Materiais semicondutores — germânio e silício

Os semicondutores representam uma vasta área de materiais que diferem entre si com uma grande variedade de propriedades elétricas e físicas, bem como com uma grande variedade de composição química, o que determina diferentes finalidades em seu uso técnico.

Por natureza química, os materiais semicondutores modernos podem ser classificados nos seguintes quatro grupos principais:

1. Materiais semicondutores cristalinos constituídos por átomos ou moléculas de um único elemento. Tais materiais são atualmente amplamente utilizados germânio, silício, selênio, boro, carboneto de silício, etc.

2. Materiais semicondutores cristalinos de óxido, ou seja, materiais de óxido metálico. Os principais são: óxido de cobre, óxido de zinco, óxido de cádmio, dióxido de titânio, óxido de níquel, etc. Este grupo também inclui materiais à base de titanato de bário, estrôncio, zinco e outros compostos inorgânicos com vários pequenos aditivos.

3. Materiais semicondutores cristalinos baseados em compostos de átomos do terceiro e quinto grupos do sistema de elementos de Mendeleev. Exemplos de tais materiais são antimonetos de índio, gálio e alumínio, i.e.compostos de antimônio com índio, gálio e alumínio. Estes foram chamados de compostos intermetálicos.

4. Materiais semicondutores cristalinos baseados em compostos de enxofre, selênio e telúrio, por um lado, e cobre, cádmio e Ca-gusa, por outro. Tais compostos são chamados, respectivamente: sulfetos, selenetos e teluretos.

Todos os materiais semicondutores, como já mencionado, podem ser divididos pela estrutura cristalina em dois grupos. Alguns materiais são feitos na forma de grandes cristais únicos (cristais únicos), dos quais placas de vários tamanhos são cortadas em certas direções de cristal para uso em retificadores, amplificadores, fotocélulas.

Esses materiais compõem o grupo de semicondutores de cristal único... Os materiais de cristal único mais comuns são o germânio e o silício. RMethods foram desenvolvidos para a produção de monocristais de carboneto de silício, monocristais de compostos intermetálicos.

Outros materiais semicondutores são uma mistura de cristais muito pequenos soldados aleatoriamente. Esses materiais são chamados policristalinos... Representantes de materiais semicondutores policristalinos são selênio e carboneto de silício, bem como materiais feitos de vários óxidos usando tecnologia cerâmica.

Considere os materiais semicondutores amplamente usados.

Germânio — um elemento do quarto grupo do sistema periódico de elementos de Mendeleev. O germânio tem uma cor prateada brilhante. O ponto de fusão do germânio é de 937,2 ° C. É frequentemente encontrado na natureza, mas em quantidades muito pequenas. A presença de germânio é encontrada em minérios de zinco e nas cinzas de vários carvões. A principal fonte de produção de germânio são as cinzas de carvão e resíduos de plantas metalúrgicas.

Arroz. 1. Germânio

O lingote de germânio, obtido como resultado de várias operações químicas, ainda não é uma substância adequada para a fabricação de dispositivos semicondutores a partir dele. Contém impurezas insolúveis, ainda não é um monocristal e não possui aditivo introduzido que determine o tipo de condutividade elétrica necessária.

É amplamente utilizado para limpar o lingote do método de fusão da zona de impurezas insolúveis... Este método pode ser usado para remover apenas as impurezas que se dissolvem de maneira diferente em um determinado semicondutor sólido e em seu fundido.

O germânio é muito duro, mas extremamente quebradiço e se estilhaça em pequenos pedaços com o impacto. No entanto, usando uma serra de diamante ou outros dispositivos, pode ser cortado em fatias finas. A indústria nacional produz germânio ligado com condutividade eletrônica vários graus com resistividade de 0,003 a 45 ohm NS cm e liga de germânio com condutividade elétrica de furos com resistividade de 0,4 a 5,5 ohm NS cm e acima. A resistência específica do germânio puro à temperatura ambiente ρ = 60 ohm NS cm.

O germânio como material semicondutor é amplamente utilizado não apenas para diodos e triodos, mas também para fabricar retificadores de potência para altas correntes, vários sensores usados ​​​​para medir a intensidade do campo magnético, termômetros de resistência para baixas temperaturas, etc.

Silício amplamente distribuído na natureza. Ele, como o germânio, é um elemento do quarto grupo do sistema de elementos de Mendeleev e possui a mesma estrutura cristalina (cúbica). O silício polido assume o brilho metálico do aço.

O silício não ocorre naturalmente no estado livre, embora seja o segundo elemento mais abundante na Terra, formando a base do quartzo e de outros minerais. O silício pode ser isolado em sua forma elementar pela redução a alta temperatura do carbono SiO2. Ao mesmo tempo, a pureza do silício após o tratamento com ácido é de ~ 99,8% e, para dispositivos instrumentais semicondutores nesta forma, não é usado.

O silício de alta pureza é obtido de seus compostos voláteis previamente bem purificados (halogenetos, silanos), seja por sua redução em alta temperatura com zinco ou hidrogênio, seja por sua decomposição térmica. Liberado durante a reação, o silício é depositado nas paredes da câmara de reação ou em um elemento de aquecimento especial - na maioria das vezes em uma haste feita de silício de alta pureza.

Arroz. 2. Silício

Como o germânio, o silício é quebradiço. Seu ponto de fusão é significativamente maior que o do germânio: 1423 ° C. A resistência do silício puro à temperatura ambiente ρ = 3 NS 105 ohm-consulte

Como o ponto de fusão do silício é muito maior que o do germânio, o cadinho de grafite é substituído por um cadinho de quartzo, porque o grafite em altas temperaturas pode reagir com o silício para formar carboneto de silício. Além disso, os contaminantes de grafite podem entrar no silício fundido.

A indústria produz silício dopado semicondutor com condutividade eletrônica (vários graus) com resistividade de 0,01 a 35 ohm x cm e condutividade de furo também de vários graus com resistividade de 0,05 a 35 ohm x cm.

O silício, como o germânio, é amplamente utilizado na fabricação de muitos dispositivos semicondutores.No retificador de silício, são alcançadas tensões reversas e temperaturas de operação mais altas (130 - 180 ° C) do que nos retificadores de germânio (80 ° C). O ponto e o plano são feitos de silício diodos e triodos, fotocélulas e outros dispositivos semicondutores.

Na fig. 3 mostra as dependências da resistência do germânio e do silício de ambos os tipos na concentração de impurezas neles.

Arroz. 3. Influência da concentração de impurezas na resistência do germânio e do silício à temperatura ambiente: 1 — silício, 2 — germânio

As curvas da figura mostram que as impurezas têm um grande efeito na resistência: no germânio, muda do valor da resistência interna de 60 ohm x cm para 10-4 ohm x cm, ou seja, 5 x 105 vezes, e para silício por 3 x 103 a 10-4 ohm x cm, ou seja, em 3 x 109 uma vez.

Como material para a produção de resistores não lineares, o material policristalino é particularmente amplamente utilizado - carboneto de silício.

Arroz. 4. Carboneto de silício

Os limitadores de válvula para linhas de energia são feitos de carboneto de silício - dispositivos que protegem a linha de energia contra sobretensões. Neles, discos feitos de um semicondutor não linear (carboneto de silício) passam corrente para o solo sob a ação de ondas de surto que ocorrem na linha. Como resultado, a operação normal da linha é restaurada. Na tensão de operação, as linhas de resistência desses discos aumentam e a corrente de fuga da linha para o terra para.

O carbeto de silício é produzido artificialmente - por tratamento térmico de uma mistura de areia de quartzo com carvão a alta temperatura (2.000 ° C).

Dependendo dos aditivos introduzidos, dois tipos principais de carboneto de silício são formados: verde e preto.Eles diferem entre si no tipo de condutividade elétrica, a saber: carboneto de silício verde lança condutividade elétrica do tipo n e preto - com condutividade do tipo p.

Para restritores de válvula carboneto de silício é usado para produzir discos com um diâmetro de 55 a 150 mm e uma altura de 20 a 60 mm. Em um batente de válvula, os discos de carboneto de silício são conectados em série entre si e com centelhadores. O sistema composto por discos e velas de ignição é comprimido por uma mola helicoidal. Com um parafuso, o pára-raios é conectado a condutor de linha de energia, e ° C o outro lado do pára-raios é conectado por um fio ao terra. Todas as partes do fusível são colocadas em uma caixa de porcelana.

Na tensão normal da linha de transmissão, a válvula não passa a corrente da linha. Em tensões aumentadas (surtos) criadas por eletricidade atmosférica ou surtos internos, são criados centelhadores e os discos da válvula estarão sob alta tensão.

Sua resistência cairá drasticamente, o que garantirá o vazamento de corrente da linha para o terra. A alta corrente passada reduzirá a tensão ao normal e a resistência nos discos das válvulas aumentará. A válvula será fechada, ou seja, a corrente de operação da linha não será transmitida a eles.

O carboneto de silício também é usado em retificadores de semicondutores operando em altas temperaturas de operação (até 500 °C).