Mga materyales sa semiconductor - germanium at silikon

Ang mga semiconductor ay kumakatawan sa isang malawak na lugar ng mga materyales na naiiba sa bawat isa na may malawak na pagkakaiba-iba ng mga elektrikal at pisikal na katangian, pati na rin sa isang malawak na iba't ibang komposisyon ng kemikal, na tumutukoy sa iba't ibang mga layunin sa kanilang teknikal na paggamit.

Sa likas na kemikal, ang mga modernong semiconductor na materyales ay maaaring maiuri sa sumusunod na apat na pangunahing grupo:

1. Mga materyal na mala-kristal na semiconductor na binubuo ng mga atomo o molekula ng isang elemento. Ang ganitong mga materyales ay kasalukuyang malawakang ginagamit germanium, silikon, siliniyum, boron, silikon karbid, atbp.

2. Oxide crystalline semiconductor na materyales, i.e. mga materyales ng metal oxide. Ang mga pangunahing ay: tanso oxide, zinc oxide, cadmium oxide, titanium dioxide, nickel oxide, atbp. Kasama rin sa grupong ito ang mga materyales batay sa barium titanate, strontium, zinc at iba pang mga inorganic compound na may iba't ibang maliliit na additives.

3. Mga materyal na mala-kristal na semiconductor batay sa mga compound ng mga atom mula sa ikatlo at ikalimang grupo ng sistema ng mga elemento ni Mendeleev. Ang mga halimbawa ng naturang mga materyales ay indium, gallium at aluminum antimonides, i.e.mga compound ng antimony na may indium, gallium, at aluminyo. Ang mga ito ay tinatawag na intermetallic compound.

4. Mga materyal na mala-kristal na semiconductor batay sa mga compound ng sulfur, selenium at tellurium sa isang banda at tanso, cadmium at baboy Ca sa kabilang banda. Ang ganitong mga compound ay tinatawag, ayon sa pagkakabanggit: sulfides, selenides at tellurides.

Ang lahat ng mga materyales ng semiconductor, tulad ng nabanggit na, ay maaaring hatiin ng istraktura ng kristal sa dalawang grupo. Ang ilang mga materyales ay ginawa sa anyo ng malalaking solong kristal (mga solong kristal), kung saan ang mga plato ng iba't ibang laki ay pinutol sa ilang mga direksyon ng kristal para magamit sa mga rectifier, amplifier, photocell.

Ang mga naturang materyales ay bumubuo sa grupo ng mga single crystal semiconductors... Ang pinakakaraniwang solong kristal na materyales ay germanium at silicon. Ang mga pamamaraan ng RM ay binuo para sa paggawa ng mga solong kristal ng silicon carbide, mga solong kristal ng intermetallic compound.

Ang iba pang mga semiconductor na materyales ay pinaghalong napakaliit na kristal na random na pinagsama-sama. Ang mga naturang materyales ay tinatawag na polycrystalline... Ang mga kinatawan ng polycrystalline semiconductor na materyales ay selenium at silicon carbide, pati na rin ang mga materyales na gawa sa iba't ibang mga oxide gamit ang ceramic technology.

Isaalang-alang ang malawakang ginagamit na mga materyales ng semiconductor.

Germanium - isang elemento ng ikaapat na pangkat ng periodic system ng mga elemento ni Mendeleev. Ang Germanium ay may maliwanag na kulay pilak. Ang punto ng pagkatunaw ng germanium ay 937.2 ° C. Madalas itong matatagpuan sa kalikasan, ngunit sa napakaliit na dami. Ang pagkakaroon ng germanium ay matatagpuan sa zinc ores at sa abo ng iba't ibang uling. Ang pangunahing pinagmumulan ng produksyon ng germanium ay coal ash at basura mula sa mga plantang metalurhiko.

kanin. 1. Germanium

Ang Germanium ingot, na nakuha bilang isang resulta ng isang bilang ng mga operasyon ng kemikal, ay hindi pa isang sangkap na angkop para sa paggawa ng mga aparatong semiconductor mula dito. Naglalaman ito ng mga hindi matutunaw na impurities, ay hindi pa isang solong kristal, at walang additive na ipinakilala dito na tumutukoy sa kinakailangang uri ng electrical conductivity.

Ito ay malawakang ginagamit upang linisin ang ingot mula sa insoluble impurities zone melting method... Ang pamamaraang ito ay maaaring gamitin upang alisin lamang ang mga impurities na naiibang natutunaw sa isang solidong semiconductor at sa pagkatunaw nito.

Ang Germanium ay napakatigas ngunit lubhang malutong at nadudurog sa maliliit na piraso sa epekto. Gayunpaman, gamit ang isang diamond saw o iba pang mga aparato, maaari itong i-cut sa manipis na hiwa. Ang domestic industriya ay gumagawa ng alloyed germanium na may elektronikong kondaktibiti iba't ibang grado na may resistivity mula 0.003 hanggang 45 ohm NS cm at germanium alloyed na may electrical conductivity ng mga butas na may resistivity mula 0.4 hanggang 5.5 ohm NS cm at sa itaas. Ang tiyak na pagtutol ng purong germanium sa temperatura ng silid ρ = 60 ohm NS cm.

Ang Germanium bilang isang materyal na semiconductor ay malawakang ginagamit hindi lamang para sa mga diode at triodes, ginagamit ito upang gumawa ng mga power rectifier para sa mataas na alon, iba't ibang mga sensor na ginagamit upang sukatin ang lakas ng magnetic field, mga thermometer ng paglaban para sa mababang temperatura, atbp.

Ang Silicon ay malawak na ipinamamahagi sa kalikasan. Ito, tulad ng germanium, ay isang elemento ng ikaapat na pangkat ng sistema ng mga elemento ng Mendeleev at may parehong kristal (kubiko) na istraktura. Ang pinakintab na silikon ay tumatagal sa metal na kinang ng bakal.

Ang Silicon ay hindi natural na nangyayari sa malayang estado, bagaman ito ang pangalawang pinaka-masaganang elemento sa Earth, na bumubuo ng batayan ng kuwarts at iba pang mga mineral. Ang Silicon ay maaaring ihiwalay sa kanyang elemental na anyo sa pamamagitan ng mataas na temperatura na pagbabawas ng SiO2 carbon. Kasabay nito, ang kadalisayan ng silikon pagkatapos ng paggamot sa acid ay ~ 99.8%, at para sa mga instrumental na instrumental na semiconductor sa form na ito, hindi ito ginagamit.

Ang high-purity na silicon ay nakukuha mula sa dati nitong mahusay na purified volatile compound (halides, silanes) alinman sa pamamagitan ng kanilang mataas na temperatura na pagbabawas ng zinc o hydrogen, o sa pamamagitan ng kanilang thermal decomposition. Inilabas sa panahon ng reaksyon, ang silikon ay idineposito sa mga dingding ng silid ng reaksyon o sa isang espesyal na elemento ng pag-init - kadalasan sa isang baras na gawa sa mataas na kadalisayan na silikon.

kanin. 2. Silikon

Tulad ng germanium, ang silikon ay malutong. Ang punto ng pagkatunaw nito ay mas mataas kaysa sa germanium: 1423 ° C. Ang paglaban ng purong silikon sa temperatura ng silid ρ = 3 NS 105 ohm-see

Dahil ang punto ng pagkatunaw ng silikon ay mas mataas kaysa sa germanium, ang graphite crucible ay pinalitan ng isang quartz crucible, dahil ang grapayt sa mataas na temperatura ay maaaring tumugon sa silikon upang bumuo ng silicon carbide. Bilang karagdagan, ang mga contaminant ng grapayt ay maaaring pumasok sa tinunaw na silikon.

Ang industriya ay gumagawa ng semiconductor doped silicon na may electronic conductivity (iba't ibang grado) na may resistivity mula 0.01 hanggang 35 ohm x cm at hole conductivity din ng iba't ibang grade na may resistivity mula 0.05 hanggang 35 ohm x cm.

Ang silikon, tulad ng germanium, ay malawakang ginagamit sa paggawa ng maraming mga aparatong semiconductor.Sa silicon rectifier, ang mas mataas na reverse voltages at operating temperature (130 — 180 ° C) ay nakakamit kaysa sa germanium rectifiers (80 ° C). Ang punto at eroplano ay gawa sa silikon mga diode at triodes, photocells, at iba pang semiconductor device.

Sa fig. Ang 3 ay nagpapakita ng mga dependences ng paglaban ng germanium at silikon ng parehong uri sa konsentrasyon ng mga impurities sa kanila.

kanin. 3. Impluwensya ng konsentrasyon ng mga impurities sa paglaban ng germanium at silikon sa temperatura ng silid: 1 — silikon, 2 — germanium

Ang mga kurba sa figure ay nagpapakita na ang mga impurities ay may malaking epekto sa paglaban: sa germanium, nagbabago ito mula sa panloob na halaga ng paglaban na 60 ohm x cm hanggang 10-4 ohm x cm, iyon ay, sa pamamagitan ng 5 x 105 beses, at para sa silicon sa pamamagitan ng 3 x 103 hanggang 10-4 ohm x cm, ibig sabihin, sa 3 x 109 isang beses.

Bilang isang materyal para sa produksyon ng mga non-linear resistors, ang polycrystalline na materyal ay partikular na malawakang ginagamit - silicon carbide.

kanin. 4. Silicon carbide

Ang mga valve limiter para sa mga linya ng kuryente ay gawa sa silicon carbide - mga device na nagpoprotekta sa linya ng kuryente mula sa overvoltage. Sa kanila, ang mga disk na gawa sa isang non-linear semiconductor (silicon carbide) ay pumasa sa kasalukuyang sa lupa sa ilalim ng pagkilos ng mga surge wave na nagaganap sa linya. Bilang resulta, naibalik ang normal na operasyon ng linya. Sa operating boltahe, ang mga linya ng paglaban ng mga disk na ito ay tumataas at ang pagtagas ng kasalukuyang mula sa linya patungo sa lupa ay humihinto.

Ang silicone carbide ay artipisyal na ginawa — sa pamamagitan ng heat treatment ng pinaghalong quartz sand na may karbon sa mataas na temperatura (2000 ° C).

Depende sa mga additives na ipinakilala, dalawang pangunahing uri ng silicon carbide ang nabuo: berde at itim.Nag-iiba sila sa bawat isa sa uri ng electrical conductivity, lalo na: ang berdeng silikon na karbid ay nagtatapon ng n-type na electrical conductivity, at itim - na may p-type na conductivity.

Para sa mga restrictor ng balbula Ang silicon carbide ay ginagamit upang makagawa ng mga disc na may diameter na 55 hanggang 150 mm at taas na 20 hanggang 60 mm. Sa isang valve stop, ang mga silicon carbide disc ay konektado sa serye sa bawat isa at may mga spark gaps. Ang sistema na binubuo ng mga disc at spark plugs ay pinipiga ng coil spring. Gamit ang bolt, ang arrester ay konektado sa konduktor ng linya ng kuryente, at ° C ang kabilang panig ng arrester ay konektado ng wire sa lupa. Ang lahat ng bahagi ng fuse ay inilalagay sa isang porselana na kaso.

Sa normal na boltahe ng linya ng paghahatid, ang balbula ay hindi pumasa sa kasalukuyang linya. Sa tumaas na mga boltahe (surges) na nilikha ng atmospheric na kuryente o panloob na mga surge, lumilikha ng mga spark gap at ang mga valve disc ay nasa ilalim ng mataas na boltahe.

Ang kanilang pagtutol ay bababa nang husto, na titiyakin ang kasalukuyang pagtagas mula sa linya patungo sa lupa. Ang mataas na kasalukuyang dumaan ay magbabawas ng boltahe sa normal at ang paglaban sa mga disc ng balbula ay tataas. Ang balbula ay isasara, iyon ay, ang operating kasalukuyang ng linya ay hindi ipapadala sa kanila.

Ginagamit din ang Silicon carbide sa mga semiconductor rectifier na tumatakbo sa mataas na temperatura ng pagpapatakbo (hanggang sa 500 °C).