Pooljuhtmaterjalid — germaanium ja räni
Pooljuhid esindavad suurt hulka materjale, mis erinevad üksteisest mitmesuguste elektriliste ja füüsikaliste omadustega, aga ka väga erineva keemilise koostisega, mis määrab nende tehnilise kasutuse erinevad eesmärgid.
Keemilise olemuse järgi võib tänapäevased pooljuhtmaterjalid liigitada nelja põhirühma:
1. Kristallilised pooljuhtmaterjalid, mis koosnevad ühe elemendi aatomitest või molekulidest. Sellised materjalid on praegu laialdaselt kasutusel germaanium, räni, seleen, boor, ränikarbiid jne.
2. Oksiidkristallilised pooljuhtmaterjalid, s.o. metalloksiidmaterjalid. Peamised neist on: vaskoksiid, tsinkoksiid, kaadmiumoksiid, titaandioksiid, nikkeloksiid jne. Sellesse rühma kuuluvad ka baariumtitanaadil, strontsiumil, tsingil ja muudel anorgaanilistel ühenditel põhinevad materjalid koos erinevate väikeste lisanditega.
3. Kristallilised pooljuhtmaterjalid, mis põhinevad Mendelejevi elementide süsteemi kolmanda ja viienda rühma aatomite ühenditel. Sellisteks materjalideks on näiteks indium-, gallium- ja alumiiniumantimoniidid, s.o.antimoniühendid indiumi, galliumi ja alumiiniumiga. Neid nimetati intermetallilisteks ühenditeks.
4. Kristallilised pooljuhtmaterjalid, mis põhinevad ühelt poolt väävli, seleeni ja telluuri ühenditel ning teiselt poolt vase, kaadmiumi ja sigade Ca ühenditel. Selliseid ühendeid nimetatakse vastavalt sulfiidideks, seleniidideks ja telluriidideks.
Kõik pooljuhtmaterjalid, nagu juba mainitud, võib kristallstruktuuri järgi jagada kahte rühma. Mõned materjalid on valmistatud suurte üksikkristallide (üksikkristallide) kujul, millest lõigatakse teatud kristalli suundades erineva suurusega plaate, mida kasutatakse alaldites, võimendites, fotoelementides.
Sellised materjalid moodustavad monokristallpooljuhtide rühma... Levinumad monokristallmaterjalid on germaanium ja räni. Ränikarbiidi monokristallide, intermetalliliste ühendite monokristallide tootmiseks on välja töötatud RM-meetodid.
Teised pooljuhtmaterjalid on segu väga väikestest kristallidest, mis on juhuslikult kokku joodetud. Selliseid materjale nimetatakse polükristallilisteks... Polükristalliliste pooljuhtmaterjalide esindajad on seleen ja ränikarbiid, samuti keraamilise tehnoloogia abil erinevatest oksiididest valmistatud materjalid.
Kaaluge laialdaselt kasutatavaid pooljuhtmaterjale.
Germaanium — Mendelejevi perioodilise elementide süsteemi neljanda rühma element. Germaaniumil on särav hõbedane värv. Germaaniumi sulamistemperatuur on 937,2 ° C. Looduses leidub seda sageli, kuid väga väikestes kogustes. Germaaniumi leidub tsingimaakides ja erinevate kivisöe tuhas. Peamine germaaniumitootmise allikas on kivisöe tuhk ja metallurgiatehaste jäätmed.
Riis. 1. Germaanium
Mitmete keemiliste operatsioonide tulemusena saadud germaaniumi valuplokk ei ole veel aine, mis sobib sellest pooljuhtseadmete valmistamiseks. See sisaldab lahustumatuid lisandeid, ei ole veel üksikkristall ega sisalda lisandit, mis määrab vajaliku elektrijuhtivuse tüübi.
Seda kasutatakse laialdaselt valuploki puhastamiseks lahustumatutest lisanditest tsoonisulatusmeetodil... Seda meetodit saab kasutada ainult nende lisandite eemaldamiseks, mis lahustuvad antud tahkes pooljuhis ja selle sulatis erinevalt.
Germaanium on väga kõva, kuid äärmiselt rabe ja puruneb kokkupõrkel väikesteks tükkideks. Teemantsaagi või muid seadmeid kasutades saab selle aga õhukesteks viiludeks lõigata. Kodutööstus toodab legeeritud germaaniumi koos elektrooniline juhtivus erinevat sorti eritakistustega 0,003 kuni 45 oomi NS cm ja germaaniumi sulamiga, mille aukude elektrijuhtivus on 0,4 kuni 5,5 oomi NS cm ja rohkem. Puhta germaaniumi eritakistus toatemperatuuril ρ = 60 oomi NS cm.
Germaaniumi kui pooljuhtmaterjali kasutatakse laialdaselt mitte ainult dioodide ja trioodide jaoks, sellest valmistatakse võimsusalaldeid suurte voolude jaoks, erinevaid magnetvälja tugevuse mõõtmiseks kasutatavaid andureid, takistustermomeetreid madalatel temperatuuridel jne.
Looduses laialt levinud räni. See, nagu germaanium, on Mendelejevi elementide süsteemi neljanda rühma element ja sellel on sama kristall (kuup) struktuur. Poleeritud räni omandab terase metallilise läike.
Räni ei esine looduslikult vabas olekus, ehkki see on Maal suuruselt teine element, mis on kvartsi ja teiste mineraalide aluseks. Räni saab eraldada selle elementaarsel kujul SiO2 süsiniku redutseerimisel kõrgel temperatuuril. Samal ajal on räni puhtus pärast happetöötlust ~ 99,8% ja sellisel kujul pooljuhtinstrumentaalseadmete puhul seda ei kasutata.
Kõrge puhtusastmega räni saadakse selle varem hästi puhastatud lenduvatest ühenditest (halogeniidid, silaanid) kas nende kõrgel temperatuuril redutseerimisel tsingi või vesinikuga või termilise lagunemise teel. Reaktsiooni käigus eralduv räni sadestub reaktsioonikambri seintele või spetsiaalsele kütteelemendile — kõige sagedamini kõrge puhtusastmega ränist valmistatud vardale.
Riis. 2. Räni
Nagu germaanium, on ka räni rabe. Selle sulamistemperatuur on oluliselt kõrgem kui germaaniumil: 1423 ° C. Puhta räni takistus toatemperatuuril ρ = 3 NS 105 oomi-vt.
Kuna räni sulamistemperatuur on palju kõrgem kui germaaniumil, asendatakse grafiittiigel kvartstiigliga, sest grafiit võib kõrgel temperatuuril reageerida räniga, moodustades ränikarbiidi. Lisaks võivad grafiidi saasteained sattuda sula räni.
Tööstus toodab pooljuhtidega legeeritud räni, mille elektrooniline juhtivus (erinevad klassid) eritakistusega 0,01 kuni 35 oomi x cm ja aukjuhtivusega ka erinevat tüüpi takistusega 0,05 kuni 35 oomi x cm.
Räni, nagu germaaniumi, kasutatakse laialdaselt paljude pooljuhtseadmete valmistamisel.Ränialaldis saavutatakse kõrgemad vastupidised pinged ja töötemperatuurid (130–180 °C) kui germaaniumalaldis (80 °C). Ots ja tasapind on valmistatud ränist dioodid ja trioodid, fotoelemendid ja muud pooljuhtseadmed.
Joonisel fig. 3 näitab mõlemat tüüpi germaaniumi ja räni vastupidavuse sõltuvusi neis sisalduvate lisandite kontsentratsioonist.
Riis. 3. Lisandite kontsentratsiooni mõju germaaniumi ja räni vastupidavusele toatemperatuuril: 1 — räni, 2 — germaanium
Joonisel olevad kõverad näitavad, et lisanditel on takistusele tohutu mõju: germaaniumi puhul muutub see sisetakistuse väärtuselt 60 oomi x cm väärtusele 10-4 oomi x cm, st 5 x 105 korda. räni 3 x 103 kuni 10-4 oomi x cm, st 3 x 109 üks kord.
Materjalina mittelineaarsete takistite tootmiseks kasutatakse eriti laialdaselt polükristallilist materjali - ränikarbiidi.
Riis. 4. Ränikarbiid
Elektriliinide ventiilipiirikud on valmistatud ränikarbiidist - seadmetest, mis kaitsevad elektriliini ülepinge eest. Nendes juhivad mittelineaarsest pooljuhist (ränikarbiidist) valmistatud kettad liinis esinevate liiglainete toimel voolu maapinnale. Selle tulemusena taastub liini normaalne töö. Tööpinge korral nende ketaste takistusjooned suurenevad ja lekkevool liinist maandusse peatub.
Ränikarbiidi toodetakse kunstlikult - kvartsliiva ja kivisöe segu kuumtöötlemisel kõrgel temperatuuril (2000 ° C).
Sõltuvalt kasutatavatest lisanditest moodustub kaks peamist ränikarbiidi tüüpi: roheline ja must.Need erinevad üksteisest elektrijuhtivuse tüübi poolest, nimelt: roheline ränikarbiid annab n-tüüpi elektrijuhtivuse ja must - p-tüüpi juhtivusega.
Sest ventiili piirajad ränikarbiidi kasutatakse 55–150 mm läbimõõduga ja 20–60 mm kõrguste ketaste tootmiseks. Klapipeas on ränikarbiidist kettad ühendatud üksteisega järjestikku ja sädevahedega. Ketastest ja süüteküünaldest koosnev süsteem surutakse kokku keerdvedru abil. Poldiga ühendatakse piirik elektriliini juht, ja ° C piirku teine pool on ühendatud juhtmega maandusega. Kõik kaitsme osad on paigutatud portselankarpi.
Tavalise ülekandeliini pinge korral ei läbi klapp liinivoolu. Atmosfääri elektrist või sisemistest liigpingetest põhjustatud suurenenud pingete (liigpingete) korral tekivad sädemevahed ja klapikettad on kõrgepinge all.
Nende takistus langeb järsult, mis tagab voolu lekke liinilt maapinnale. Kõrge läbitud vool vähendab pinget normaalseks ja ventiilide ketaste takistus suureneb. Klapp suletakse, see tähendab, et liini töövoolu neile ei edastata.
Ränikarbiidi kasutatakse ka kõrgel töötemperatuuril (kuni 500 °C) töötavates pooljuhtalaldis.