4. Прості напівпровідники. Приклади
Германій – елемент IV групи періодичної системи Д.І.Менделєєва. Хоча вміст германію в земній корі незначний, він є одним з найкраще вивчених напівпровідникових матеріалів. Саме германій історично визначив науково-технічну революцію в напівпровідниковій електроніці, хоча згодом і поступився першим місцем кремнію.
Одержують германій з відходів переробки поліметалевих сульфідних руд, золи кам’яного вугілля. Германієвий концентрат розкладають соляною кислотою. Чотирьоххлористий германій GeCl4 служить сировиною для одержання чистого германію: гідролізом одержують двоокис германію GeО2, який при нагріванні до 600-800° в водневому середовищі відновлюється до германію. Технічний германій надалі очищають зонною плавкою або вирощуванням монокристалів в вакуумі. Ступінь очищення германію досягає 109 атомів германію на один атом домішки.
При кімнатній температурі германій стійкий до дії повітря, води, розведених кислот і лугів, реагує з азотною кислотою. При нагріванні вступає в реакцію з киснем, сіркою, галогенами.
Германію властиві істотні недоліки, які обмежують його застосування: він непридатний для виготовлення мікросхем, оскільки на ньому неможливо створити ізоляцію активних областей оксидом; через відносно вузьку заборонену зону температурний діапазон роботи германієвих приладів істотно вужчий, ніж у кремнієвих (від –60 до +70°С).
Проте германій зберіг своє значення для виготовлення обмеженої номенклатури діодів та транзисторів, зокрема деяких типів лавинно-прольотних, тунельних, точкових високочастотних та імпульсних діодів, датчиків Холла, детекторів іонізуючого випромінювання та ін.
Поки що поза конкуренцією залишаються дві області застосування германію: виготовлення оптичних деталей інфрачервоного діапазону та у вигляді діоксиду для виготовлення волоконнооптичних ліній зв’язку.
Кремній – також елемент IV групи періодичної системи Д.І.Менделєєва, проте один з найпоширеніших елементів земної кори (27,6%). У вільному стані кремній в природі не зустрічається.
Кремній одержують відновлюючи чотирьоххлористий кремній цинком або воднем з наступним очищенням зонною плавкою. Легують кремній під час зонної плавки або витягування з розплаву.
За звичайних умов кремній досить інертний (проте взаємодіє з HF та F2), але при нагріванні взаємодіє з багатьма речовинами. Електричні властивості кремнію дуже залежать від складу та концентрації домішок. Кремній непрозорий для видимої частини спектру електромагнітного випромінювання, але прозорий для інфрачервоного випромінювання.
Кремній – домінуючий матеріал напівпровідникової електроніки та мікроелектроніки. Завдяки його унікальним фізико-хімічним властивостям кремнієві прилади стабільно працюють в широкому діапазоні температур від –40 до +180°С. На базі кремнію виготовляють найрізноманітніші діоди, транзистори та інтегральні мікросхеми, тиристори, фоточутливі прилади, сонячні батареї для безпосереднього перетворення енергії випромінювання в електричну. Технічний кремній застосовується у виробництві легованої електротехнічної сталі.
Селен – елемент IV групи таблиці Д.І.Менделєєва, рідкісний і розсіяний елемент; вміст в земній корі 5×10-6% за масою; супутний сірці. Утворює кілька модифікацій, які нагріванням до 180-220°С можна перевести в найстійкішу гексагональну – кристалічний сірий селен.
Одержують селен з відходів (шлаків), які утворюються при електролізі у виробництві міді. Технічний селен піддається очищенню хімічними та фізичними методами. Вміст неконтрольованих домішок в селені, придатному для виготовлення приладів, не перевищує (2-8)×10-3%. Іноді застосовують ректифікований селен з вмістом домішок 10-5 – 10-6%.
За звичайних умов селен стійкий: кисень, вода, соляна і розведена сірчана кислота на нього не діють; добре розчиняється в концентрованій азотній кислоті і “царській воді”, в лугах розчиняється з окисленням. При нагріванні селен досить активно вступає в реакції з багатьма речовинами.
Всі сполуки селену отруйні, пара подразнює слизові оболонки
Електричний опір селену залежить від способу одержання, характеру структури і кількості домішок; зниження питомого опору досягається додаванням акцепторних домішок – хлору, брому, йоду. З ними селен завжди має дірковий тип електропровідності. Температурний інтервал роботи селенових приладів від –60 до + 75°С.
Селен застосовується для виготовлення фоторезисторів та фотоелементів, оскільки їх спектральні характеристики дуже близькі до людського ока. Завдяки прозорості в інфрачервоному спектрі застосовуються в приладах інфрачервоного діапазону.