Halfgeleidermaterialen — germanium en silicium

Halfgeleiders vertegenwoordigen een enorm gebied van materialen die van elkaar verschillen met een grote verscheidenheid aan elektrische en fysische eigenschappen, evenals met een grote verscheidenheid aan chemische samenstelling, die verschillende doeleinden in hun technische gebruik bepaalt.

Van chemische aard kunnen moderne halfgeleidermaterialen worden ingedeeld in de volgende vier hoofdgroepen:

1. Kristallijne halfgeleidermaterialen bestaande uit atomen of moleculen van een enkel element. Dergelijke materialen worden momenteel veel gebruikt: germanium, silicium, selenium, boor, siliciumcarbide, enz.

2. Oxide kristallijne halfgeleidermaterialen, d.w.z. metaaloxide materialen. De belangrijkste zijn: koperoxide, zinkoxide, cadmiumoxide, titaandioxide, nikkeloxide, enz. Tot deze groep behoren ook materialen op basis van bariumtitanaat, strontium, zink en andere anorganische verbindingen met diverse kleine toevoegingen.

3. Kristallijne halfgeleidermaterialen op basis van verbindingen van atomen uit de derde en vijfde groep van het elementensysteem van Mendelejev. Voorbeelden van dergelijke materialen zijn indium-, gallium- en aluminiumantimoniden, d.w.z.verbindingen van antimoon met indium, gallium en aluminium. Deze werden intermetallische verbindingen genoemd.

4. Kristallijne halfgeleidermaterialen op basis van verbindingen van enerzijds zwavel, selenium en tellurium en anderzijds koper, cadmium en pig Ca. Dergelijke verbindingen worden respectievelijk genoemd: sulfiden, seleniden en telluriden.

Alle halfgeleidermaterialen kunnen, zoals reeds vermeld, door kristalstructuur in twee groepen worden verdeeld. Sommige materialen worden gemaakt in de vorm van grote enkele kristallen (enkele kristallen), waaruit platen van verschillende afmetingen worden gesneden in bepaalde kristalrichtingen voor gebruik in gelijkrichters, versterkers, fotocellen.

Dergelijke materialen vormen de groep van monokristallijne halfgeleiders... De meest voorkomende monokristallijne materialen zijn germanium en silicium. Er zijn methoden ontwikkeld voor de productie van monokristallen van siliciumcarbide, monokristallen van intermetallische verbindingen.

Andere halfgeleidermaterialen zijn een mengsel van zeer kleine kristallen die willekeurig aan elkaar zijn gesoldeerd. Dergelijke materialen worden polykristallijn genoemd. Vertegenwoordigers van polykristallijne halfgeleidermaterialen zijn selenium en siliciumcarbide, evenals materialen gemaakt van verschillende oxiden met behulp van keramische technologie.

Overweeg veelgebruikte halfgeleidermaterialen.

Germanium - een element van de vierde groep van Mendelejevs periodieke systeem van elementen. Germanium heeft een heldere zilveren kleur. Het smeltpunt van germanium is 937,2 °C. Het wordt vaak in de natuur aangetroffen, maar in zeer kleine hoeveelheden. De aanwezigheid van germanium wordt aangetroffen in zinkertsen en in de as van verschillende kolen. De belangrijkste bron van de productie van germanium is steenkoolas en afval van metallurgische fabrieken.

Rijst. 1. Germanium

Germaniumstaaf, verkregen als resultaat van een aantal chemische bewerkingen, is nog geen stof die geschikt is om er halfgeleiderapparaten van te maken. Het bevat onoplosbare onzuiverheden, is nog geen enkel kristal en bevat geen additief dat het vereiste type elektrische geleidbaarheid bepaalt.

Het wordt veel gebruikt om de staaf te reinigen van onoplosbare onzuiverheden zone smeltmethode. Deze methode kan worden gebruikt om alleen die onzuiverheden te verwijderen die anders oplossen in een bepaalde vaste halfgeleider en in zijn smelt.

Germanium is erg hard maar extreem bros en breekt bij impact in kleine stukjes. Met behulp van een diamantzaag of andere apparaten kan het echter in dunne plakjes worden gesneden. De binnenlandse industrie produceert gelegeerd germanium met elektronische geleidbaarheid verschillende kwaliteiten met soortelijke weerstand van 0,003 tot 45 ohm NS cm en germanium gelegeerd met elektrische geleidbaarheid van gaten met soortelijke weerstand van 0,4 tot 5,5 ohm NS cm en hoger. De specifieke weerstand van puur germanium bij kamertemperatuur ρ = 60 ohm NS cm.

Germanium als halfgeleidermateriaal wordt veel gebruikt, niet alleen voor diodes en triodes, het wordt ook gebruikt om vermogensgelijkrichters te maken voor hoge stromen, verschillende sensoren die worden gebruikt om de magnetische veldsterkte te meten, weerstandsthermometers voor lage temperaturen, enz.

Silicium is wijd verspreid in de natuur. Het is, net als germanium, een element van de vierde groep van het Mendeleev-systeem van elementen en heeft dezelfde kristalstructuur (kubiek). Gepolijst silicium krijgt de metaalglans van staal.

Silicium komt van nature niet in vrije toestand voor, hoewel het het op een na meest voorkomende element op aarde is en de basis vormt van kwarts en andere mineralen. Silicium kan in zijn elementaire vorm worden geïsoleerd door reductie bij hoge temperatuur van SiO2-koolstof. Tegelijkertijd is de zuiverheid van silicium na zuurbehandeling ~ 99,8%, en voor instrumentele halfgeleiderapparaten in deze vorm wordt het niet gebruikt.

Silicium met een hoge zuiverheid wordt verkregen uit zijn eerder goed gezuiverde vluchtige verbindingen (halogeniden, silanen), hetzij door reductie bij hoge temperatuur met zink of waterstof, hetzij door thermische ontleding. Tijdens de reactie komt silicium vrij op de wanden van de reactiekamer of op een speciaal verwarmingselement - meestal op een staaf gemaakt van zeer zuiver silicium.

Rijst. 2. Silicium

Net als germanium is silicium bros. Het smeltpunt is aanzienlijk hoger dan dat van germanium: 1423 ° C. De weerstand van puur silicium bij kamertemperatuur ρ = 3 NS 105 ohm-zie

Omdat het smeltpunt van silicium veel hoger is dan dat van germanium, wordt de grafietkroes vervangen door een kwartskroes, omdat grafiet bij hoge temperaturen kan reageren met silicium om siliciumcarbide te vormen. Bovendien kunnen grafietverontreinigingen gesmolten silicium binnendringen.

De industrie produceert halfgeleider gedoteerd silicium met elektronische geleidbaarheid (verschillende graden) met een soortelijke weerstand van 0,01 tot 35 ohm x cm en gatengeleidbaarheid ook van verschillende graden met een soortelijke weerstand van 0,05 tot 35 ohm x cm.

Silicium wordt, net als germanium, veel gebruikt bij de fabricage van veel halfgeleiderapparaten.In de siliciumgelijkrichter worden hogere sperspanningen en bedrijfstemperaturen (130 — 180°C) bereikt dan in de germaniumgelijkrichters (80°C). De punt en het vlak zijn gemaakt van silicium dioden en triodes, fotocellen en andere halfgeleiderapparaten.

In afb. 3 toont de afhankelijkheid van de weerstand van germanium en silicium van beide typen van de concentratie van onzuiverheden daarin.

Rijst. 3. Invloed van de concentratie van onzuiverheden op de weerstand van germanium en silicium bij kamertemperatuur: 1 — silicium, 2 — germanium

De curven in de figuur laten zien dat onzuiverheden een enorm effect hebben op de weerstand: in germanium verandert deze van de interne weerstandswaarde van 60 ohm x cm naar 10-4 ohm x cm, dat wil zeggen 5 x 105 keer, en voor silicium met 3 x 103 tot 10-4 ohm x cm, d.w.z. in 3 x 109 een keer.

Als materiaal voor de productie van niet-lineaire weerstanden wordt vooral het polykristallijne materiaal veel gebruikt - siliciumcarbide.

Rijst. 4. Siliciumcarbide

Klepbegrenzers voor hoogspanningslijnen zijn gemaakt van siliciumcarbide - apparaten die de hoogspanningslijn beschermen tegen overspanning. Daarin laten schijven gemaakt van een niet-lineaire halfgeleider (siliciumcarbide) stroom door naar de grond onder invloed van golfgolven die in de lijn voorkomen. Als gevolg hiervan wordt de normale werking van de lijn hersteld. Bij bedrijfsspanning nemen de weerstandslijnen van deze schijven toe en stopt de lekstroom van de lijn naar aarde.

Siliciumcarbide wordt kunstmatig geproduceerd - door warmtebehandeling van een mengsel van kwartszand met steenkool bij hoge temperatuur (2000 ° C).

Afhankelijk van de toegevoegde additieven worden twee hoofdtypen siliciumcarbide gevormd: groen en zwart.Ze verschillen van elkaar in het type elektrische geleidbaarheid, namelijk: groen siliciumcarbide gooit n-type elektrische geleidbaarheid en zwart - met p-type geleidbaarheid.

Voor klep begrenzers siliciumcarbide wordt gebruikt om schijven te produceren met een diameter van 55 tot 150 mm en een hoogte van 20 tot 60 mm. Bij een ventielstop zijn siliciumcarbide schijven in serie met elkaar en met vonkbruggen verbonden. Het systeem bestaande uit schijven en bougies wordt samengedrukt door een schroefveer. Met een bout wordt de afleider verbonden stroomlijn geleider, en ° C de andere kant van de afleider is met een draad verbonden met de grond. Alle onderdelen van de lont zijn in een porseleinen kistje geplaatst.

Bij normale transmissielijnspanning laat de klep de lijnstroom niet door. Bij verhoogde spanningen (pieken) veroorzaakt door atmosferische elektriciteit of interne spanningspieken ontstaan ​​vonkbruggen en komen de klepschotels onder hoge spanning te staan.

Hun weerstand zal sterk dalen, wat zorgt voor stroomlekkage van de lijn naar aarde. De doorgelaten hoge stroom zal de spanning naar normaal verlagen en de weerstand in de klepschotels zal toenemen. De klep wordt gesloten, dat wil zeggen dat de bedrijfsstroom van de lijn niet naar hen wordt verzonden.

Siliciumcarbide wordt ook gebruikt in halfgeleidergelijkrichters die werken bij hoge bedrijfstemperaturen (tot 500 °C).