Vật liệu bán dẫn — germanium và silicon

Chất bán dẫn đại diện cho một vùng rộng lớn các vật liệu khác nhau với nhiều tính chất điện và vật lý khác nhau, cũng như với nhiều thành phần hóa học khác nhau, xác định các mục đích khác nhau trong sử dụng kỹ thuật của chúng.

Theo bản chất hóa học, có thể phân các vật liệu bán dẫn hiện đại thành 4 nhóm chính sau:

1. Vật liệu bán dẫn kết tinh được tạo thành từ các nguyên tử, phân tử của một nguyên tố. Những vật liệu như vậy hiện đang được sử dụng rộng rãi germanium, silicon, selen, boron, silicon carbide, v.v.

2. Vật liệu bán dẫn tinh thể oxit, tức là vật liệu oxit kim loại. Những chất chính là: oxit đồng, oxit kẽm, oxit cadmium, titan dioxide, oxit niken, v.v. Nhóm này cũng bao gồm các vật liệu dựa trên bari titanat, stronti, kẽm và các hợp chất vô cơ khác với nhiều chất phụ gia nhỏ khác nhau.

3. Vật liệu bán dẫn tinh thể dựa trên các hợp chất của các nguyên tử từ nhóm thứ ba và thứ năm trong hệ thống các nguyên tố của Mendeleev. Ví dụ về các vật liệu như vậy là antimonua indi, gali và nhôm, tức làhợp chất của antimon với indi, gali và nhôm. Chúng được gọi là hợp chất intermetallic.

4. Vật liệu bán dẫn tinh thể dựa trên các hợp chất của lưu huỳnh, selen và telua và mặt khác là đồng, cadmium và lợn Ca. Các hợp chất như vậy được gọi lần lượt là: sunfua, selenua và Tellurua.

Tất cả các vật liệu bán dẫn, như đã đề cập, có thể được chia theo cấu trúc tinh thể thành hai nhóm. Một số vật liệu được chế tạo ở dạng tinh thể đơn lớn (tinh thể đơn), từ đó các tấm có kích thước khác nhau được cắt theo các hướng tinh thể nhất định để sử dụng trong bộ chỉnh lưu, bộ khuếch đại, tế bào quang điện.

Những vật liệu như vậy tạo thành nhóm chất bán dẫn đơn tinh thể... Các vật liệu đơn tinh thể phổ biến nhất là germanium và silicon. Các phương pháp R đã được phát triển để sản xuất các tinh thể silic cacbua đơn, các tinh thể đơn của các hợp chất liên kim loại.

Các vật liệu bán dẫn khác là hỗn hợp của các tinh thể rất nhỏ được hàn ngẫu nhiên với nhau. Những vật liệu như vậy được gọi là đa tinh thể... Đại diện của vật liệu bán dẫn đa tinh thể là selen và cacbua silic, cũng như các vật liệu làm từ các oxit khác nhau sử dụng công nghệ gốm.

Hãy xem xét các vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi.

Germanium — một nguyên tố thuộc nhóm thứ tư trong hệ thống các nguyên tố định kỳ của Mendeleev. Germanium có màu sáng bạc. Điểm nóng chảy của gecmani là 937,2 ° C. Nó thường được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng với số lượng rất nhỏ. Sự hiện diện của gecmani được tìm thấy trong quặng kẽm và tro của các loại than khác nhau. Nguồn chính để sản xuất gecmani là tro than và chất thải từ các nhà máy luyện kim.

Cơm. 1. Gecmani

Phôi Germanium, thu được từ một số hoạt động hóa học, chưa phải là chất phù hợp để sản xuất các thiết bị bán dẫn từ nó. Nó chứa các tạp chất không hòa tan, chưa phải là một tinh thể đơn lẻ và không có chất phụ gia nào được đưa vào để xác định loại độ dẫn điện cần thiết.

Nó được sử dụng rộng rãi để làm sạch phôi khỏi tạp chất không hòa tan bằng phương pháp nóng chảy vùng... Phương pháp này có thể được sử dụng để chỉ loại bỏ những tạp chất hòa tan khác nhau trong một chất bán dẫn rắn nhất định và trong sự tan chảy của nó.

Gecmani rất cứng nhưng cực kỳ giòn và vỡ thành các mảnh nhỏ khi va chạm. Tuy nhiên, sử dụng cưa kim cương hoặc các thiết bị khác, nó có thể được cắt thành lát mỏng. Ngành công nghiệp trong nước sản xuất gecmani hợp kim với độ dẫn điện tử các loại có điện trở suất từ ​​0,003 đến 45 ôm NS cm và hợp kim gecmani có tính dẫn điện dạng lỗ có điện trở suất từ ​​0,4 đến 5,5 ôm NS cm trở lên. Điện trở riêng của gecmani nguyên chất ở nhiệt độ phòng ρ = 60 ôm NS cm.

Germanium làm vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi không chỉ cho điốt và triode, nó còn được sử dụng để chế tạo bộ chỉnh lưu công suất cho dòng điện cao, các cảm biến khác nhau được sử dụng để đo cường độ từ trường, nhiệt kế điện trở cho nhiệt độ thấp, v.v.

Silic phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Nó, giống như germanium, là một nguyên tố thuộc nhóm thứ tư của hệ thống các nguyên tố Mendeleev và có cùng cấu trúc tinh thể (khối lập phương). Silicon đánh bóng có ánh kim loại của thép.

Silic không tồn tại tự nhiên ở trạng thái tự do, mặc dù nó là nguyên tố phổ biến thứ hai trên Trái đất, tạo thành cơ sở của thạch anh và các khoáng chất khác. Silicon có thể được phân lập ở dạng nguyên tố bằng cách khử carbon SiO2 ở nhiệt độ cao. Đồng thời, độ tinh khiết của silicon sau khi xử lý bằng axit là ~ 99,8% và không được sử dụng cho các thiết bị dụng cụ bán dẫn ở dạng này.

Silic có độ tinh khiết cao thu được từ các hợp chất dễ bay hơi đã được tinh chế trước đó của nó (halogenua, silan) bằng cách khử ở nhiệt độ cao bằng kẽm hoặc hydro hoặc bằng cách phân hủy nhiệt của chúng. Được giải phóng trong quá trình phản ứng, silicon được lắng đọng trên các bức tường của buồng phản ứng hoặc trên một bộ phận làm nóng đặc biệt — thường là trên một thanh làm bằng silicon có độ tinh khiết cao.

Cơm. 2. Silic

Giống như gecmani, silic giòn. Điểm nóng chảy của nó cao hơn đáng kể so với điểm nóng chảy của germani: 1423 ° C. Điện trở của silicon nguyên chất ở nhiệt độ phòng ρ = 3 NS 105 ohm-xem

Do điểm nóng chảy của silicon cao hơn nhiều so với germani, nồi nấu bằng than chì được thay thế bằng nồi nấu bằng thạch anh, vì than chì ở nhiệt độ cao có thể phản ứng với silicon để tạo thành cacbua silic. Ngoài ra, các chất gây ô nhiễm than chì có thể xâm nhập vào silicon nóng chảy.

Công nghiệp sản xuất silic pha tạp chất bán dẫn có độ dẫn điện tử (các loại) có điện trở suất từ ​​0,01 đến 35 ôm x cm và độ dẫn lỗ trống cũng có các loại có điện trở suất từ ​​0,05 đến 35 ôm x cm.

Silic, giống như gecmani, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhiều thiết bị bán dẫn.Trong bộ chỉnh lưu silicon, điện áp ngược và nhiệt độ hoạt động cao hơn (130 — 180 ° C) đạt được so với trong bộ chỉnh lưu germanium (80 ° C). Điểm và mặt phẳng được làm bằng silicon điốt và triode, tế bào quang điện và các thiết bị bán dẫn khác.

Trong bộ lễ phục. Hình 3 cho thấy sự phụ thuộc của điện trở của germani và silic của cả hai loại vào nồng độ tạp chất trong chúng.

Cơm. 3. Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất đến điện trở của gecmani và silic ở nhiệt độ phòng: 1 — silic, 2 — gecmani

Các đường cong trong hình cho thấy tạp chất có ảnh hưởng rất lớn đến điện trở: trong germanium, nó thay đổi từ giá trị điện trở trong 60 ohm x cm thành 10-4 ohm x cm, tức là 5 x 105 lần và đối với silicon từ 3 x 103 đến 10-4 ohm x cm, tức là trong 3 x 109 một lần.

Là vật liệu để sản xuất điện trở phi tuyến tính, vật liệu đa tinh thể được sử dụng đặc biệt rộng rãi - cacbua silic.

Cơm. 4. Cacbua silic

Bộ hạn chế van cho đường dây điện được làm bằng silicon carbide - thiết bị bảo vệ đường dây điện khỏi quá áp. Trong đó, các đĩa làm bằng chất bán dẫn phi tuyến tính (cacbua silic) truyền dòng điện xuống đất dưới tác động của sóng xung xảy ra trong đường dây. Do đó, hoạt động bình thường của đường dây được khôi phục. Ở điện áp vận hành, các đường điện trở của các đĩa này tăng lên và dòng rò từ đường dây xuống đất dừng lại.

Cacbua silic được sản xuất nhân tạo - bằng cách xử lý nhiệt hỗn hợp cát thạch anh với than ở nhiệt độ cao (2000 ° C).

Tùy thuộc vào các chất phụ gia được đưa vào, hai loại cacbua silic chính được hình thành: xanh lá cây và đen.Chúng khác nhau ở loại dẫn điện, cụ thể là: cacbua silic màu xanh lục có tính dẫn điện loại n và màu đen có tính dẫn điện loại p.

Vì van hạn chế cacbua silic được sử dụng để sản xuất đĩa có đường kính từ 55 đến 150 mm và chiều cao từ 20 đến 60 mm. Trong một van chặn, các đĩa silicon carbide được kết nối nối tiếp với nhau và với các khe hở đánh lửa. Hệ thống gồm đĩa và bugi được nén bằng lò xo cuộn. Với một bu lông, bộ chống sét được kết nối với dây dẫn điện, và ° C, phía bên kia của bộ chống sét được nối đất bằng một sợi dây. Tất cả các bộ phận của cầu chì được đặt trong hộp sứ.

Ở điện áp đường dây truyền tải bình thường, van không cho dòng điện đi qua. Ở điện áp tăng (đột biến) do điện khí quyển hoặc xung điện bên trong tạo ra, các khe hở tia lửa điện được tạo ra và các đĩa van sẽ ở dưới điện áp cao.

Điện trở của chúng sẽ giảm mạnh, điều này sẽ đảm bảo dòng điện rò rỉ từ đường dây xuống đất. Dòng điện cao đi qua sẽ làm giảm điện áp xuống mức bình thường và điện trở trong các đĩa van sẽ tăng lên. Van sẽ được đóng lại, nghĩa là dòng điện hoạt động của đường dây sẽ không được truyền đến chúng.

Cacbua silic cũng được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu bán dẫn hoạt động ở nhiệt độ hoạt động cao (lên đến 500 °C).