Yarı iletken malzemeler — germanyum ve silikon

Yarı iletkenler, çok çeşitli elektriksel ve fiziksel özelliklerin yanı sıra teknik kullanımlarında farklı amaçları belirleyen çok çeşitli kimyasal bileşimlerle birbirinden farklı geniş bir malzeme alanını temsil eder.

Kimyasal yapıları gereği, modern yarı iletken malzemeler aşağıdaki dört ana grupta sınıflandırılabilir:

1. Tek bir elementin atomlarından veya moleküllerinden oluşan kristalin yarı iletken malzemeler. Bu tür malzemeler şu anda yaygın olarak kullanılan germanyum, silikon, selenyum, boron, silisyum karbür vb.

2. Oksit kristalli yarı iletken malzemeler, örn. metal oksit malzemeler. Başlıcaları şunlardır: bakır oksit, çinko oksit, kadmiyum oksit, titanyum dioksit, nikel oksit vb. Bu grup ayrıca çeşitli küçük katkı maddeleri içeren baryum titanat, stronsiyum, çinko ve diğer inorganik bileşiklere dayalı malzemeleri içerir.

3. Mendeleev'in elementler sisteminin üçüncü ve beşinci gruplarından atomların bileşiklerine dayanan kristalin yarı iletken malzemeler. Bu tür malzemelerin örnekleri, indiyum, galyum ve alüminyum antimonitlerdir, yani;indiyum, galyum ve alüminyum ile antimon bileşikleri. Bunlara intermetalik bileşikler denirdi.

4. Bir yanda kükürt, selenyum ve tellür bileşikleri ve diğer yanda bakır, kadmiyum ve domuz Ca bazlı kristal yarı iletken malzemeler. Bu tür bileşikler sırasıyla şu şekilde adlandırılır: sülfürler, selenitler ve tellüritler.

Tüm yarı iletken malzemeler, daha önce bahsedildiği gibi, kristal yapılarına göre iki gruba ayrılabilir. Bazı malzemeler, redresörlerde, amplifikatörlerde, fotosellerde kullanılmak üzere çeşitli boyutlardaki plakaların belirli kristal yönlerinde kesildiği büyük tek kristaller (tek kristaller) şeklinde yapılır.

Bu tür malzemeler, tek kristal yarı iletkenler grubunu oluşturur... En yaygın tek kristal malzemeler, germanyum ve silikondur. RYöntemler, silisyum karbürün tek kristallerinin, metaller arası bileşiklerin tek kristallerinin üretimi için geliştirilmiştir.

Diğer yarı iletken malzemeler, rastgele birbirine lehimlenmiş çok küçük kristallerin bir karışımıdır. Bu tür malzemelere polikristal denir... Çok kristalli yarı iletken malzemelerin temsilcileri, selenyum ve silisyum karbür ile seramik teknolojisi kullanılarak çeşitli oksitlerden yapılan malzemelerdir.

Yaygın olarak kullanılan yarı iletken malzemeleri düşünün.

Germanyum - Mendeleev'in periyodik elementler sisteminin dördüncü grubunun bir elementi. Germanyum parlak gümüş rengine sahiptir. Germanyumun erime noktası 937,2 °C'dir. Doğada sıklıkla bulunur, ancak çok küçük miktarlarda bulunur. Germanyum varlığı çinko cevherlerinde ve çeşitli kömürlerin küllerinde bulunur. Germanyum üretiminin ana kaynağı kömür külü ve metalurji tesislerinden çıkan atıklardır.

Pirinç. 1. Germanyum

Bir dizi kimyasal işlem sonucunda elde edilen germanyum külçe, henüz ondan yarı iletken cihazların üretimi için uygun bir madde değildir. Çözünmeyen safsızlıklar içerir, henüz tek bir kristal değildir ve içine gerekli elektriksel iletkenlik tipini belirleyen bir katkı maddesi eklenmemiştir.

Külçeyi çözünmeyen safsızlıklardan temizlemek için yaygın olarak kullanılır bölge eritme yöntemi... Bu yöntem, yalnızca belirli bir katı yarı iletkende ve eriyiğinde farklı şekilde çözünen safsızlıkları gidermek için kullanılabilir.

Germanyum çok serttir ancak son derece kırılgandır ve çarpma anında küçük parçalara ayrılır. Ancak elmas testere veya başka cihazlar kullanılarak ince dilimler halinde kesilebilir. Yerli sanayi, alaşımlı germanyum üretir. elektronik iletkenlik 0,003 ila 45 ohm NS cm özdirençli çeşitli sınıflar ve 0,4 ila 5,5 ohm NS cm ve üzeri özdirençli deliklerin elektriksel iletkenliği ile alaşımlı germanyum. Oda sıcaklığında saf germanyumun özgül direnci ρ = ​​60 ohm NS cm.

Germanyum yarı iletken bir malzeme olarak yalnızca diyotlar ve triyotlar için yaygın olarak kullanılmaz, aynı zamanda yüksek akımlar için güç redresörleri, manyetik alan kuvvetini ölçmek için kullanılan çeşitli sensörler, düşük sıcaklıklar için dirençli termometreler vb. yapmak için kullanılır.

Silikon doğada yaygın olarak dağılmıştır. Germanyum gibi, Mendeleev element sisteminin dördüncü grubunun bir elementidir ve aynı kristal (kübik) yapıya sahiptir. Parlatılmış silikon, çeliğin metalik parlaklığını alır.

Silisyum, kuvars ve diğer minerallerin temelini oluşturan, Dünya'da en çok bulunan ikinci element olmasına rağmen, doğal olarak serbest halde bulunmaz. Silisyum, SiO2 karbonun yüksek sıcaklıkta indirgenmesiyle element formunda izole edilebilir. Aynı zamanda, asit işleminden sonra silisyumun saflığı ~% 99,8'dir ve bu formdaki yarı iletken enstrümantal cihazlar için kullanılmaz.

Yüksek saflıkta silikon, önceden iyi saflaştırılmış uçucu bileşiklerinden (halojenürler, silanlar) çinko veya hidrojen ile yüksek sıcaklıkta indirgenmeleri veya termal ayrışmaları yoluyla elde edilir. Reaksiyon sırasında salınan silikon, reaksiyon odasının duvarlarında veya özel bir ısıtma elemanında - çoğunlukla yüksek saflıkta silikondan yapılmış bir çubukta - biriktirilir.

Pirinç. 2. Silikon

Germanyum gibi silikon da kırılgandır. Erime noktası, germanyumunkinden önemli ölçüde daha yüksektir: 1423 ° C. Oda sıcaklığında saf silikonun direnci ρ = ​​3 NS 105 ohm-bkz.

Silisyumun erime noktası germanyumunkinden çok daha yüksek olduğundan, grafit pota kuvars pota ile değiştirilir, çünkü grafit yüksek sıcaklıklarda silikon ile reaksiyona girerek silisyum karbür oluşturabilir. Ek olarak, grafit kirleticiler erimiş silikona girebilir.

Endüstri, 0,01 ila 35 ohm x cm özdirençli elektronik iletkenliğe (çeşitli derecelerde) ve ayrıca 0,05 ila 35 ohm x cm özdirençli çeşitli derecelerde delik iletkenliğine sahip yarı iletken katkılı silikon üretir.

Germanyum gibi silikon da birçok yarı iletken cihazın üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır.Silikon doğrultucuda, germanyum doğrultuculara (80 °C) göre daha yüksek ters gerilimler ve çalışma sıcaklıkları (130 - 180 °C) elde edilir. Nokta ve düzlem silikondan yapılmıştır diyotlar ve triyotlar, fotoseller ve diğer yarı iletken cihazlar.

İncirde. Şekil 3, her iki türün germanyum ve silikon direncinin, içlerindeki safsızlıkların konsantrasyonuna olan bağımlılıklarını göstermektedir.

Pirinç. 3. Safsızlık konsantrasyonunun oda sıcaklığında germanyum ve silikon direnci üzerindeki etkisi: 1 — silikon, 2 — germanyum

Şekildeki eğriler, safsızlıkların direnç üzerinde çok büyük bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir: germanyumda, iç direnç değeri olan 60 ohm x cm'den 10-4 ohm x cm'ye, yani 5 x 105 kat değişir ve silikon 3 x 103 ila 10-4 ohm x cm, yani 3 x 109'da bir kez.

Doğrusal olmayan dirençlerin üretimi için bir malzeme olarak, çok kristalli malzeme özellikle yaygın olarak kullanılmaktadır - silisyum karbür.

Pirinç. 4. Silisyum karbür

Güç hatları için valf sınırlayıcılar, güç hattını aşırı gerilimden koruyan cihazlar olan silisyum karbürden yapılmıştır. Bunlarda, doğrusal olmayan bir yarı iletkenden (silikon karbür) yapılmış diskler, hatta meydana gelen dalgalanma dalgalarının etkisi altında akımı toprağa iletir. Sonuç olarak, hattın normal çalışması geri yüklenir. Çalışma geriliminde bu disklerin direnç hatları artar ve hattan toprağa olan kaçak akım durur.

Silisyum karbür, kuvars kumu ile kömür karışımının yüksek sıcaklıkta (2000 ° C) ısıl işlemiyle yapay olarak üretilir.

Katılan katkı maddelerine bağlı olarak, iki ana silisyum karbür türü oluşur: yeşil ve siyah.Elektriksel iletkenlik türünde birbirlerinden farklıdırlar, yani: yeşil silisyum karbür n-tipi elektriksel iletkenliği ve siyah - p-tipi iletkenliği atar.

İçin valf kısıtlayıcılar silisyum karbür, 55 ila 150 mm çapında ve 20 ila 60 mm yüksekliğinde diskler üretmek için kullanılır. Bir valf stopunda silisyum karbür diskler birbirlerine seri olarak ve kıvılcım boşluklarıyla bağlanır. Diskler ve bujilerden oluşan sistem helezon yay ile sıkıştırılır. Bir cıvata ile, parafudr bağlanır güç hattı iletkeni, ve ° C parafudrun diğer tarafı toprağa bir tel ile bağlanmıştır. Sigortanın tüm parçaları porselen bir kasaya yerleştirilmiştir.

Normal iletim hattı geriliminde vana hat akımını geçmez. Atmosfer elektriği veya dahili dalgalanmalar tarafından oluşturulan yüksek voltajlarda (dalgalanmalarda), kıvılcım boşlukları oluşur ve valf diskleri yüksek voltaj altında olacaktır.

Dirençleri keskin bir şekilde düşecek ve bu da hattan toprağa akım sızmasını sağlayacaktır. Geçirilen yüksek akım voltajı normale indirecek ve valf disklerindeki direnç artacaktır. Vana kapatılacak, yani hattın çalışma akımı onlara iletilmeyecektir.

Silisyum karbür, yüksek çalışma sıcaklıklarında (500 °C'ye kadar) çalışan yarı iletken doğrultucularda da kullanılır.