Halbleitermaterialien – Germanium und Silizium
Halbleiter stellen einen weiten Bereich von Materialien dar, die sich voneinander durch eine Vielzahl elektrischer und physikalischer Eigenschaften sowie durch eine große Vielfalt chemischer Zusammensetzungen unterscheiden, die unterschiedliche Zwecke bei ihrer technischen Verwendung bestimmen.
Aufgrund ihrer chemischen Beschaffenheit können moderne Halbleitermaterialien in die folgenden vier Hauptgruppen eingeteilt werden:
1. Kristalline Halbleitermaterialien, die aus Atomen oder Molekülen eines einzelnen Elements bestehen. Solche Materialien sind derzeit weit verbreitet: Germanium, Silizium, Selen, Bor, Siliziumkarbid usw.
2. Oxidkristalline Halbleitermaterialien, d. h. Metalloxidmaterialien. Die wichtigsten sind: Kupferoxid, Zinkoxid, Cadmiumoxid, Titandioxid, Nickeloxid usw. Zu dieser Gruppe gehören auch Materialien auf Basis von Bariumtitanat, Strontium, Zink und anderen anorganischen Verbindungen mit verschiedenen kleinen Zusätzen.
3. Kristalline Halbleitermaterialien auf Basis von Atomverbindungen der dritten und fünften Gruppe des Mendelejew-Elementsystems. Beispiele für solche Materialien sind Indium-, Gallium- und Aluminiumantimonide, d. h.Verbindungen von Antimon mit Indium, Gallium und Aluminium. Diese wurden als intermetallische Verbindungen bezeichnet.
4. Kristalline Halbleitermaterialien auf Basis von Verbindungen aus Schwefel, Selen und Tellur einerseits und Kupfer, Cadmium und Schweine-Ca andererseits. Solche Verbindungen werden jeweils genannt: Sulfide, Selenide und Telluride.
Alle Halbleitermaterialien lassen sich, wie bereits erwähnt, nach der Kristallstruktur in zwei Gruppen einteilen. Einige Materialien werden in Form großer Einkristalle (Einzelkristalle) hergestellt, aus denen Platten unterschiedlicher Größe in bestimmte Kristallrichtungen geschnitten werden, um sie in Gleichrichtern, Verstärkern und Fotozellen zu verwenden.
Solche Materialien bilden die Gruppe der Einkristallhalbleiter... Die häufigsten Einkristallmaterialien sind Germanium und Silizium. Es wurden Methoden zur Herstellung von Einkristallen aus Siliziumkarbid, Einkristallen intermetallischer Verbindungen, entwickelt.
Andere Halbleitermaterialien sind eine Mischung aus sehr kleinen, zufällig zusammengelöteten Kristallen. Solche Materialien heißen polykristallin... Vertreter polykristalliner Halbleitermaterialien sind Selen und Siliziumkarbid sowie Materialien aus verschiedenen Oxiden mittels Keramiktechnologie.
Betrachten Sie weit verbreitete Halbleitermaterialien.
Germanium – ein Element der vierten Gruppe von Mendelejews Periodensystem der Elemente. Germanium hat eine leuchtend silberne Farbe. Der Schmelzpunkt von Germanium liegt bei 937,2 °C. Es kommt häufig in der Natur vor, jedoch in sehr geringen Mengen. Germanium kommt in Zinkerzen und in der Asche verschiedener Kohlen vor. Die Hauptquelle der Germaniumproduktion sind Kohlenasche und Abfälle aus Hüttenwerken.
Reis. 1. Germanium
Germaniumbarren, die durch eine Reihe chemischer Vorgänge gewonnen werden, sind noch kein Stoff, der für die Herstellung von Halbleiterbauelementen daraus geeignet ist. Es enthält unlösliche Verunreinigungen, ist noch kein Einkristall und enthält keinen Zusatzstoff, der die erforderliche Art der elektrischen Leitfähigkeit bestimmt.
Es wird häufig verwendet, um den Barren von unlöslichen Verunreinigungen zu reinigen Zonenschmelzverfahren... Mit dieser Methode können nur solche Verunreinigungen entfernt werden, die sich in einem bestimmten festen Halbleiter und in seiner Schmelze unterschiedlich lösen.
Germanium ist sehr hart, aber extrem spröde und zerspringt beim Aufprall in kleine Stücke. Mit einer Diamantsäge oder anderen Geräten kann es jedoch in dünne Scheiben geschnitten werden. Die heimische Industrie produziert legiertes Germanium mit elektronische Leitfähigkeit Verschiedene Qualitäten mit einem spezifischen Widerstand von 0,003 bis 45 Ohm NS cm und Germaniumlegierungen mit elektrischer Leitfähigkeit von Löchern mit einem spezifischen Widerstand von 0,4 bis 5,5 Ohm NS cm und mehr. Der spezifische Widerstand von reinem Germanium beträgt bei Raumtemperatur ρ = 60 Ohm NS cm.
Germanium wird als Halbleitermaterial nicht nur häufig für Dioden und Trioden verwendet, sondern auch zur Herstellung von Leistungsgleichrichtern für hohe Ströme, verschiedenen Sensoren zur Messung der Magnetfeldstärke, Widerstandsthermometern für niedrige Temperaturen usw.
Silizium ist in der Natur weit verbreitet. Es ist wie Germanium ein Element der vierten Gruppe des Mendelejew-Elementsystems und hat die gleiche Kristallstruktur (kubische Struktur). Poliertes Silizium erhält den metallischen Glanz von Stahl.
Silizium kommt in freier Form in der Natur nicht vor, obwohl es das zweithäufigste Element auf der Erde ist und die Grundlage für Quarz und andere Mineralien bildet. Silizium kann in seiner elementaren Form durch Hochtemperaturreduktion von SiO2-Kohlenstoff isoliert werden. Gleichzeitig beträgt die Reinheit von Silizium nach der Säurebehandlung ~ 99,8 % und wird in dieser Form nicht für Halbleiterinstrumente verwendet.
Hochreines Silizium wird aus seinen zuvor gut gereinigten flüchtigen Verbindungen (Halogeniden, Silanen) entweder durch deren Hochtemperaturreduktion mit Zink oder Wasserstoff oder durch deren thermische Zersetzung gewonnen. Das bei der Reaktion freigesetzte Silizium lagert sich an den Wänden der Reaktionskammer oder an einem speziellen Heizelement ab – meist an einem Stab aus hochreinem Silizium.
Reis. 2. Silizium
Silizium ist wie Germanium spröde. Sein Schmelzpunkt ist deutlich höher als der von Germanium: 1423 °C. Der Widerstand von reinem Silizium bei Raumtemperatur ρ = 3 NS 105 Ohm-siehe
Da der Schmelzpunkt von Silizium viel höher ist als der von Germanium, wird der Graphittiegel durch einen Quarztiegel ersetzt, da Graphit bei hohen Temperaturen mit Silizium zu Siliziumkarbid reagieren kann. Darüber hinaus können Graphitverunreinigungen in geschmolzenes Silizium gelangen.
Die Industrie produziert mit Halbleitern dotiertes Silizium mit elektronischer Leitfähigkeit (verschiedene Qualitäten) mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 bis 35 Ohm x cm und Lochleitfähigkeit ebenfalls in verschiedenen Qualitäten mit einem spezifischen Widerstand von 0,05 bis 35 Ohm x cm.
Silizium wird wie Germanium häufig bei der Herstellung vieler Halbleiterbauelemente verwendet.Im Silizium-Gleichrichter werden höhere Sperrspannungen und Betriebstemperaturen (130 – 180 °C) erreicht als im Germanium-Gleichrichter (80 °C). Spitze und Ebene bestehen aus Silizium Dioden und Trioden, Fotozellen und andere Halbleiterbauelemente.
In Abb. In Abb. 3 zeigt die Abhängigkeiten des Widerstands von Germanium und Silizium beider Typen von der Konzentration der darin enthaltenen Verunreinigungen.
Reis. 3. Einfluss der Konzentration von Verunreinigungen auf den Widerstand von Germanium und Silizium bei Raumtemperatur: 1 – Silizium, 2 – Germanium
Die Kurven in der Abbildung zeigen, dass Verunreinigungen einen großen Einfluss auf den Widerstand haben: Bei Germanium ändert er sich vom Innenwiderstandswert 60 Ohm x cm auf 10-4 Ohm x cm, also um das 5 x 105-fache, und für Silizium um 3 x 103 auf 10-4 Ohm x cm, also einmal in 3 x 109.
Als Material zur Herstellung nichtlinearer Widerstände wird besonders häufig das polykristalline Material Siliziumkarbid verwendet.
Reis. 4. Siliziumkarbid
Ventilbegrenzer für Stromleitungen bestehen aus Siliziumkarbid – Vorrichtungen, die die Stromleitung vor Überspannung schützen. In ihnen leiten Scheiben aus einem nichtlinearen Halbleiter (Siliziumkarbid) unter der Wirkung von in der Leitung auftretenden Stoßwellen den Strom zur Erde. Dadurch wird der normale Betrieb der Leitung wiederhergestellt. Bei Betriebsspannung erhöhen sich die Widerstandslinien dieser Scheiben und der Leckstrom von der Leitung zur Erde hört auf.
Siliziumkarbid wird künstlich hergestellt – durch Wärmebehandlung einer Mischung aus Quarzsand und Kohle bei hoher Temperatur (2000 °C).
Abhängig von den eingebrachten Zusatzstoffen entstehen zwei Haupttypen von Siliziumkarbid: grünes und schwarzes.Sie unterscheiden sich voneinander in der Art der elektrischen Leitfähigkeit, nämlich: grünes Siliziumkarbid weist eine elektrische Leitfähigkeit vom n-Typ auf und schwarzes Siliziumkarbid weist eine elektrische Leitfähigkeit vom p-Typ auf.
Für Ventildrosseln Aus Siliziumkarbid werden Scheiben mit einem Durchmesser von 55 bis 150 mm und einer Höhe von 20 bis 60 mm hergestellt. Bei einem Ventilstopp sind Siliziumkarbidscheiben untereinander und mit Funkenstrecken in Reihe geschaltet. Das System aus Scheiben und Zündkerzen wird durch eine Schraubenfeder zusammengedrückt. Mit einem Bolzen wird der Ableiter verbunden Stromleitungsleiter, und ° C Die andere Seite des Ableiters ist über einen Draht mit der Erde verbunden. Alle Teile der Sicherung sind in einem Porzellangehäuse untergebracht.
Bei normaler Übertragungsleitungsspannung lässt das Ventil keinen Leitungsstrom durch. Bei erhöhten Spannungen (Überspannungen), die durch atmosphärische Elektrizität oder interne Überspannungen entstehen, entstehen Funkenstrecken und die Ventilscheiben stehen unter Hochspannung.
Ihr Widerstand sinkt stark, wodurch ein Leckstrom von der Leitung zur Erde gewährleistet wird. Durch den hohen Strom wird die Spannung auf den Normalwert gesenkt und der Widerstand in den Ventilscheiben erhöht. Das Ventil wird geschlossen, d. h. der Betriebsstrom der Leitung wird nicht auf sie übertragen.
Siliziumkarbid wird auch in Halbleitergleichrichtern verwendet, die bei hohen Betriebstemperaturen (bis zu 500 °C) arbeiten.