Глава 5. Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы по удельному электрическому сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами (рис. 5.1).

Д

Рис. 5.1. Шкала удельных электрических сопротивлений проводниковых, полупроводниковых и изоляционных материалов

олгое время электротехника избегала их применения, так как они обладают недостаточно малыми для проводников и слишком низкими для изоляторов удельными сопротивлениями (10^–4…10¹⁴ Ом·м), кроме того, их характеристики представлялись нестабильными, изменяющимися по непонятным причинам. Действительно, характерной особенностью полупроводников является зависимость их электрической проводимости от температуры: при низких температурах она мала, но резко возрастает при увеличении температуры. В двадцатых годах ХХ века были обнаружены зависимости проводимости полупроводниковых материалов и от других внешних воздействий: механического, электрического, светового, радиационного и др.

Результаты исследований уникальных свойств полупроводников, прежде считавшихся некачественными, бросовыми материалами, революционно преобразовали элементную базу электроники, в корне изменили состояние и пути её развития, вызвали бурное развитие радиотехники, техники связи, телевидения, видео- и звукозаписи, вычислительной техники и систем автоматического управления производственными технологическими процессами.

5.1. Полупроводники

В качестве полупроводников используются главным образом кристаллические полупроводниковые материалы : германий, кремний, селен, карбид кремния.

Германий — твёрдое хрупкое кристаллическое вещество, получаемое при переработке цинковых и сульфидных руд. Его плотность — 5322 кг/м³, температура плавления — +937 ^ОС. Широко используется при производстве диодов, транзисторов, фотодиодов, фототранзисторов и других полупроводниковых устройств, предназначенных для работы при температурах до +70 ^ОС.

Кремний — твёрдое хрупкое кристаллическое вещество, получаемое при переработке кремнезёма и силикатов. Составляет около 30 % земной коры. Его плотность — 2330 кг/м³, температура плавления — +1417 ^ОС. Широко используется при производстве термисторов, диодов, транзисторов, микросхем, фотоэлементов, способных работать при температурах до +200 ^ОС. Полупроводниковые устройства на базе кремния имеют более высокую рабочую температуру и меньше, чем устройства на основе германия, реагируют на её изменения, что важно для стабильности работы полупроводниковых приборов.

Селен — получают переработкой отходов электролитического рафинирования меди. Медленным охлаждением расплава селена получают полупроводник — серый кристаллический селен. Его плотность — 4807 кг/м³, температура плавления — +217 ^ОС. Обладает фотоэлектрическими свойствами. Спектральная чувствительность селена близка к чувствительности глаза человека, поэтому его широко используют в фотоэлементах, предназначенных для измерения освещённости при температурах от –60 до +75 ^ОС.

Карбид кремния — химическое соединение кремния с углеродом, получаемое из кварцевого песка и кокса. Его плотность — 3200 кг/м³, температура плавления — +2700 ^ОС. Легированный карбид кремния с электронной проводимостью имеет тёмно-зелёный цвет, с дырочной проводимостью (см.раздел 5.4) — тёмно-фиолетовый цвет. Используется при производстве светодиодов и варисторов — резисторов, изменяющих своё сопротивление под действием приложенного к ним напряжения, а также диодов и транзисторов, способных работать при температурах до +700 ^ОС.