3. Напівпровідникові матеріали

3.1 Прості напівпровідники

Напівпровідникові матеріали розділяються на напівпровідники неорганічного і органічного походження, на прості напівпровідники (монокристалічні) та на напівпровідникові сполуки (полікристалічні).

В електротехніці використовують такі напівпровідникові матеріали:

прості – германій, кремній, селен та телур; напівпровідникові сполуки – карбід кремнію, арсенід галію, сульфід цинку, селенід цинку, сульфід кадмію, сульфід свинцю, телурид свинцю, оксид цинку, оксид заліза та ін.

Вказані матеріали широко використовуються у виробництві напівпровідникових приладів.

П ростими називаються напівпровідники до основного складу яких входять атоми одного хімічного елементу. Більшість напівпровідникових матеріалів – це кристалічні тверді речовини із впорядкованою періодичною структурою. Кремній і германій відносяться до алмазоподібних напівпровідників, так як вони мають кристалічну структуру алмаза (рис. 6.12).

Це куб, у вершинах і в центрах граней якого розташовані атоми вуглецю. Крім того, атоми вуглецю знаходяться в центрах чотирьох (із восьми) малих кубів (октантів), на які поділяється куб.

З рисунка видно, що в структурі алмазного типу кожний із розглянутих атомів (германію або кремнію) оточений чотирма такими ж атомами, розташованими на однаковій відстані від розглянутого, і кожен з атомів утворює валентний зв'язок з сусідніми атомами.

Германій (Gе) – елемент четвертої групи періодичної системи Менделєєва. Германій майже не має своїх руд. Сировиною для отримання германію є цинкові і сульфатні руди. Внаслідок складних хімічних процесів отримують злиток германію. В такому вигляді германій не можна застосовувати для виготовлення напівпровідникових приладів, так як він має домішки і не є монокристалом. Спочатку цей злиток звільнюють від домішок методом зонового плавлення. В очищеному напівпровідниковому матеріалі домішки повинні складати не більше 10^-6…10^-8 %.

Щоб отримати монокристалічний германій, його розплавляють у вакуумі або в атмосфері інертного газу. Для отримання германію з електропровідністю п або р-типу в розплав очищеного германію вводять відповідну донорну (миш’як, сурму, вісмут, фосфор, літій), акцепторну (галій, бор) або нейтральну (свинець, олово) домішку. Потім із розплаву витягують з відповідною швидкістю чистий монокристалічний германій у вигляді суцільного циліндра заданого діаметра. Германій має яскраво-cрібний колір, щільність D = 5320 кг/м³; температура плавлення Т_пл = 937,2°С. Концентрація власних носіїв заряду n = 2,5 ∙ 10¹⁹ м³, власний питомий електричний опір  = 0,47 Ом ∙ м. Рухомість носіїв заряду: _n = 0,39 м²/(В с); _p = 0,13 м²/(В с).

Германій широко використовується для виготовлення діодів, транзисторів, тензодатчиків, фотоелементів, фотодіодів, оптичних фільтрів, лічильників ядерних часток. Робочий діапазон напівпровідникових приладів із германію від – 60 до +70 ⁰С.

Кремній (Sі) – елемент четвертої групи періодичної системи Менделєєва. На відміну від германію він широко розповсюджений в природі у вигляді кремнезему (SіО₂), який є однією з вихідних речовин для отримання технічних сортів кремнію.

Внаслідок очищення злитків кремнію методом зонного плавлення отримують монокристалічний кремній з електропровідністю п- або р-типу в залежності від введених легуючих домішок. Зразки полірованого кремнію мають колір сталі. Кремній, як і германій – крихкий матеріал. Очищений нелегований кремній має щільність D = 2330 кг/м³; температуру плавлення Т_пл = 1417°С. Концентрація власних носіїв заряду n = 2∙10¹⁶ м³, власний питомий електричний опір  = 2∙10³ Ом ∙м. Рухомість носіїв заряду: _n = 0,14 м²/(В с); _p = 0,05 м²/(В с). Верхня границя робочої температури напівпровідникових приладів на основі кремнію 180…200°С.

Кремній використовують для виготовлення діодів, польових транзисторів, тиристорів, фотодіодів, фото транзисторів, фотоелементів сонячних батарей, тензодатчиків, детекторів ядерного випромінення.

Крім цього, кремній використовують в інтегральних напівпровідникових схемах у радіоелектроніці.

Селен (Sе) – елемент шостої групи періодичної системи Менделєєва. Вихідними матеріалами для його отримання є залишки при електролітичному рафінуванні міді. Твердий селен може мати аморфну або кристалічну будову. Чорний аморфний селен отримують з очищеного розплавленого селену при швидкому охолодженні його до кімнатної температури. Сірий кристалічний селен отримують із розплавленого аморфного селену при повільному охолодженні його від температури плавлення (Т_пл = 218°С) до кімнатної. Кристалічний селен є домішковим напівпровідником n-типу і має полікристалічну структуру. Основні характеристики селену: щільність D = 4800 кг/м³; рухомість дірок _р = 0,2 ∙ 10^-4 м²/(В с).

Селен використовують для виготовлення селенових випрямлячів, фотоелементів і фото резисторів, при виготовленні фарб, пластмас, кераміки, в якості легуючої добавки при виробництві сталей.

Телур (Те) – елемент VI групи таблиці Менделєєва. Полікристалічний зливок телуру отримують при повільному охолодженні розплавленого телуру. Із зливку вирізають кілька монокристалів.

Температура плавлення телуру 451 ⁰С, концентрація власних носіїв заряду n = 9,3 ∙ 10 ²¹м³, власний питомий електричний опір  = 29∙10^-4 Ом∙м. Рухомість носіїв заряду: _n = 0,17 м²/(В с); _p = 0,12 м²/(В с).

Телур застосовують у вигляді сплавів із вісмутом, свинцем, сурмою, які використовують для виготовлення термоелектричних генераторів. В скляній та керамічній промисловості телур застосовують у якості барвника.