Puolijohdemateriaalit - germanium ja pii
Puolijohteet edustavat laajaa aluetta materiaaleja, jotka eroavat toisistaan laajalla sähköisillä ja fysikaalisilla ominaisuuksilla sekä monenlaisilla kemiallisilla koostumuksilla, mikä määrää niiden teknisen käytön erilaiset käyttötarkoitukset.
Kemiallisen luonteen mukaan nykyaikaiset puolijohdemateriaalit voidaan luokitella seuraaviin neljään pääryhmään:
1. Kiteiset puolijohdemateriaalit, jotka koostuvat yhden alkuaineen atomeista tai molekyyleistä. Tällaisia materiaaleja käytetään tällä hetkellä laajalti germanium, pii, seleeni, boori, piikarbidi jne.
2. Oksidikiteiset puolijohdemateriaalit, ts. metallioksidimateriaalit. Tärkeimmät ovat: kuparioksidi, sinkkioksidi, kadmiumoksidi, titaanidioksidi, nikkelioksidi jne. Tähän ryhmään kuuluvat myös materiaalit, jotka perustuvat bariumtitanaattiin, strontiumiin, sinkiin ja muihin epäorgaanisiin yhdisteisiin, joissa on erilaisia pieniä lisäaineita.
3. Mendelejevin alkuainejärjestelmän kolmannen ja viidennen ryhmän atomiyhdisteisiin perustuvat kiteiset puolijohdemateriaalit. Esimerkkejä tällaisista materiaaleista ovat indium-, gallium- ja alumiiniantimonidit, so.antimoniyhdisteet indiumin, galliumin ja alumiinin kanssa. Näitä kutsuttiin intermetallisiksi yhdisteiksi.
4. Kiteiset puolijohdemateriaalit, jotka perustuvat toisaalta rikki-, seleeni- ja telluuriyhdisteisiin ja toisaalta kupari-, kadmium- ja sika-Ca-yhdisteisiin. Tällaisia yhdisteitä kutsutaan vastaavasti: sulfideiksi, selenideiksi ja tellurideiksi.
Kaikki puolijohdemateriaalit, kuten jo mainittiin, voidaan jakaa kiderakenteen perusteella kahteen ryhmään. Jotkut materiaalit valmistetaan suurten yksittäiskiteiden (yksittäisten kiteiden) muodossa, joista leikataan erikokoisia levyjä tiettyihin kidesuuntiin käytettäväksi tasasuuntaajissa, vahvistimissa, valokennoissa.
Tällaiset materiaalit muodostavat yksikidepuolijohteiden ryhmän... Yleisimmät yksikidemateriaalit ovat germanium ja pii. RMenetelmiä on kehitetty piikarbidin yksittäiskiteiden, metallien välisten yhdisteiden yksittäiskiteiden valmistamiseksi.
Muut puolijohdemateriaalit ovat sekoitus hyvin pieniä kiteitä, jotka on juotettu satunnaisesti yhteen. Tällaisia materiaaleja kutsutaan monikiteisiksi... Monikiteisten puolijohdemateriaalien edustajia ovat seleeni ja piikarbidi sekä erilaisista oksideista keramiikkateknologialla valmistetut materiaalit.
Harkitse yleisesti käytettyjä puolijohdemateriaaleja.
Germanium - Mendelejevin jaksollisen alkuainejärjestelmän neljännen ryhmän elementti. Germaniumin väri on kirkkaan hopea. Germaniumin sulamispiste on 937,2 °C. Sitä esiintyy usein luonnossa, mutta hyvin pieniä määriä. Germaniumia löytyy sinkkimalmeista ja erilaisten hiilen tuhkasta. Germaniumin tuotannon päälähde on kivihiilen tuhka ja metallurgisten laitosten jäte.
Riisi. 1. Germanium
Useiden kemiallisten toimenpiteiden tuloksena saatu germaniumharkko ei ole vielä sopiva aine puolijohdelaitteiden valmistukseen siitä. Se sisältää liukenemattomia epäpuhtauksia, ei ole vielä yksikiteinen, eikä siihen ole lisätty lisäainetta, joka määrittää vaaditun sähkönjohtavuuden tyypin.
Sitä käytetään laajalti harkon puhdistamiseen liukenemattomista epäpuhtauksista vyöhykesulatusmenetelmällä... Tällä menetelmällä voidaan poistaa vain ne epäpuhtaudet, jotka liukenevat eri tavalla tietyssä kiinteässä puolijohteessa ja sen sulassa.
Germanium on erittäin kovaa, mutta äärimmäisen hauras ja hajoaa pieniksi paloiksi iskussa. Timanttisahalla tai muilla laitteilla se voidaan kuitenkin leikata ohuiksi viipaleiksi. Kotimainen teollisuus tuottaa seostettua germaniumia elektroninen johtavuus eri laatuja, joiden ominaisvastus on 0,003 - 45 ohm NS cm ja germanium seostettuna, jonka sähkönjohtavuus on reikiä, joiden ominaisvastus on 0,4 - 5,5 ohm NS cm tai enemmän. Puhtaan germaniumin ominaisvastus huoneenlämpötilassa ρ = 60 ohm NS cm.
Germaniumia puolijohdemateriaalina käytetään laajasti paitsi diodeissa ja triodeissa, sitä käytetään suurten virtojen tasasuuntaajien valmistukseen, erilaisiin magneettikentän voimakkuuden mittaamiseen käytettäviin antureisiin, vastuslämpömittareihin matalissa lämpötiloissa jne.
Pii on laajalti levinnyt luonnossa. Se, kuten germanium, on Mendeleev-elementtijärjestelmän neljännen ryhmän elementti ja sillä on sama kide (kuutio) rakenne. Kiillotettu silikoni saa teräksen metallisen kiillon.
Piitä ei esiinny luonnossa vapaana, vaikka se onkin maan toiseksi yleisin alkuaine, joka muodostaa kvartsin ja muiden mineraalien perustan. Pii voidaan eristää alkuainemuodossaan pelkistämällä SiO2-hiiltä korkeassa lämpötilassa. Samaan aikaan piin puhtaus happokäsittelyn jälkeen on ~ 99,8%, ja tässä muodossa oleville puolijohdelaitteisiin sitä ei käytetä.
Erittäin puhdasta piitä saadaan sen aiemmin hyvin puhdistetuista haihtuvista yhdisteistä (halogenidit, silaanit) joko pelkistämällä niitä korkeassa lämpötilassa sinkillä tai vedyllä tai termisellä hajoamisella. Reaktion aikana vapautuva pii kerrostuu reaktiokammion seinille tai erityiselle lämmityselementille - useimmiten erittäin puhtaasta piistä valmistettuun sauvaan.
Riisi. 2. Pii
Kuten germanium, silikoni on hauras. Sen sulamispiste on huomattavasti korkeampi kuin germaniumilla: 1423 °C. Puhtaan piin vastus huoneenlämpötilassa ρ = 3 NS 105 ohm-katso
Koska piin sulamispiste on paljon korkeampi kuin germaniumin, grafiittiupokas korvataan kvartsiupokkaalla, koska grafiitti voi korkeissa lämpötiloissa reagoida piin kanssa muodostaen piikarbidia. Lisäksi grafiittiepäpuhtaudet voivat päästä sulaan piin.
Teollisuus valmistaa puolijohdeseostettua piitä, jonka sähkönjohtavuus (eri laatuja) on 0,01 - 35 ohm x cm resistiivisellä ja reikäjohtavuudella myös eri laatuja resistiivisellä 0,05 - 35 ohm x cm.
Piitä, kuten germaniumia, käytetään laajasti monien puolijohdelaitteiden valmistuksessa.Piitasuuntaajassa saavutetaan korkeammat käänteisjännitteet ja käyttölämpötilat (130 - 180 °C) kuin germanium-tasasuuntaajissa (80 °C). Kärki ja taso on valmistettu piistä diodit ja triodit, valokennot ja muut puolijohdelaitteet.
Kuvassa Kuva 3 esittää molempien germaniumin ja piin kestävyyden riippuvuuksia niissä olevien epäpuhtauksien pitoisuudesta.
Riisi. 3. Epäpuhtauksien pitoisuuden vaikutus germaniumin ja piin kestävyyteen huoneenlämpötilassa: 1 — pii, 2 — germanium
Kuvan käyrät osoittavat, että epäpuhtauksilla on valtava vaikutus vastukseen: germaniumissa se muuttuu sisäisestä resistanssiarvosta 60 ohm x cm arvoon 10-4 ohm x cm eli 5 x 105 kertaa, ja pii 3 x 103 - 10-4 ohm x cm, eli 3 x 109 kerran.
Materiaalina epälineaaristen vastusten valmistukseen käytetään erityisen laajasti monikiteistä materiaalia - piikarbidia.
Riisi. 4. Piikarbidi
Voimalinjojen venttiilirajoittimet on valmistettu piikarbidista - laitteista, jotka suojaavat voimajohtoa ylijännitteeltä. Niissä epälineaarisesta puolijohteesta (piikarbidista) valmistetut levyt johtavat virran maahan linjassa esiintyvien aaltojen vaikutuksesta. Tämän seurauksena linjan normaali toiminta palautuu. Käyttöjännitteellä näiden levyjen vastuslinjat kasvavat ja vuotovirta johdosta maahan pysähtyy.
Piikarbidia valmistetaan keinotekoisesti - lämpökäsittelyllä kvartsihiekan ja hiilen seosta korkeassa lämpötilassa (2000 °C).
Lisätyistä lisäaineista riippuen muodostuu kaksi päätyyppiä piikarbidia: vihreä ja musta.Ne eroavat toisistaan sähkönjohtavuuden tyypissä, nimittäin: vihreä piikarbidi heittää n-tyypin sähkönjohtavuuden ja musta - p-tyypin johtavuudella.
varten venttiilin rajoittimet piikarbidia käytetään levyjen valmistukseen, joiden halkaisija on 55-150 mm ja korkeus 20-60 mm. Venttiilipysäyttimessä piikarbidilevyt on kytketty sarjaan keskenään ja kipinävälillä. Levyistä ja sytytystulpista koostuva järjestelmä puristetaan kierrejousella. Pultilla kiinnitin liitetään voimalinjan johdin, ja °C:n toinen puoli on kytketty johdolla maahan. Kaikki sulakkeen osat on sijoitettu posliinikoteloon.
Normaalilla siirtojohtojännitteellä venttiili ei kulje verkkovirtaa. Ilmakehän sähkön tai sisäisten jännitteiden aiheuttamissa kohotetuissa jännitteissä (piikeissä) syntyy kipinärakoja ja venttiililevyt ovat korkean jännitteen alaisia.
Niiden vastus laskee jyrkästi, mikä varmistaa virran vuodon johdosta maahan. Suuri läpikulkuvirta laskee jännitteen normaaliksi ja venttiililevyjen vastus kasvaa. Venttiili sulkeutuu, eli linjan käyttövirtaa ei välitetä heille.
Piikarbidia käytetään myös puolijohdetasasuuntaajissa, jotka toimivat korkeissa käyttölämpötiloissa (jopa 500 °C).