חומרים מוליכים למחצה - גרמניום וסיליקון

מוליכים למחצה מייצגים תחום עצום של חומרים הנבדלים זה מזה עם מגוון רחב של תכונות חשמליות ופיזיקליות, כמו גם עם מגוון רחב של הרכב כימי, הקובע מטרות שונות בשימוש הטכני שלהם.

על פי הטבע הכימי, חומרים מוליכים למחצה מודרניים יכולים להיות מסווגים לארבע הקבוצות העיקריות הבאות:

1. חומרים מוליכים למחצה גבישיים המורכבים מאטומים או מולקולות של יסוד בודד. חומרים כאלה נמצאים כיום בשימוש נרחב בגרמניום, סיליקון, סלניום, בורון, סיליקון קרביד וכו'.

2. חומרים מוליכים למחצה גבישיים תחמוצתיים, כלומר. חומרי תחמוצת מתכת. העיקריים שבהם הם: תחמוצת נחושת, תחמוצת אבץ, תחמוצת קדמיום, דו תחמוצת טיטניום, תחמוצת ניקל וכו'. קבוצה זו כוללת גם חומרים המבוססים על בריום טיטנאט, סטרונציום, אבץ ותרכובות אנאורגניות אחרות עם תוספים קטנים שונים.

3. חומרים מוליכים למחצה גבישיים המבוססים על תרכובות של אטומים מהקבוצה השלישית והחמישית של מערכת היסודות של מנדלייב. דוגמאות לחומרים כאלה הם אנטימונידים אינדיום, גליום ואלומיניום, כלומר.תרכובות של אנטימון עם אינדיום, גליום ואלומיניום. אלה נקראו תרכובות בין-מתכתיות.

4. חומרים מוליכים למחצה גבישיים המבוססים על תרכובות של גופרית, סלניום וטלוריום מחד ונחושת, קדמיום ו-Ca חזיר מאידך. תרכובות כאלה נקראות, בהתאמה: סולפידים, סלנידים וטלורידים.

את כל החומרים המוליכים למחצה, כפי שכבר הוזכר, ניתן לחלק לפי מבנה הגביש לשתי קבוצות. חלק מהחומרים עשויים בצורת גבישים בודדים גדולים (גבישים בודדים), מהם חותכים לוחות בגדלים שונים בכיווני גביש מסוימים לשימוש במיישרים, מגברים, תאים פוטו.

חומרים כאלה מרכיבים את קבוצת המוליכים למחצה גבישיים בודדים... החומרים החד-גבישיים הנפוצים ביותר הם גרמניום וסיליקון. שיטות RM פותחו לייצור גבישים בודדים של סיליקון קרביד, גבישים בודדים של תרכובות בין-מתכתיות.

חומרים מוליכים למחצה אחרים הם תערובת של גבישים קטנים מאוד המולחמים זה בזה באופן אקראי. חומרים כאלה נקראים polycrystalline... נציגים של חומרים מוליכים למחצה רב גבישיים הם סלניום וסיליקון קרביד, וכן חומרים העשויים מתחמוצות שונות בטכנולוגיה קרמית.

שקול חומרים מוליכים למחצה בשימוש נרחב.

גרמניום - יסוד מהקבוצה הרביעית של מערכת היסודות המחזורית של מנדלייב. לגרמניום צבע כסף עז. נקודת ההיתוך של גרמניום היא 937.2 מעלות צלזיוס. הוא נמצא לעתים קרובות בטבע, אך בכמויות קטנות מאוד. נוכחות גרמניום מצויה בעפרות אבץ ובאפר של פחמים שונים. המקור העיקרי לייצור גרמניום הוא אפר פחם ופסולת ממפעלי מתכות.

אורז. 1. גרמניום

מטיל גרמניום, המתקבל כתוצאה ממספר פעולות כימיות, אינו עדיין חומר המתאים לייצור התקני מוליכים למחצה ממנו. הוא מכיל זיהומים בלתי מסיסים, הוא עדיין לא גביש בודד, ואין לו תוסף שקובע את סוג המוליכות החשמלית הנדרשת.

הוא נמצא בשימוש נרחב לניקוי המטיל משיטת התכה של אזור זיהומים בלתי מסיסים... ניתן להשתמש בשיטה זו כדי להסיר רק את הזיהומים המתמוססים בצורה שונה במוליך למחצה מוצק נתון ובהמסה שלו.

גרמניום קשה מאוד אך שביר מאוד ומתנפץ לחתיכות קטנות בעת הפגיעה. עם זאת, באמצעות מסור יהלום או מכשירים אחרים, ניתן לחתוך אותו לפרוסות דקות. התעשייה המקומית מייצרת גרמניום סגסוגת עם מוליכות אלקטרונית דרגות שונות עם התנגדות בין 0.003 ל-45 אוהם NS ס"מ וגרמניום סגסוגת עם מוליכות חשמלית של חורים עם התנגדות מ-0.4 עד 5.5 אוהם NS ס"מ ומעלה. ההתנגדות הספציפית של גרמניום טהור בטמפרטורת החדר ρ = 60 אוהם NS ס"מ.

גרמניום כחומר מוליכים למחצה נמצא בשימוש נרחב לא רק עבור דיודות וטריודות, הוא משמש לייצור מיישרי הספק לזרמים גבוהים, חיישנים שונים המשמשים למדידת חוזק שדה מגנטי, מדי חום התנגדות לטמפרטורות נמוכות וכו'.

סיליקון מופץ באופן נרחב בטבע. הוא, כמו גרמניום, הוא יסוד מהקבוצה הרביעית של מערכת היסודות מנדלייב ובעל אותו מבנה גבישי (קובי). סיליקון מלוטש מקבל את הברק המתכתי של הפלדה.

הסיליקון אינו מופיע באופן טבעי במצב חופשי, למרות שהוא היסוד השני בשכיחותו על פני כדור הארץ, המהווה את הבסיס של קוורץ ומינרלים אחרים. ניתן לבודד סיליקון בצורתו היסודית על ידי הפחתת פחמן SiO2 בטמפרטורה גבוהה. יחד עם זאת, טוהר הסיליקון לאחר טיפול בחומצה הוא ~ 99.8%, ועבור מכשירים אינסטרומנטליים מוליכים למחצה בצורה זו, הוא אינו בשימוש.

סיליקון בטוהר גבוה מתקבל מהתרכובות הנדיפות שלו שטוהרו היטב בעבר (הלידים, סילאנים) או על ידי הפחתת הטמפרטורה הגבוהה שלהם עם אבץ או מימן, או על ידי פירוק תרמי שלהם. משתחרר במהלך התגובה, סיליקון מופקד על קירות תא התגובה או על גוף חימום מיוחד - לרוב על מוט העשוי מסיליקון בטוהר גבוה.

אורז. 2. סיליקון

כמו גרמניום, הסיליקון הוא שביר. נקודת ההיתוך שלו גבוהה משמעותית מזו של גרמניום: 1423 מעלות צלזיוס. ההתנגדות של סיליקון טהור בטמפרטורת החדר ρ = 3 NS 105 אוהם-ראה

מכיוון שנקודת ההיתוך של סיליקון גבוהה בהרבה מזו של גרמניום, כור היתוך הגרפיט מוחלף בכור קוורץ, מכיוון שגרפיט בטמפרטורות גבוהות יכול להגיב עם סיליקון ליצירת סיליקון קרביד. בנוסף, מזהמי גרפיט יכולים להיכנס לסיליקון מותך.

התעשייה מייצרת סיליקון מסומם מוליכים למחצה עם מוליכות אלקטרונית (דרגות שונות) עם התנגדות בין 0.01 ל-35 אוהם x ס"מ ומוליכות חורים גם בדרגות שונות עם התנגדות בין 0.05 ל-35 אוהם x ס"מ.

סיליקון, כמו גרמניום, נמצא בשימוש נרחב בייצור התקני מוליכים למחצה רבים.במיישר הסיליקון מושגים מתחים הפוכים וטמפרטורות פעולה גבוהות יותר (130 - 180 מעלות צלזיוס) מאשר במיישרים גרמניום (80 מעלות צלזיוס). הנקודה והמישור עשויים מסיליקון דיודות וטריודות, תאי פוטו והתקני מוליכים למחצה אחרים.

באיור. 3 מציג את התלות של עמידות גרמניום וסיליקון משני הסוגים בריכוז הזיהומים בהם.

אורז. 3. השפעת ריכוז הזיהומים על עמידות גרמניום וסיליקון בטמפרטורת החדר: 1 - סיליקון, 2 - גרמניום

העקומות באיור מראות שלזיהומים יש השפעה עצומה על ההתנגדות: בגרמניום היא משתנה מערך ההתנגדות הפנימית של 60 אוהם x ס"מ ל-10-4 אוהם x ס"מ, כלומר פי 5 על 105, ועבור סיליקון ב-3 x 103 עד 10-4 אוהם x ס"מ, כלומר ב-3 x 109 פעם אחת.

כחומר לייצור נגדים לא ליניאריים, נעשה שימוש נרחב במיוחד בחומר הפולי-גבישי - סיליקון קרביד.

אורז. 4. סיליקון קרביד

מגבילי שסתומים לקווי חשמל עשויים מסיליקון קרביד - מכשירים המגנים על קו החשמל מפני מתח יתר. בהם, דיסקים העשויים ממוליכים למחצה לא לינאריים (סיליקון קרביד) מעבירים זרם לקרקע תחת פעולת גלי נחשולים המתרחשים בקו. כתוצאה מכך, הפעולה הרגילה של הקו משוחזרת. במתח הפעלה, קווי ההתנגדות של הדיסקים הללו גדלים וזרם הזליגה מהקו לאדמה נפסק.

סיליקון קרביד מיוצר באופן מלאכותי - על ידי טיפול בחום של תערובת של חול קוורץ עם פחם בטמפרטורה גבוהה (2000 מעלות צלזיוס).

בהתאם לתוספים שהוצגו, נוצרים שני סוגים עיקריים של סיליקון קרביד: ירוק ושחור.הם נבדלים זה מזה בסוג המוליכות החשמלית, כלומר: סיליקון קרביד ירוק זורק מוליכות חשמלית מסוג n, ושחור - עם מוליכות מסוג p.

ל מגבילי שסתומים סיליקון קרביד משמש לייצור דיסקים בקוטר של 55 עד 150 מ"מ וגובה של 20 עד 60 מ"מ. בעצירת שסתום, דיסקים סיליקון קרביד מחוברים בטור זה עם זה ועם פערי ניצוץ. המערכת המורכבת מדיסקים ומצתים נדחסת על ידי קפיץ סליל. עם בורג, המעצר מחובר מוליך קו מתח, ו°C הצד השני של המעצר מחובר באמצעות חוט לאדמה. כל חלקי הפתיל מונחים במארז חרסינה.

במתח קו תמסורת רגיל, השסתום אינו מעביר זרם קו. במתחים מוגברים (נחשולים) הנוצרים מחשמל אטמוספרי או נחשולים פנימיים, נוצרים פערי ניצוצות ודיסקיות השסתומים יהיו במתח גבוה.

ההתנגדות שלהם תרד בחדות, מה שיבטיח זליגת זרם מהקו לאדמה. הזרם הגבוה המועבר יפחית את המתח לנורמלי וההתנגדות בדסקיות השסתומים תגדל. השסתום ייסגר, כלומר, זרם הפעולה של הקו לא יועבר אליהם.

סיליקון קרביד משמש גם במיישרים מוליכים למחצה הפועלים בטמפרטורות עבודה גבוהות (עד 500 מעלות צלזיוס).