmet n-veida elektrovadītspēju, bet melns - ar p-veida vadītspēju.

Priekš vārstu ierobežotāji Silīcija karbīdu izmanto, lai ražotu diskus ar diametru no 55 līdz 150 mm un augstumu no 20 līdz 60 mm. Vārsta pieturā silīcija karbīda diski ir savienoti virknē viens ar otru un ar dzirksteļu spraugām. Sistēma, kas sastāv no diskiem un aizdedzes svecēm, tiek saspiesta ar spirāles atsperi. Ar skrūvi aizturētājs ir savienots ar strāvas līnijas vadītājs, un ° C ierobežotāja otra puse ir savienota ar vadu ar zemi. Visas drošinātāja daļas ir ievietotas porcelāna korpusā.

Pie parastā pārvades līnijas sprieguma vārsts nelaiž cauri līnijas strāvu. Pie paaugstināta sprieguma (pārspriegumiem), ko rada atmosfēras elektrība vai iekšējie pārspriegumi, veidojas dzirksteļu spraugas un vārstu diski būs zem augsta sprieguma.

To pretestība strauji samazināsies, kas nodrošinās strāvas noplūdi no līnijas uz zemi. Lielā caurlaidīgā strāva samazinās spriegumu līdz normālam līmenim un palielinās pretestība vārstu diskos. Vārsts tiks aizvērts, tas ir, līnijas darba strāva viņiem netiks pārsūtīta.

Silīcija karbīdu izmanto arī pusvadītāju taisngriežos, kas darbojas augstā darba temperatūrā (līdz 500 °C).