Puslaidininkinės medžiagos - germanis ir silicis

Puslaidininkiai sudaro daugybę medžiagų, kurios viena nuo kitos skiriasi įvairiomis elektrinėmis ir fizinėmis savybėmis, taip pat įvairia chemine sudėtimi, kuri lemia skirtingus jų techninio naudojimo tikslus.

Pagal cheminę prigimtį šiuolaikinės puslaidininkinės medžiagos gali būti suskirstytos į šias keturias pagrindines grupes:

1. Kristalinės puslaidininkinės medžiagos, sudarytos iš vieno elemento atomų arba molekulių. Tokios medžiagos šiuo metu yra plačiai naudojamos germanis, silicis, selenas, boras, silicio karbidas ir kt.

2. Oksidinės kristalinės puslaidininkinės medžiagos, t.y. metalo oksido medžiagos. Pagrindiniai iš jų yra: vario oksidas, cinko oksidas, kadmio oksidas, titano dioksidas, nikelio oksidas ir kt. Šiai grupei taip pat priskiriamos medžiagos, kurių pagrindą sudaro bario titanatas, stroncis, cinkas ir kiti neorganiniai junginiai su įvairiais smulkiais priedais.

3. Kristalinės puslaidininkinės medžiagos, kurių pagrindą sudaro Mendelejevo elementų sistemos trečiosios ir penktosios grupės atomų junginiai. Tokių medžiagų pavyzdžiai yra indžio, galio ir aliuminio antimonidai, t.y.stibio junginiai su indiu, galiu ir aliuminiu. Tai buvo vadinami intermetaliniais junginiais.

4. Kristalinės puslaidininkinės medžiagos, kurių pagrindą sudaro sieros, seleno ir telūro bei vario, kadmio ir kiaulinio Ca junginiai. Tokie junginiai vadinami atitinkamai: sulfidais, selenidais ir telūridais.

Visos puslaidininkinės medžiagos, kaip jau minėta, pagal kristalinę struktūrą gali būti suskirstytos į dvi grupes. Kai kurios medžiagos gaminamos didelių pavienių kristalų (vienkristalų) pavidalu, iš kurių tam tikromis kristalų kryptimis išpjaunamos įvairaus dydžio plokštės, skirtos naudoti lygintuvuose, stiprintuvuose, fotoelementuose.

Tokios medžiagos sudaro monokristalinių puslaidininkių grupę... Labiausiai paplitusios monokristalinės medžiagos yra germanis ir silicis. Sukurti RMmetodai pavieniams silicio karbido kristalams, intermetalinių junginių pavieniams kristalams gaminti.

Kitos puslaidininkinės medžiagos yra labai mažų kristalų, atsitiktinai sulituotų, mišinys. Tokios medžiagos vadinamos polikristalinėmis... Polikristalinių puslaidininkinių medžiagų atstovai yra selenas ir silicio karbidas, taip pat medžiagos, pagamintos iš įvairių oksidų keramikos technologija.

Apsvarstykite plačiai naudojamas puslaidininkines medžiagas.

Germanis — Mendelejevo periodinės elementų sistemos ketvirtosios grupės elementas. Germanis yra ryškiai sidabrinės spalvos. Germanio lydymosi temperatūra yra 937,2 ° C. Jis dažnai randamas gamtoje, tačiau labai mažais kiekiais. Germanio yra cinko rūdose ir įvairių anglių pelenuose. Pagrindinis germanio gamybos šaltinis yra akmens anglių pelenai ir metalurgijos gamyklų atliekos.

Ryžiai. 1. Germanis

Germanio luitas, gautas atlikus daugybę cheminių operacijų, dar nėra medžiaga, tinkama puslaidininkiniams įtaisams iš jo gaminti. Jame yra netirpių priemaišų, jis dar nėra vientisas kristalas ir į jį nėra įdėto priedo, kuris nulemtų reikiamą elektros laidumo tipą.

Plačiai naudojamas luito valymui nuo netirpių priemaišų zonos lydymo būdas... Šiuo būdu galima pašalinti tik tas priemaišas, kurios skirtingai tirpsta duotame kietajame puslaidininkyje ir jo lydaloje.

Germanis yra labai kietas, bet labai trapus ir smūgio metu suskaidomas į mažus gabalėlius. Tačiau naudojant deimantinį pjūklą ar kitus prietaisus, jį galima supjaustyti plonais griežinėliais. Vidaus pramonė gamina legiruotą germanį su elektroninis laidumas įvairių rūšių, kurių savitoji varža yra nuo 0,003 iki 45 omų NS cm, ir germanis, lydytas skylių, kurių varža nuo 0,4 iki 5,5 omų NS cm ir didesnė, elektrinio laidumo. Gryno germanio savitoji varža kambario temperatūroje ρ = 60 omų NS cm.

Germanis kaip puslaidininkinė medžiaga plačiai naudojama ne tik diodams ir triodams gaminti, iš jo gaminami galios lygintuvai didelėms srovėms, įvairūs jutikliai, naudojami magnetinio lauko stiprumui matuoti, varžiniai termometrai žemai temperatūrai ir kt.

Silicis plačiai paplitęs gamtoje. Jis, kaip ir germanis, yra ketvirtosios Mendelejevo elementų sistemos grupės elementas ir turi tą pačią kristalinę (kubinę) struktūrą. Poliruotas silicis įgauna metalinį plieno blizgesį.

Silicis gamtoje neatsiranda laisvoje būsenoje, nors jis yra antras pagal gausumą elementas Žemėje, sudarantis kvarco ir kitų mineralų pagrindą. Silicis gali būti izoliuotas jo elementine forma redukuojant SiO2 anglį aukštoje temperatūroje. Tuo pačiu metu silicio grynumas po apdorojimo rūgštimi yra ~ 99,8%, o tokios formos puslaidininkiniams instrumentiniams įtaisams jis nenaudojamas.

Didelio grynumo silicis gaunamas iš anksčiau gerai išgrynintų lakiųjų junginių (halogenidų, silanų) juos redukuojant aukštoje temperatūroje cinku arba vandeniliu arba termiškai skaidant. Reakcijos metu išsiskiriantis silicis nusėda ant reakcijos kameros sienelių arba ant specialaus kaitinimo elemento – dažniausiai ant strypo, pagaminto iš didelio grynumo silicio.

Ryžiai. 2. Silicis

Kaip ir germanis, silicis yra trapus. Jo lydymosi temperatūra yra žymiai aukštesnė nei germanio: 1423 ° C. Gryno silicio atsparumas kambario temperatūroje ρ = 3 NS 105 omai-žr.

Kadangi silicio lydymosi temperatūra yra daug aukštesnė nei germanio, grafito tiglis pakeičiamas kvarciniu tigliu, nes grafitas aukštoje temperatūroje gali reaguoti su siliciu ir sudaryti silicio karbidą. Be to, grafito teršalai gali patekti į išlydytą silicį.

Pramonė gamina puslaidininkinį legiruotą silicį, kurio elektroninis laidumas (įvairių rūšių), kurio savitoji varža yra nuo 0,01 iki 35 omų x cm, o kiaurinis laidumas taip pat yra įvairių klasių, kurių savitoji varža yra nuo 0,05 iki 35 omų x cm.

Silicis, kaip ir germanis, plačiai naudojamas daugelio puslaidininkinių prietaisų gamyboje.Silicio lygintuve pasiekiama didesnė atvirkštinė įtampa ir darbinė temperatūra (130–180 °C) nei germanio lygintuvuose (80 °C). Taškas ir plokštuma pagaminti iš silicio diodai ir triodai, fotoelementai ir kiti puslaidininkiniai įtaisai.

Fig. 3 parodytos abiejų tipų germanio ir silicio atsparumo priklausomybės nuo priemaišų koncentracijos juose.

Ryžiai. 3. Priemaišų koncentracijos įtaka germanio ir silicio atsparumui kambario temperatūroje: 1 — silicis, 2 — germanis

Paveikslėlyje pateiktos kreivės rodo, kad priemaišos turi didžiulę įtaką varžai: germanio vidinės varžos vertės 60 omų x cm pasikeičia iki 10-4 omų x cm, tai yra 5 x 105 kartus, o silicio 3 x 103 iki 10-4 omų x cm, t. y. 3 x 109 vieną kartą.

Kaip medžiaga netiesinių rezistorių gamybai ypač plačiai naudojama polikristalinė medžiaga – silicio karbidas.

Ryžiai. 4. Silicio karbidas

Vožtuvų ribotuvai elektros linijoms gaminami iš silicio karbido – įtaisų, apsaugančių elektros liniją nuo viršįtampių. Juose iš netiesinio puslaidininkio (silicio karbido) pagaminti diskai perduoda srovę į žemę, veikiant linijoje atsirandančioms bangoms. Dėl to atkuriamas normalus linijos veikimas. Esant darbo įtampai, šių diskų varžos linijos didėja ir nutekėjimo srovė iš linijos į žemę sustoja.

Silicio karbidas gaminamas dirbtinai – termiškai apdorojant kvarcinio smėlio ir akmens anglies mišinį aukštoje temperatūroje (2000 °C).

Priklausomai nuo įvestų priedų, susidaro du pagrindiniai silicio karbido tipai: žalias ir juodas.Jie skiriasi vienas nuo kito elektros laidumo rūšimi, būtent: žalias silicio karbidas išmeta n tipo elektrinį laidumą, o juodas - su p tipo laidumu.

Dėl vožtuvų ribotuvai Silicio karbidas naudojamas 55–150 mm skersmens ir 20–60 mm aukščio diskams gaminti. Vožtuvo sustabdyme silicio karbido diskai nuosekliai sujungti vienas su kitu ir su kibirkštiniais tarpais. Sistema, susidedanti iš diskų ir uždegimo žvakių, suspaudžiama spyruokle. Varžtu iškroviklis prijungiamas prie elektros linijos laidininkas, o ° C kita iškroviklio pusė viela prijungta prie žemės. Visos saugiklio dalys dedamos į porcelianinį dėklą.

Esant normaliai perdavimo linijos įtampai, vožtuvas nepraleidžia linijos srovės. Esant padidėjusiai įtampai (viršįtampiui), kurią sukelia atmosferinė elektra arba vidiniai viršįtampiai, susidaro kibirkšties tarpai, o vožtuvų diskuose bus aukšta įtampa.

Jų atsparumas smarkiai sumažės, o tai užtikrins srovės nutekėjimą iš linijos į žemę. Didelė pratekėjusi srovė sumažins įtampą iki normalios, o vožtuvų diskų varža padidės. Vožtuvas bus uždarytas, tai yra, linijos darbinė srovė jiems nebus perduota.

Silicio karbidas taip pat naudojamas puslaidininkiniuose lygintuvuose, veikiančiuose aukštoje darbinėje temperatūroje (iki 500 °C).