Materiali semiconduttori: germanio e silicio

I semiconduttori rappresentano una vasta area di materiali che differiscono tra loro con un'ampia varietà di proprietà elettriche e fisiche, nonché con un'ampia varietà di composizione chimica, che determina diverse finalità nel loro uso tecnico.

Per natura chimica, i moderni materiali semiconduttori possono essere classificati nei seguenti quattro gruppi principali:

1. Materiali semiconduttori cristallini costituiti da atomi o molecole di un singolo elemento. Tali materiali sono attualmente ampiamente utilizzati germanio, silicio, selenio, boro, carburo di silicio, ecc.

2. Materiali semiconduttori cristallini di ossido, ad es. materiali di ossido di metallo. I principali sono: ossido di rame, ossido di zinco, ossido di cadmio, biossido di titanio, ossido di nichel, ecc. Questo gruppo comprende anche materiali a base di titanato di bario, stronzio, zinco e altri composti inorganici con vari piccoli additivi.

3. Materiali semiconduttori cristallini basati su composti di atomi del terzo e quinto gruppo del sistema di elementi di Mendeleev. Esempi di tali materiali sono gli antimonidi di indio, gallio e alluminio, cioècomposti di antimonio con indio, gallio e alluminio. Questi sono stati chiamati composti intermetallici.

4. Materiali semiconduttori cristallini a base di composti di zolfo, selenio e tellurio da un lato e rame, cadmio e calcio di maiale dall'altro. Tali composti sono chiamati rispettivamente: solfuri, seleniuri e tellururi.

Tutti i materiali semiconduttori, come già accennato, possono essere suddivisi per struttura cristallina in due gruppi. Alcuni materiali sono realizzati sotto forma di grandi cristalli singoli (singoli cristalli), dai quali vengono tagliate lastre di varie dimensioni in determinate direzioni cristalline per l'uso in raddrizzatori, amplificatori, fotocellule.

Tali materiali costituiscono il gruppo di semiconduttori a cristallo singolo... I materiali a cristallo singolo più comuni sono il germanio e il silicio. Sono stati sviluppati metodi per la produzione di monocristalli di carburo di silicio, monocristalli di composti intermetallici.

Altri materiali semiconduttori sono una miscela di cristalli molto piccoli saldati insieme in modo casuale. Tali materiali sono chiamati policristallino... I rappresentanti dei materiali semiconduttori policristallini sono il selenio e il carburo di silicio, nonché i materiali realizzati con vari ossidi che utilizzano la tecnologia ceramica.

Considera i materiali semiconduttori ampiamente utilizzati.

Germanio — un elemento del quarto gruppo del sistema periodico di elementi di Mendeleev. Il germanio ha un colore argento brillante. Il punto di fusione del germanio è 937,2 ° C. Si trova spesso in natura, ma in quantità molto ridotte. La presenza di germanio si trova nei minerali di zinco e nelle ceneri di vari carboni. La principale fonte di produzione di germanio è la cenere di carbone e i rifiuti degli impianti metallurgici.

Riso. 1. Germanio

Il lingotto di germanio, ottenuto a seguito di una serie di operazioni chimiche, non è ancora una sostanza adatta alla fabbricazione di dispositivi a semiconduttore da esso. Contiene impurità insolubili, non è ancora un monocristallo e non ha un additivo introdotto al suo interno che determini il tipo richiesto di conduttività elettrica.

È ampiamente utilizzato per pulire il lingotto da impurità insolubili metodo di fusione della zona... Questo metodo può essere utilizzato per rimuovere solo quelle impurità che si dissolvono in modo diverso in un dato semiconduttore solido e nella sua fusione.

Il germanio è molto duro ma estremamente fragile e si frantuma in piccoli pezzi all'impatto. Tuttavia, utilizzando una sega diamantata o altri dispositivi, può essere tagliato a fette sottili. L'industria domestica produce germanio legato con conducibilità elettronica vari gradi con resistività da 0,003 a 45 ohm NS cm e germanio legato con conducibilità elettrica dei fori con resistività da 0,4 a 5,5 ohm NS cm e oltre. La resistenza specifica del germanio puro a temperatura ambiente ρ = 60 ohm NS cm.

Il germanio come materiale semiconduttore è ampiamente utilizzato non solo per diodi e triodi, ma viene utilizzato per realizzare raddrizzatori di potenza per correnti elevate, vari sensori utilizzati per misurare l'intensità del campo magnetico, termometri a resistenza per basse temperature, ecc.

Silicio ampiamente distribuito in natura. Come il germanio, è un elemento del quarto gruppo del sistema di elementi di Mendeleev e ha la stessa struttura cristallina (cubica). Il silicio lucidato assume la lucentezza metallica dell'acciaio.

Il silicio non si trova naturalmente allo stato libero, sebbene sia il secondo elemento più abbondante sulla Terra, formando la base del quarzo e di altri minerali. Il silicio può essere isolato nella sua forma elementare mediante riduzione ad alta temperatura del carbonio SiO2. Allo stesso tempo, la purezza del silicio dopo il trattamento con acido è di ~ 99,8% e per i dispositivi strumentali a semiconduttore in questa forma non viene utilizzata.

Il silicio ad alta purezza si ottiene dai suoi composti volatili precedentemente ben purificati (alogenuri, silani) mediante la loro riduzione ad alta temperatura con zinco o idrogeno o mediante la loro decomposizione termica. Rilasciato durante la reazione, il silicio si deposita sulle pareti della camera di reazione o su uno speciale elemento riscaldante, il più delle volte su un'asta di silicio ad alta purezza.

Riso. 2. Silicio

Come il germanio, il silicio è fragile. Il suo punto di fusione è significativamente superiore a quello del germanio: 1423 ° C. La resistenza del silicio puro a temperatura ambiente ρ = 3 NS 105 ohm-vedi

Poiché il punto di fusione del silicio è molto più alto di quello del germanio, il crogiolo di grafite viene sostituito da un crogiolo di quarzo, perché la grafite ad alte temperature può reagire con il silicio formando carburo di silicio. Inoltre, i contaminanti di grafite possono entrare nel silicio fuso.

L'industria produce silicio semiconduttore drogato a conducibilità elettronica (vari gradi) con resistività da 0,01 a 35 ohm x cm e conducibilità di foro anche di vari gradi con resistività da 0,05 a 35 ohm x cm.

Il silicio, come il germanio, è ampiamente utilizzato nella fabbricazione di molti dispositivi a semiconduttore.Nel raddrizzatore al silicio si ottengono tensioni inverse e temperature di esercizio più elevate (130 — 180 ° C) rispetto ai raddrizzatori al germanio (80 ° C). Il punto e il piano sono realizzati in silicio diodi e triodi, fotocellule e altri dispositivi a semiconduttore.

Nella fig. 3 mostra le dipendenze della resistenza del germanio e del silicio di entrambi i tipi dalla concentrazione di impurità in essi contenute.

Riso. 3. Influenza della concentrazione di impurità sulla resistenza del germanio e del silicio a temperatura ambiente: 1 - silicio, 2 - germanio

Le curve in figura mostrano che le impurità hanno un enorme effetto sulla resistenza: nel germanio, passa dal valore di resistenza interna di 60 ohm x cm a 10-4 ohm x cm, cioè di 5 x 105 volte, e per silicio da 3 x 103 a 10-4 ohm x cm, cioè in 3 x 109 una volta.

Come materiale per la produzione di resistori non lineari, il materiale policristallino è particolarmente utilizzato: il carburo di silicio.

Riso. 4. Carburo di silicio

I limitatori di valvole per linee elettriche sono realizzati in carburo di silicio, dispositivi che proteggono la linea elettrica dalle sovratensioni. In essi, i dischi costituiti da un semiconduttore non lineare (carburo di silicio) trasmettono corrente a terra sotto l'azione delle onde di picco che si verificano nella linea. Di conseguenza, viene ripristinato il normale funzionamento della linea. Alla tensione di esercizio, le linee di resistenza di questi dischi aumentano e la corrente di dispersione dalla linea a terra si arresta.

Il carburo di silicio viene prodotto artificialmente - mediante trattamento termico di una miscela di sabbia di quarzo con carbone ad alta temperatura (2000 ° C).

A seconda degli additivi introdotti si formano due tipi principali di carburo di silicio: verde e nero.Differiscono l'uno dall'altro nel tipo di conduttività elettrica, vale a dire: il carburo di silicio verde genera conduttività elettrica di tipo n e nero - con conduttività di tipo p.

Per limitatori di valvole il carburo di silicio viene utilizzato per produrre dischi con un diametro da 55 a 150 mm e un'altezza da 20 a 60 mm. In un fermo valvola, i dischi in carburo di silicio sono collegati in serie tra loro e con spinterometri. Il sistema costituito da dischi e candele è compresso da una molla elicoidale. Con un bullone, lo scaricatore è collegato a conduttore della linea di alimentazione, e ° C l'altro lato dello scaricatore è collegato da un filo a terra. Tutte le parti del fusibile sono collocate in una custodia di porcellana.

Alla normale tensione della linea di trasmissione, la valvola non fa passare la corrente di linea. A tensioni elevate (picchi) creati dall'elettricità atmosferica o da picchi interni, si creano spinterometri e i dischi delle valvole saranno sotto alta tensione.

La loro resistenza diminuirà bruscamente, il che garantirà una dispersione di corrente dalla linea a terra. L'elevata corrente passata ridurrà la tensione alla normalità e la resistenza nei dischi della valvola aumenterà. La valvola sarà chiusa, ovvero la corrente di esercizio della linea non verrà loro trasmessa.

Il carburo di silicio viene utilizzato anche nei raddrizzatori a semiconduttore che operano a temperature di esercizio elevate (fino a 500 °C).