«Полупроводниковые материалы»

Среди большого количества полупроводниковых материалов неорганического и органического происхождения монокристаллической и поликристаллической структуры в электротехнике используют в основном германий, кремний, селен и карбид кремния, из которых изготовляют полупроводниковые приборы.

Кремний и германий относятся к алмазоподобным полупроводникам, так как они имеют кристаллическую структуру алмаза (рис. 41) —куб, в вершинах и в центрах граней которого расположены атомы углерода. Кроме того, атомы углерода находятся в центрах четырех (из восьми) малых кубов (октантов), на которые делится большой куб.

Рисунок 41 Кристаллическая структура алмазного типа

Германий Ge—элемент четвертой группы периодической системы Менделеева. Исходными сырьевыми материалами для получения германия служат цинковые и сульфидные руды. В результате сложных химических процессов получают слиток германия, который еще нельзя применять для изготовления полупроводниковых приборов, так как он содержит примеси и не является монокристаллом. Сначала этот слиток методом зонной плавки освобождают от примесей, которые в очищенном германии должны составлять не более 5 ·10 - 9 %.

Чтобы получить монокристаллический германий, его расплавляют в вакууме или атмосфере инертного газа. Для получения германия электропроводностью n- или p типа в расплав очищенного германия вводят соответственно донорную или акцепторную примесь. Затем из расплава вытягивают с определенной скоростью чистый монокристаллический германий в виде сплошного цилиндра заданного диаметра.

Германий имеет ярко-серебристый цвет, его плотность 5322 кг/м3, а температура плавления 937,2 °С. Все сорта германия обладают большой твердостью и хрупкостью и легко увлажняются.

Германий широко применяют для изготовления диодов и фотоэлементов.

Кремний Si является элементом четвертой группы периодической системы Менделеева. Широко распространенный в природе в виде кремнезема Si02 служит одним из исходных веществ для получения технических сортов кремния.

В результате очистки слитков кремния методом зонной плавки получают в зависимости от введенных легирующих примесей монокристаллический кремний электропроводностью n- или р-типа. В очищенном кремнии примеси должны составлять не более 10 -11 %.

Образцы полированного кремния имеют цвет стали. Кремний, как и германий, представляет собой хрупкий материал. Основные характеристики очищенного нелегированного кремния: плотность 2320 кг/м3, темпера- тура плавления 1420 °С.

Кремний применяют более широко, чем германий, так как верхний предел рабочей температуры полупроводниковых приборов на его основе 150 — 200 °С, а на основе германия 70—80 °С. Кремний используют в производстве интегральных микросхем.

Селен Se — элемент шестой группы периодической системы Менделеева. Исходными материалами для его получения являются остатки, образующиеся при электролитическом рафинировании меди. Твердый селен может иметь аморфное или кристаллическое строение. Черный аморфный селен, получаемый из очищенного расплавленного селена при быстром охлаждении его до комнатной температуры, представляет собой диэлектрик с удельным сопротивлением р=10-11 Ом-м.

Серый кристаллический селен получают из расплавленного аморфного селена при медленном охлаждении его от температуры плавления (220 °С) до комнатной. Кристаллический селен является примесным полупроводником р-типа, имеющим поликристаллическую структуру. Основные характеристики селена: плотность 4800 кг/м3, температура плавления 217 °С, Интервал рабочих температур селена в выпрямителях от — 60 до 75 °С.

Селен применяют для изготовления селеновых выпрямителей, фотоэлементов и фоторезисторов.

Карбид кремния SiC представляет собой хрупкий материал поликристаллического строения с ярко выраженной нелинейной зависимостью между током и напряжением. Карбид кремния образуется в результате химического соединения кремния и углерода. Исходными материалами для его получения являются чистый кварцевый песок и кокс. Чтобы получить примесную электрическую проводимость того или другого типа, в исходный состав (шихту) вводят примеси — фосфор, сурьму, висмут, магний, алюминий и др. Реакция образования карбида кремния ведется при конечной температуре приблизительно 2000 °С.

Карбид кремния, легированный фосфором, сурьмой или висмутом, имеет темно-зеленую окраску и обладает электропроводностью n-типа, а легированный галлием, алюминием или бором, имеет темно-фиолетовую окраску и обладает электрической проводимостью р-типа. Основные характеристики карбида кремния: плотность 3200 кг/м3, температура плавления 2700 °С. Как и кристаллический селен, карбид кремния является примесным полупроводником, но при температуре 1400 °С и выше у него появляется собственная электропроводность.

В основном наиболее чистые сорта карбида кремния применяют в производстве варисторов — резисторов, обладающих нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и работающих в интервале температур от —50 до +80 °С. Варисторы используют в устройствах автоматического регулирования.

Из поликристаллического карбида кремния методом возгонки в инертном газе получают монокристаллы карбида кремния, отличающиеся химической чистотой, которые широко используют для изготовления диодов и транзисторов на рабочие температуры до 700 °С, а также для производства светодиодов.