Напівпровідникові матеріали

Напівпровідники становлять неосяжну область матеріалів, що відрізняються один від одного величезною різноманітністю електронних і фізичних параметрів, також величезною різноманітністю хімічного складу, що і визначає різні призначення при їх технічному використанні.

За хімічною природою сучасні напівпровідникові матеріали можна поділити на наступні чотири основні групи:

1. Кристалічні напівпровідникові матеріали, побудовані з атомів або молекул 1-го елемента. Такими матеріалами є широко застосовуються в даний час германій, кремній, селен, бор, карбід кремнію і ін.

2. Окисні кристалічні напівпровідникові матеріали, т. Е. Матеріали з оксидів металів. Головні з них: закис міді, окис цинку, окис кадмію, двоокис титану, окис нікелю і ін. В цю ж групу входять матеріали, що виготовляються на базі титанату барію, стронцію, цинку, і інші неорганічні сполуки з різними малими добавками.

3. Кристалічні напівпровідникові матеріали на базі з`єднань атомів третьої і п`ятої груп системи елементів Менделєєва. Прикладами таких матеріалів є антімоніди індію, галію і алюмінію, т. Е. З`єднання сурми з індієм, галієм і алюмінієм. Вони отримали найменування інтерметалічних сполук.

4. Кристалічні напівпровідникові матеріали на базі сполук сірки, селену і телуру з одного боку і міді, кадмію і свинцю з іншого. Такі сполуки називаються відповідно: сульфідами, селеніди і телуриду.

Всі напівпровідникові матеріали, як уже говорилося, можуть бути розподілені по кристалічній структурі на дві групи. Одні матеріали виготовляються у вигляді величезних одиночних кристалів (монокристалів), з яких вирізають по певним кристалічним фронтах пластинки різних розмірів для використання їх в випрямлячах, підсилювачах, фотоелементах.

Такі матеріали складають групу монокристалічних напівпровідників. Найбільш поширеними монокристаллическими матеріалами є германій і кремній. Розроблено способи виробництва монокристалів і з карбіду кремнію, монокристали з інтерметалічних сполук.

Інші напівпровідникові матеріали являють собою суміш величезної кількості малих кристаликів, хаотично спаяних разом. Такі матеріали називаються полікристалічний. Представниками полікристалічних напівпровідникових матеріалів є селен і карбід кремнію, також матеріали, що виготовляються з різних окислів способами глиняній технології.

Розглянемо широко використовуються напівпровідникові матеріали.

Германій- елемент четвертої групи періодичної системи елементів Менделєєва. Германій має яскраво-сріблястий колір. Температура плавлення германію 937,2 ° С. У природі він зустрічається нерідко, але в дуже малих кількостях. Присутність германію знайдено в цинкових рудах і в золах різного вугілля. Головним джерелом отримання германію є зола вугілля і відходи металургійних заводів.

Мал. 1. Німеччин

Набутий в результаті ряду хімічних операцій злиток германію ще не є речовини, що застосовується для виробництва з нього напівпровідникових пристроїв. Він містить нерозчинні домішки, не є ще монокристалом і в нього не введена легирующая домішка, яка обумовлює потрібний вид електропровідності.

Для чищення злитка від нерозчинних домішок широко застосовується спосіб зонного плавлення. Цим способом можуть бути видалені тільки ті домішки, які по-різному розчиняються в даному жорсткому полупроводнике і в його розплаві.

Германій має високу стійкість, але дуже крихкий і розколюється на маленькі шматочки при ударах. Але за допомогою алмазної пилки або інших пристроїв його можна розпиляти на тонкі пластинки. Вітчизняної промисловістю виготовляється легований германій з електричної електропровідністю різних марок з питомим опором від 0,003 до 45 ом х см і германій легований з доречний електропровідністю з питомим опором від 0,4 до 5,5 ом х см і вище. Питомий ж опір чистого германію при кімнатній температурі ρ = 60 ом х см.

Германій як напівпровідниковий матеріал широко використовується не тільки для діодів і тріодів, з нього виготовляються массівниевипрямітелі на величезні струми, різні датчики, які використовуються для вимірювання напруженості магнітного поля, термометри опору для низьких температур та ін.

Кремній широко поширений в природі. Він, як і германій, є елементом четвертої групи системи елементів Менделєєва і має таку ж кристалічну (кубічну) структуру. Полірований кремній набуває залізний сяйво стали.

Мал. 2. Кремній

Як і германій, кремній має крихкістю. Його температура плавлення суттєво вище, ніж у германію: 1423 ° С. Питомий опір чистого кремнію при кімнатній температурі ρ = 3 х 105 ом-см.

Тому що температура плавлення кремнію істотно вище, ніж у германію, то тигель з графіту підміняють кварцовим, тому що графіт при високій температурі може реагувати з кремнієм і створювати карбід кремнію. Крім того, в розплавлений кремній можуть потрапити з графіту забруднюючі домішки.

Індустрією випускається напівпровідниковий легований кремній з електричної електропровідністю (різних марок) з питомим опором від 0,01 до 35 ом х см і з доречний електропровідністю теж різних марок з питомим опором від 0,05 до 35 ом х см.

Кремній, як і германій, широко застосовується для виробництва численних напівпровідникових пристроїв. У кремнієвому випрямлячі досягаються більш високі оборотні напруги і робоча температура (130 - 180 ° С), ніж в германієвих випрямлячах (80 ° С). З кремнію виготовляють точкові і площинні діоди і тріоди, фотоелементи та інші напівпровідникові прилади.

На рис. 3 показані залежності величин питомого опору германію та кремнію обох типів від концентрації легуючих домішок в їх.

Мал. 3. Вплив концентрації домішок на величину питомого опору германію та кремнію при кімнатній температурі: 1 - кремній, 2 - германій

Криві на малюнку демонструють, що легуючі домішки надають значний вплив на величину питомого опору: у германію воно змінюється о г величини власного опору 60 ом х см до 10-4 ом х см, т. Е. В 5 х 105 раз, а у кремнію з 3 х 103 до 10-4 ом х см, т. е. в 3 х 109 раз.

Як матеріал для виробництва нелінійних опорів особливо широке застосування отримав полікристалічний матеріал - карбід кремнію.

Мал. 4. Карбід кремнію

З карбіду кремнію виготовляють вентильні розрядники для ліній електропередачі - пристрої, що захищають лінію електропередачі від перенапруг. В їх диски з нелінійного напівпровідника (карбіду кремнію) пропускають струм на землю під дією хвиль перенапруг, що виникають в смуги. В результаті цього відновлюється звичайна робота смуги. При робочому же напрузі смуги опору цих дисків ростуть і струм витоку з смуги на землю припиняється.

Карбід кремнію отримують штучно - методом теплової обробки консистенції кварцового піску з вугіллям при високій температурі (2000 ° С).

Залежно від введених легуючих домішок утворюються два основних види карбіду кремнію: зеленуватий і темний. Вони відрізняються один, від одного за типом електропровідності, а конкретно: зеленуватий карбід кремнію обкидали електропровідністю n-типу, а темний - електропровідністю р-типу.

Для вентильних розрядників з карбіду кремнію виготовляються диски діаметром від 55 до 150 мм і висотою від 20 до 60 мм. У вентильному розряднику диски з карбіду кремнію з`єднуються по черзі разом і з іскровими проміжками. Система, що складається з дисків і іскрових проміжків, стискається спіральної пружиною. За допомогою болта розрядник приєднується до проводу лінії електропередачі, а c іншого боку розрядник з`єднується дротом з землею. Всі деталі розрядника поміщені в фарфоровий корпус.

При звичайному напрузі на лінії передачі ток з смуги вентиль не пропускає. При завищених же напружених (перенапруженнях), створюваних атмосферною електрикою, або внутрішніх перенапруженнях іскрові проміжки пробиваються і диски вентиля виявляться під високим напругою.

Опір їх різко впаде, що забезпечить витік струму з смуги на землю. Минулий великий струм знизить напругу до звичайного і в дисках вентиля опір зросте. Вентиль виявиться замкненим, т. Е. Робочий струм смуги їм пропускатися не буде.

Карбід кремнію знаходить ще застосування в напівпровідникових випрямлячах, що працюють при величезних робочих температурах (до 500 ° С).

Школа для електрика