8. 5. Полупроводниковые химические соединения и материалы на их основе

Полупроводниковые соединения могут обладать самыми разно­образными электрофизическими свойствами. Рассмотрим наиболее важные для электротехники материалы.

Карбид кремния. Это соединение элементов IV группы таблицы Д. И. Менделеева кремния и углерода (А^1УВ^№), соответствующее формуле 51С_Ж (х « 1). Карбид кремния стехиометрического состава содержит 70,045 % и 29,955 % С (по массе). Технический карбид кремния изготовляется в электрических печах при восстановлении диоксида кремния (кварцевого песка) углеродом. До температуры 2000 °С образуется кубическая ^-модификация Б1С, при более вы­сокой температуре — гексагональные а-модификации. После окон­чания процесса и охлаждения печи из нее извлекают сросшиеся пакеты кристаллов ЭЮ, называемые друзами, которые после размола дают порошки с остроконечными, зубчатыми зернами разной круп-

Рис. 8-22. Зависимость плотности тока, протекающего через сжатый порошок карбида кремния, от средней на­пряженности электрического поля. Удельное давление на порошок 60 МПа. Размер зерен 63—75 мкм

н ости, средний размер зерен от 40 до 300 мкм. В зависимости от исходного сырья и особенностей технологического процесса получаются кристаллы различной окраски. Окраска кристаллов Б1С и тип электропро­водности зависят от инородных примесей либо избытка атомов 51 или С над количе­ством их, отвечающим стехиометрическому составу. Примесь элементов пятой группы N. Р, Ав, БЬ, В1) и железа в ЭЮ дает зеле­ную окраску и электропроводность /г-типа; элементы второй группы (Са, Ве, М£) и

"'001 01 1 10 100нВ/м^тР^етьей группы (В, А1, йа, 1п) дают го- ' ' лубую и фиолетовую окраску (в толстых

слоях черную) и электропроводность р-типа; избыток Э1 дает Б1С «-типа, а избыток С дает £ПС р-типа. Чистые кристаллы БЮ про­зрачны. Электропроводность кристаллов ЭЮ при нормальных тем­пературах — примесная и колеблется в широких пределах. Основ­ные физические свойства кристаллов БКЗ:

Плотность 3,2 Мг/м³

Коэффициент теплопроводности при 20 °С 10—40 Вт/(м- К)

Удельная теплоемкость 620—750 Дж/(кг-К)

Температурный коэффициент линейного расширения . . . (4—7)• 10^—6 К^-1

Твердость по минералогической шкале 9,5

Ширина запрещенной зоны 2,8—3,1 эВ

Подвижность электронов при 20°С 0,01—0,05 м²/(В-с)

Подвижность дырок при 20° С 0,002—0,005 м²/(В-с)

Диэлектрическая проницаемость 6,5—7,5

Термо-ЭДС относительно меди 300 мкВ/К

Электропроводность порошкообразного карбида кремния зависит от электропроводности зерен исходного материала, крупности по­мола, степени сжатия частиц, напряженности электрического поля и температуры. Например, если истинная удельная проводимость материала примерно 150 См/м, то при температуре 20 °С, размере зерен 63—75 мкм и давлении на порошок 60 МПа в области сла­бого поля (до 5 В на сантиметр высоты порошка) удельная проводи­мость порошка будет примерно 2 -10^-6 См/м. При увеличении зерна до 85—105 мкм и при всех прежних условиях удельная проводимость порошка возрастает до значений больших 10^_3См/м. Как видно из рис. 8-22, значения удельной проводимости отличаются большим раз­бросом, а вся зависимость плотности тока от напряженности электри­ческого поля имеет нелинейный характер, т. е. электропроводность порошков карбида кремния не подчиняется закону Ома.

При низких напряжениях ток идет через запирающие слон на контактирующих поверхностях зерен, при более высоких напряже-

в)

Р ис. 8-23. Пояснение прин­ципа действия варистора из карбида кремния: а — раз­рез варистора; б — эквива­лентная схема варистора; в — вольт-амперная характе­ристика, соответствующая эквивалентной схеме; г — реальная вольт-амперная ха­рактеристика на переменном токе

1

В)

г)

		мА		I
						/
		ш				/
						и
			ю 0 -5 -10 -15	20 НОВ

— диск из зерен карбида кремния, скрепленных неорга­ническим связующим; 2 —элек­троды

ниях начинают пере­крываться зазоры ме­жду зернами. Наряду с этим вступает в дей­ствие и контактный микронагрев.

Нелинейный резис­тор, называемый вари- стором, состоящий из конгломерата зерен кар­бида кремния, пока­зан на рис. 8-23, а.

Электропроводность варистора определятся многими параллель­ными цепочками контактирующих зерен, причем пробивное напря­жение контактов в различных цепочках (рис. 8-23,6) имеетбольшой раз­брос. Так, до значения приложенного напряжения и_х (рис. 8-23, в) ток идет только через сопротивление Я, после чего при напряжениях и_ъ 0₂, и_з и последующих включаются друг за другом остальные параллельные цепочки зерен, и вольт-амперная характеристика представляет собой ломаную линию. В реальном варисторе таких цепочек может быть очень много, поэтому реальная вольт-амперная характеристика (рис. 8-23, г) представляет собой плавную кривую. Варисторы, изготовленные из несвязанных зерен карбида крем­ния, являются нестабильными, боятся тряски, ударов и легко из­меняют свои характеристики. Поэтому зерна 51С надо скреплять связующим веществом. В качестве связующих веществ используются глина, ультрафарфоровая масса, жидкое стекло, легкоплавкие стекла, кремнийорганические лаки и т. д. Материал с глинистой связкой называют тиритом, со связкой из жидкого стекла—вилитом.

Карбид кремния в электротехнике применяется для изготовления резисторов вентильных разрядников, защищающих линии передачи высокого напряжения и аппаратуру; для производства различных низковольтных варисторов, используемых в автоматике, вычисли­тельной технике, электроприборостроении, в технике получения вы­соких температур и т. д. В качестве примера рассмотрим использо­вание карбида кремния в вентильных разрядниках высоковольтных линий передач и в силитовых стержнях.

Рис. 8-24. Прин­ципиальная схема

(а) и внешний вид

(б) вентильного разрядника

/ — искровой про« межуток; 2 — вари­стори (вилитовые диски); 3 — фарфо­ровый корпус

Вентильным разрядником назы­вают разрядник, имеющий одно­кратный или многократный искро­вой промежуток, в комплекте с варисторами (рис. 8-24). При перенапряжении на высоковольтной линии пробивается искровой промежуток, нелинейные диски оказы­ваются под большим напряжением, сопротивление их резко падает, линия оказывается заземленной, и через разрядник течет импульс­ный ток длительностью десятки или сотни микросекунд. Помимо этого импульсного тока рабочее напряжение линий переменного тока поддерживает протекающий через разрядник «сопровождаю­щий» ток, однако в первый же момент прохождения этого тока через нулевое значение линия отключается от земли, вилитовые диски восстанавливают свое сопротивление, а разрядные проме­жутки деионизируются. Защита линии автоматически восстанав­ливается.

Силитовые стержни изготовляются на основе карбида кремния, кристаллического кремния и углерода. Плотность силита состав­ляет 3,2 Мг/м³, температурный коэффициент линейного расширения силитовых стержней очень мал, удельное электрическое сопротив­ление может колебаться в значительных пределах, но для наиболее часто применяющихся нагревателей оно составляет 0,001—0,1 Ом'м. Силитовые нагреватели применяются в электрических печах различ­ной мощности, рассчитанных на максимальные температуры до 1500°С. Кривая относительного изменения электрического сопро­тивления силитового стержня от температуры показана на рис. 8-25. Срок службы нагревателей в электрической печи может колебаться в пределах от сотен до тысяч часов.

Соединения А¹¹^ являются перспективными материалами для создания того или иного полупроводникового прибора. Они имеют

Рис. 8-26. Сфалеритная структура соединений А^ШВ^У

Рис. в-25

Рис. 8-25. Изменение сопротивления силитового стержня от температуры

Черные кружки — атомы

А¹¹¹, белые — атомы В'¹

структуру цинковой обманки (сфалерита), которая подобна струк­туре алмаза, отличаясь лишь тем, что природа и размеры входящих в нее частиц различны (рис. 8-26).

Наиболее исследованными и технологически не очень сложными из них являются фосфиды, арсениды и антимониды. Серьезное практическое значение в настоящее время приобрели арсенид и фосфид галлия и антимонид индия. Основной метод получения соединений А¹¹¹ В^у — непосредственное взаимодействие компонен­тов в вакууме или в атмосфере инертного газа. В свойствах соеди­нений А¹¹¹ В^у (табл. 8-4) наблюдаются некоторые закономерности, которые показаны на рис. 8-27.

Таблица 8-4