Materials semiconductors: germani i silici

Els semiconductors representen una àmplia àrea de materials que es diferencien entre si amb una gran varietat de propietats elèctriques i físiques, així com amb una gran varietat de composició química, que determina diferents finalitats en el seu ús tècnic.

Per naturalesa química, els materials semiconductors moderns es poden classificar en els quatre grups principals següents:

1. Materials semiconductors cristal·lins formats per àtoms o molècules d'un sol element. Aquests materials són actualment àmpliament utilitzats: germani, silici, seleni, bor, carbur de silici, etc.

2. Materials semiconductors cristal·lins d'òxid, és a dir. materials d'òxid metàl·lic. Els principals són: òxid de coure, òxid de zinc, òxid de cadmi, diòxid de titani, òxid de níquel, etc. Aquest grup també inclou materials basats en titanat de bari, estronci, zinc i altres compostos inorgànics amb diversos petits additius.

3. Materials semiconductors cristal·lins basats en compostos d'àtoms del tercer i cinquè grup del sistema d'elements de Mendeleiev. Exemples d'aquests materials són els antimònurs d'indi, gal·li i alumini, és a dir.compostos d'antimoni amb indi, gal·li i alumini. S'anomenaven compostos intermetàl·lics.

4. Materials semiconductors cristal·lins basats en compostos de sofre, seleni i tel·luri d'una banda i coure, cadmi i Ca porc de l'altra. Aquests compostos s'anomenen, respectivament: sulfurs, selenurs i tel·lururs.

Tots els materials semiconductors, com ja s'ha esmentat, es poden dividir per estructura cristal·lina en dos grups. Alguns materials es fabriquen en forma de cristalls simples grans (cristalls simples), a partir dels quals es tallen plaques de diverses mides en determinades direccions de cristall per utilitzar-les en rectificadors, amplificadors i fotocèl·lules.

Aquests materials formen el grup dels semiconductors monocristalls... Els materials monocristalls més comuns són el germani i el silici. S'han desenvolupat RMètodes per a la producció de cristalls simples de carbur de silici, cristalls simples de compostos intermetàl·lics.

Altres materials semiconductors són una barreja de cristalls molt petits soldats aleatòriament. Aquests materials s'anomenen policristalins... Els representants dels materials semiconductors policristalins són el seleni i el carbur de silici, així com els materials fets de diversos òxids mitjançant la tecnologia ceràmica.

Penseu en materials semiconductors àmpliament utilitzats.

Germani: un element del quart grup del sistema periòdic d'elements de Mendeleiev. El germani té un color plata brillant. El punt de fusió del germani és de 937,2 ° C. Sovint es troba a la natura, però en quantitats molt petites. La presència de germani es troba als minerals de zinc i a les cendres de diferents carbons. La principal font de producció de germani són les cendres de carbó i els residus de les plantes metal·lúrgiques.

Arròs. 1. Germani

El lingot de germani, obtingut com a resultat d'una sèrie d'operacions químiques, encara no és una substància adequada per a la fabricació de dispositius semiconductors a partir d'ell. Conté impureses insolubles, encara no és un sol cristall i no té introduït cap additiu que determini el tipus de conductivitat elèctrica requerida.

S'utilitza àmpliament per netejar el lingot d'impureses insolubles mètode de fusió de la zona... Aquest mètode es pot utilitzar per eliminar només aquelles impureses que es dissolen de manera diferent en un semiconductor sòlid determinat i en la seva fosa.

El germani és molt dur però extremadament trencadís i es trenca en petits trossos amb l'impacte. Tanmateix, amb una serra de diamant o altres dispositius, es pot tallar a rodanxes fines. La indústria nacional produeix germani aliat amb conductivitat electrònica diversos graus amb resistivitat de 0,003 a 45 ohm NS cm i germani aliat amb conductivitat elèctrica de forats amb resistivitat de 0,4 a 5,5 ohm NS cm i superior. La resistència específica del germani pur a temperatura ambient ρ = 60 ohms NS cm.

El germani com a material semiconductor s'utilitza àmpliament no només per a díodes i triodes, s'utilitza per fabricar rectificadors de potència per a corrents elevats, diversos sensors utilitzats per mesurar la força del camp magnètic, termòmetres de resistència per a baixes temperatures, etc.

Silici àmpliament distribuït a la natura. Com el germani, és un element del quart grup del sistema d'elements de Mendeleiev i té la mateixa estructura cristal·lina (cúbica). El silici polit adquireix la brillantor metàl·lica de l'acer.

El silici no es troba de forma natural en estat lliure, tot i que és el segon element més abundant a la Terra, formant la base del quars i altres minerals. El silici es pot aïllar en la seva forma elemental mitjançant la reducció a alta temperatura del carboni SiO2. Al mateix temps, la puresa del silici després del tractament àcid és de ~ 99,8%, i per als dispositius instrumentals semiconductors d'aquesta forma, no s'utilitza.

El silici d'alta puresa s'obté dels seus compostos volàtils prèviament ben purificats (halogenurs, silans) ja sigui per la seva reducció a alta temperatura amb zinc o hidrogen, o per la seva descomposició tèrmica. Alliberat durant la reacció, el silici es diposita a les parets de la cambra de reacció o en un element de calefacció especial, sovint en una vareta feta de silici d'alta puresa.

Arròs. 2. Silici

Igual que el germani, el silici és fràgil. El seu punt de fusió és significativament superior al del germani: 1423 ° C. La resistència del silici pur a temperatura ambient ρ = 3 NS 105 ohms-vegeu

Com que el punt de fusió del silici és molt superior al del germani, el gresol de grafit es substitueix per un de quars, perquè el grafit a altes temperatures pot reaccionar amb el silici per formar carbur de silici. A més, els contaminants de grafit poden entrar silici fos.

La indústria produeix silici dopat per semiconductors amb conductivitat electrònica (diversos graus) amb resistivitat de 0,01 a 35 ohm x cm i conductivitat de forats també de diversos graus amb resistivitat de 0,05 a 35 ohm x cm.

El silici, com el germani, s'utilitza àmpliament en la fabricació de molts dispositius semiconductors.En el rectificador de silici, s'aconsegueixen tensions inverses i temperatures de funcionament més altes (130 - 180 ° C) que en els rectificadors de germani (80 ° C). El punt i el pla estan fets de silici díodes i triodes, fotocèl·lules i altres dispositius semiconductors.

A la fig. La figura 3 mostra les dependències de la resistència del germani i el silici d'ambdós tipus de la concentració d'impureses en ells.

Arròs. 3. Influència de la concentració d'impureses en la resistència de germani i silici a temperatura ambient: 1 — silici, 2 — germani

Les corbes de la figura mostren que les impureses tenen un efecte enorme sobre la resistència: en germani, canvia del valor de la resistència interna de 60 ohm x cm a 10-4 ohm x cm, és a dir, 5 x 105 vegades, i per silici de 3 x 103 a 10-4 ohms x cm, és a dir, en 3 x 109 una vegada.

Com a material per a la producció de resistències no lineals, el material policristalí s'utilitza especialment: carbur de silici.

Arròs. 4. Carbur de silici

Els limitadors de vàlvules per a línies elèctriques estan fets de carbur de silici: dispositius que protegeixen la línia elèctrica de la sobretensió. En ells, els discs fets d'un semiconductor no lineal (carbur de silici) passen corrent a terra sota l'acció de les ones de sobretensió que es produeixen a la línia. Com a resultat, es restableix el funcionament normal de la línia. A la tensió de funcionament, les línies de resistència d'aquests discos augmenten i el corrent de fuga de la línia a terra s'atura.

El carbur de silici es produeix artificialment mitjançant el tractament tèrmic d'una barreja de sorra de quars amb carbó a alta temperatura (2000 ° C).

Segons els additius introduïts, es formen dos tipus principals de carbur de silici: verd i negre.Es diferencien entre si pel tipus de conductivitat elèctrica, és a dir: el carbur de silici verd llança conductivitat elèctrica de tipus n i el negre amb conductivitat de tipus p.

Per restrictors de vàlvules El carbur de silici s'utilitza per produir discos amb un diàmetre de 55 a 150 mm i una alçada de 20 a 60 mm. En una vàlvula de parada, els discs de carbur de silici es connecten en sèrie entre si i amb espurnes. El sistema format per discs i bugies està comprimit per una molla helicoïdal. Amb un cargol, es connecta l'aturador conductor de la línia elèctrica, i ° C l'altre costat de l'apagador està connectat per un cable a terra. Totes les parts del fusible es col·loquen en una caixa de porcellana.

A la tensió normal de la línia de transmissió, la vàlvula no passa el corrent de línia. En augmentar les tensions (sobretensions) creades per l'electricitat atmosfèrica o les sobretensions internes, es creen espurnes i els discs de la vàlvula estaran sota una alta tensió.

La seva resistència caurà bruscament, cosa que garantirà la fuita de corrent de la línia a terra. L'elevat corrent passat reduirà la tensió a la normalitat i augmentarà la resistència als discs de la vàlvula. La vàlvula estarà tancada, és a dir, no se'ls transmetrà el corrent de funcionament de la línia.

El carbur de silici també s'utilitza en rectificadors de semiconductors que funcionen a temperatures de funcionament elevades (fins a 500 °C).