Υλικά ημιαγωγών — γερμάνιο και πυρίτιο

Οι ημιαγωγοί αντιπροσωπεύουν μια τεράστια περιοχή υλικών που διαφέρουν μεταξύ τους με μεγάλη ποικιλία ηλεκτρικών και φυσικών ιδιοτήτων, καθώς και με μεγάλη ποικιλία χημικής σύνθεσης, η οποία καθορίζει διαφορετικούς σκοπούς στην τεχνική τους χρήση.

Από χημική φύση, τα σύγχρονα υλικά ημιαγωγών μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες τέσσερις κύριες ομάδες:

1. Κρυσταλλικά ημιαγωγικά υλικά που αποτελούνται από άτομα ή μόρια ενός μόνο στοιχείου. Τέτοια υλικά χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως το γερμάνιο, το πυρίτιο, το σελήνιο, το βόριο, το καρβίδιο του πυριτίου κ.λπ.

2. Οξείδια κρυσταλλικών ημιαγωγών υλικών, δηλ. υλικά οξειδίων μετάλλων. Τα κυριότερα είναι: οξείδιο του χαλκού, οξείδιο ψευδαργύρου, οξείδιο του καδμίου, διοξείδιο του τιτανίου, οξείδιο του νικελίου κ.λπ. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει επίσης υλικά με βάση το τιτανικό βάριο, το στρόντιο, τον ψευδάργυρο και άλλες ανόργανες ενώσεις με διάφορα μικρά πρόσθετα.

3. Κρυσταλλικά υλικά ημιαγωγών που βασίζονται σε ενώσεις ατόμων από την τρίτη και την πέμπτη ομάδα του συστήματος στοιχείων του Mendeleev. Παραδείγματα τέτοιων υλικών είναι τα αντιμονίδια ινδίου, γαλλίου και αργιλίου, δηλ.ενώσεις αντιμονίου με ίνδιο, γάλλιο και αλουμίνιο. Αυτές ονομάζονταν διαμεταλλικές ενώσεις.

4. Κρυσταλλικά ημιαγωγικά υλικά με βάση ενώσεις θείου, σεληνίου και τελλουρίου από τη μια και χαλκού, καδμίου και ασβεστίου χοίρου από την άλλη. Τέτοιες ενώσεις ονομάζονται, αντίστοιχα: σουλφίδια, σεληνίδια και τελουρίδια.

Όλα τα υλικά ημιαγωγών, όπως ήδη αναφέρθηκε, μπορούν να χωριστούν με κρυσταλλική δομή σε δύο ομάδες. Ορισμένα υλικά κατασκευάζονται με τη μορφή μεγάλων μονοκρυστάλλων (μονόκρυσταλλοι), από τους οποίους κόβονται πλάκες διαφόρων μεγεθών σε ορισμένες κατευθύνσεις κρυστάλλου για χρήση σε ανορθωτές, ενισχυτές, φωτοκύτταρα.

Τέτοια υλικά αποτελούν την ομάδα των μονοκρυσταλλικών ημιαγωγών... Τα πιο κοινά μονοκρυσταλλικά υλικά είναι το γερμάνιο και το πυρίτιο. Έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι RM για την παραγωγή μονοκρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου, μονοκρυστάλλων διαμεταλλικών ενώσεων.

Άλλα υλικά ημιαγωγών είναι ένα μείγμα πολύ μικρών κρυστάλλων που συγκολλούνται τυχαία μεταξύ τους. Τέτοια υλικά ονομάζονται πολυκρυσταλλικά... Εκπρόσωποι των πολυκρυσταλλικών ημιαγωγών υλικών είναι το σελήνιο και το καρβίδιο του πυριτίου, καθώς και υλικά κατασκευασμένα από διάφορα οξείδια με χρήση κεραμικής τεχνολογίας.

Εξετάστε τα ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά ημιαγωγών.

Γερμάνιο — στοιχείο της τέταρτης ομάδας του περιοδικού συστήματος στοιχείων του Mendeleev. Το γερμάνιο έχει λαμπερό ασημί χρώμα. Το σημείο τήξης του γερμανίου είναι 937,2 ° C. Βρίσκεται συχνά στη φύση, αλλά σε πολύ μικρές ποσότητες. Η παρουσία γερμανίου εντοπίζεται στα μεταλλεύματα ψευδαργύρου και στην τέφρα διαφόρων κάρβουνων. Η κύρια πηγή παραγωγής γερμανίου είναι η τέφρα άνθρακα και τα απόβλητα από μεταλλουργικές μονάδες.

Ρύζι. 1. Γερμάνιο

Η ράβδος γερμανίου, που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα μιας σειράς χημικών εργασιών, δεν είναι ακόμη ουσία κατάλληλη για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών από αυτήν. Περιέχει αδιάλυτες ακαθαρσίες, δεν είναι ακόμη ένας κρύσταλλος και δεν έχει εισαχθεί ένα πρόσθετο που να καθορίζει τον απαιτούμενο τύπο ηλεκτρικής αγωγιμότητας.

Χρησιμοποιείται ευρέως για τον καθαρισμό του πλινθώματος από τη μέθοδο τήξης της ζώνης αδιάλυτων ακαθαρσιών... Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αφαίρεση μόνο εκείνων των ακαθαρσιών που διαλύονται διαφορετικά σε έναν δεδομένο στερεό ημιαγωγό και στο τήγμα του.

Το γερμάνιο είναι πολύ σκληρό αλλά εξαιρετικά εύθραυστο και θρυμματίζεται σε μικρά κομμάτια κατά την κρούση. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας ένα πριόνι διαμαντιού ή άλλες συσκευές, μπορεί να κοπεί σε λεπτές φέτες. Η εγχώρια βιομηχανία παράγει κράμα γερμάνιο με ηλεκτρονική αγωγιμότητα διάφορες ποιότητες με ειδική αντίσταση από 0,003 έως 45 ohm NS cm και γερμάνιο κράμα με ηλεκτρική αγωγιμότητα οπών με ειδική αντίσταση από 0,4 έως 5,5 ohm NS cm και άνω. Η ειδική αντίσταση του καθαρού γερμανίου σε θερμοκρασία δωματίου ρ = 60 ohm NS cm.

Το γερμάνιο ως υλικό ημιαγωγών χρησιμοποιείται ευρέως όχι μόνο για διόδους και τριόδους, χρησιμοποιείται για την κατασκευή ανορθωτών ισχύος για υψηλά ρεύματα, διάφορους αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου, θερμόμετρα αντίστασης για χαμηλές θερμοκρασίες κ.λπ.

Πυρίτιο ευρέως διανεμημένο στη φύση. Είναι, όπως και το γερμάνιο, στοιχείο της τέταρτης ομάδας του συστήματος στοιχείων Mendeleev και έχει την ίδια κρυσταλλική (κυβική) δομή. Το γυαλισμένο πυρίτιο παίρνει τη μεταλλική λάμψη του χάλυβα.

Το πυρίτιο δεν εμφανίζεται φυσικά σε ελεύθερη κατάσταση, αν και είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στη Γη, που αποτελεί τη βάση του χαλαζία και άλλων ορυκτών. Το πυρίτιο μπορεί να απομονωθεί στη στοιχειακή του μορφή με μείωση του άνθρακα SiO2 σε υψηλή θερμοκρασία. Ταυτόχρονα, η καθαρότητα του πυριτίου μετά την επεξεργασία με οξύ είναι ~ 99,8%, και για συσκευές οργάνων ημιαγωγών σε αυτή τη μορφή, δεν χρησιμοποιείται.

Το πυρίτιο υψηλής καθαρότητας λαμβάνεται από τις προηγουμένως καλά καθαρισμένες πτητικές ενώσεις του (αλογονίδια, σιλάνια) είτε με αναγωγή τους σε υψηλή θερμοκρασία με ψευδάργυρο ή υδρογόνο, είτε με θερμική αποσύνθεση τους. Το πυρίτιο που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης εναποτίθεται στα τοιχώματα του θαλάμου αντίδρασης ή σε ένα ειδικό θερμαντικό στοιχείο — πιο συχνά σε μια ράβδο από πυρίτιο υψηλής καθαρότητας.

Ρύζι. 2. Πυρίτιο

Όπως το γερμάνιο, το πυρίτιο είναι εύθραυστο. Το σημείο τήξεώς του είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό του γερμανίου: 1423 ° C. Η αντίσταση του καθαρού πυριτίου σε θερμοκρασία δωματίου ρ = 3 NS 105 ohm-βλ.

Δεδομένου ότι το σημείο τήξης του πυριτίου είναι πολύ υψηλότερο από αυτό του γερμανίου, το χωνευτήριο γραφίτη αντικαθίσταται από ένα χωνευτήριο χαλαζία, επειδή ο γραφίτης σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να αντιδράσει με το πυρίτιο για να σχηματίσει καρβίδιο του πυριτίου. Επιπλέον, οι ρύποι γραφίτη μπορούν να εισέλθουν σε λιωμένο πυρίτιο.

Η βιομηχανία παράγει εμποτισμένο πυρίτιο ημιαγωγών με ηλεκτρονική αγωγιμότητα (διάφορες ποιότητες) με ειδική αντίσταση από 0,01 έως 35 ohm x cm και αγωγιμότητα οπών επίσης διαφόρων βαθμών με ειδική αντίσταση από 0,05 έως 35 ohm x cm.

Το πυρίτιο, όπως και το γερμάνιο, χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή πολλών συσκευών ημιαγωγών.Στον ανορθωτή πυριτίου, επιτυγχάνονται υψηλότερες αντίστροφες τάσεις και θερμοκρασίες λειτουργίας (130 — 180 ° C) από ότι στους ανορθωτές γερμανίου (80 ° C). Το σημείο και το επίπεδο είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο διόδους και τρίοδοι, φωτοκύτταρα και άλλες συσκευές ημιαγωγών.

Στο σχ. 3 δείχνει τις εξαρτήσεις της αντίστασης του γερμανίου και του πυριτίου και των δύο τύπων από τη συγκέντρωση των προσμίξεων σε αυτά.

Ρύζι. 3. Επίδραση της συγκέντρωσης των προσμείξεων στην αντίσταση του γερμανίου και του πυριτίου σε θερμοκρασία δωματίου: 1 — πυρίτιο, 2 — γερμάνιο

Οι καμπύλες στο σχήμα δείχνουν ότι οι ακαθαρσίες έχουν τεράστια επίδραση στην αντίσταση: στο γερμάνιο, αλλάζει από την τιμή εσωτερικής αντίστασης των 60 ohm x cm σε 10-4 ohm x cm, δηλαδή κατά 5 x 105 φορές, και για πυρίτιο κατά 3 x 103 έως 10-4 ohm x cm, δηλαδή σε 3 x 109 μία φορά.

Ως υλικό για την παραγωγή μη γραμμικών αντιστάσεων, το πολυκρυσταλλικό υλικό χρησιμοποιείται ιδιαίτερα ευρέως - καρβίδιο του πυριτίου.

Ρύζι. 4. Καρβίδιο του πυριτίου

Οι περιοριστές βαλβίδων για ηλεκτρικές γραμμές είναι κατασκευασμένοι από καρβίδιο του πυριτίου - συσκευές που προστατεύουν το καλώδιο ρεύματος από υπέρταση. Σε αυτούς, δίσκοι κατασκευασμένοι από μη γραμμικό ημιαγωγό (καρβίδιο του πυριτίου) περνούν ρεύμα στο έδαφος υπό την επίδραση κυμάτων κύματος που εμφανίζονται στη γραμμή. Ως αποτέλεσμα, η κανονική λειτουργία της γραμμής αποκαθίσταται. Στην τάση λειτουργίας, οι γραμμές αντίστασης αυτών των δίσκων αυξάνονται και το ρεύμα διαρροής από τη γραμμή στη γείωση σταματά.

Το καρβίδιο του πυριτίου παράγεται τεχνητά — με θερμική επεξεργασία μείγματος χαλαζιακής άμμου με άνθρακα σε υψηλή θερμοκρασία (2000 ° C).

Ανάλογα με τα πρόσθετα που εισάγονται, σχηματίζονται δύο κύριοι τύποι καρβιδίου του πυριτίου: πράσινο και μαύρο.Διαφέρουν μεταξύ τους στον τύπο της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, συγκεκριμένα: το πράσινο καρβίδιο του πυριτίου εκτοξεύει ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου n και το μαύρο - με αγωγιμότητα τύπου p.

Για περιοριστές βαλβίδων Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται για την παραγωγή δίσκων με διάμετρο 55 έως 150 mm και ύψος 20 έως 60 mm. Σε ένα στοπ βαλβίδας, οι δίσκοι καρβιδίου του πυριτίου συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους και με κενά σπινθήρα. Το σύστημα που αποτελείται από δίσκους και μπουζί συμπιέζεται από ένα σπειροειδές ελατήριο. Με ένα μπουλόνι συνδέεται ο απαγωγέας αγωγός γραμμής ισχύος, και ° C η άλλη πλευρά του απαγωγέα συνδέεται με ένα καλώδιο στο έδαφος. Όλα τα μέρη της ασφάλειας τοποθετούνται σε πορσελάνινη θήκη.

Σε κανονική τάση γραμμής μεταφοράς, η βαλβίδα δεν διέρχεται ρεύμα γραμμής. Σε αυξημένες τάσεις (κυμάνσεις) που δημιουργούνται από ατμοσφαιρικό ηλεκτρισμό ή εσωτερικές υπερτάσεις, δημιουργούνται κενά σπινθήρα και οι δίσκοι των βαλβίδων θα είναι υπό υψηλή τάση.

Η αντίστασή τους θα πέσει απότομα, γεγονός που θα εξασφαλίσει διαρροή ρεύματος από τη γραμμή στο έδαφος. Το υψηλό ρεύμα που περνά θα μειώσει την τάση στο κανονικό και η αντίσταση στους δίσκους βαλβίδων θα αυξηθεί. Η βαλβίδα θα είναι κλειστή, δηλαδή δεν θα τους μεταδίδεται το ρεύμα λειτουργίας της γραμμής.

Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται επίσης σε ανορθωτές ημιαγωγών που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας (έως 500 °C).