مواد أشباه الموصلات - الجرمانيوم والسيليكون

تمثل أشباه الموصلات مساحة شاسعة من المواد التي تختلف عن بعضها البعض مع مجموعة متنوعة من الخصائص الكهربائية والفيزيائية ، بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من التركيب الكيميائي ، والتي تحدد أغراضًا مختلفة في استخدامها التقني.

حسب الطبيعة الكيميائية ، يمكن تصنيف مواد أشباه الموصلات الحديثة إلى المجموعات الرئيسية الأربع التالية:

1. مواد بلورية شبه موصلة تتكون من ذرات أو جزيئات من عنصر واحد. تستخدم هذه المواد حاليًا على نطاق واسع الجرمانيوم والسيليكون والسيلينيوم والبورون وكربيد السيليكون ، إلخ.

2 - مواد أكسيد البلورية شبه الموصلة ، أي مواد أكسيد المعادن. أهمها: أكسيد النحاس ، أكسيد الزنك ، أكسيد الكادميوم ، ثاني أكسيد التيتانيوم ، أكسيد النيكل ، إلخ. تشتمل هذه المجموعة أيضًا على مواد تعتمد على تيتانات الباريوم والسترونشيوم والزنك وغيرها من المركبات غير العضوية ذات الإضافات الصغيرة المختلفة.

3. مواد بلورية شبه موصلة تعتمد على مركبات ذرات من المجموعتين الثالثة والخامسة من نظام مندليف للعناصر. ومن الأمثلة على هذه المواد أنتيمونيدات الإنديوم والغاليوم والألمنيوم ، أيمركبات الأنتيمون مع الإنديوم والغاليوم والألمنيوم. كانت تسمى هذه المركبات بين المعادن.

4. مواد بلورية شبه موصلة تعتمد على مركبات الكبريت والسيلينيوم والتيلوريوم من جهة والنحاس والكادميوم والخنزير Ca من جهة أخرى. تسمى هذه المركبات ، على التوالي: الكبريتيدات والسيلينيدات والتيلورايد.

يمكن تقسيم جميع مواد أشباه الموصلات ، كما ذكرنا سابقًا ، من خلال التركيب البلوري إلى مجموعتين. تصنع بعض المواد على شكل بلورات مفردة كبيرة (بلورات مفردة) ، تُقطع منها الألواح ذات الأحجام المختلفة في اتجاهات بلورية معينة لاستخدامها في المقومات والمضخمات والخلايا الضوئية.

تشكل هذه المواد مجموعة أشباه الموصلات البلورية المفردة ... المواد البلورية المفردة الأكثر شيوعًا هي الجرمانيوم والسيليكون. تم تطوير RMethods لإنتاج بلورات أحادية من كربيد السيليكون ، بلورات مفردة من المركبات المعدنية.

مواد أشباه الموصلات الأخرى عبارة عن مزيج من بلورات صغيرة جدًا ملحومة معًا بشكل عشوائي. تسمى هذه المواد الكريستالات ... ممثلو مواد أشباه الموصلات متعددة الكريستالات هم السيلينيوم وكربيد السيليكون ، وكذلك المواد المصنوعة من أكاسيد مختلفة باستخدام تكنولوجيا السيراميك.

ضع في اعتبارك مواد أشباه الموصلات المستخدمة على نطاق واسع.

الجرمانيوم - عنصر من المجموعة الرابعة من نظام مندليف الدوري للعناصر. الجرمانيوم له لون فضي لامع. تبلغ درجة انصهار الجرمانيوم 937.2 درجة مئوية ، وغالبًا ما توجد في الطبيعة ، ولكن بكميات صغيرة جدًا. يوجد الجرمانيوم في خامات الزنك وفي رماد أنواع الفحم المختلفة. المصدر الرئيسي لإنتاج الجرمانيوم هو رماد الفحم والنفايات من مصانع التعدين.

أرز. 1. الجرمانيوم

سبيكة الجرمانيوم ، التي تم الحصول عليها نتيجة لعدد من العمليات الكيميائية ، ليست بعد مادة مناسبة لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات منها. تحتوي على شوائب غير قابلة للذوبان ، وهي ليست بلورة واحدة بعد ، ولا تحتوي على مادة مضافة تحدد نوع التوصيل الكهربائي المطلوب.

يستخدم على نطاق واسع لتنظيف السبائك من طريقة ذوبان الشوائب غير القابلة للذوبان ... يمكن استخدام هذه الطريقة لإزالة الشوائب فقط التي تذوب بشكل مختلف في أشباه الموصلات الصلبة وفي ذوبانها.

الجرمانيوم صعب للغاية ولكنه هش للغاية ويتكسر إلى قطع صغيرة عند الاصطدام. ومع ذلك ، باستخدام منشار الماس أو الأجهزة الأخرى ، يمكن تقطيعه إلى شرائح رفيعة. تنتج الصناعة المحلية سبائك الجرمانيوم مع الموصلية الإلكترونية درجات مختلفة بمقاومة من 0.003 إلى 45 أوم NS سم وجرمانيوم مخلوط بتوصيل كهربائي ثقوب ذات مقاومة من 0.4 إلى 5.5 أوم NS سم فأكثر. المقاومة النوعية للجرمانيوم النقي عند درجة حرارة الغرفة ρ = 60 أوم NS سم.

يستخدم الجرمانيوم كمواد شبه موصلة على نطاق واسع ليس فقط للثنائيات والثلاثي ، بل يستخدم لصنع مقومات الطاقة للتيارات العالية ، وأجهزة الاستشعار المختلفة المستخدمة لقياس شدة المجال المغناطيسي ، ومقاييس الحرارة المقاومة لدرجات الحرارة المنخفضة ، إلخ.

يتم توزيع السيليكون على نطاق واسع في الطبيعة. إنه ، مثل الجرمانيوم ، عنصر من المجموعة الرابعة من نظام مندليف للعناصر وله نفس الهيكل البلوري (المكعب). يأخذ السيليكون المصقول البريق المعدني للفولاذ.

لا يوجد السيليكون بشكل طبيعي في الحالة الحرة ، على الرغم من أنه ثاني أكثر العناصر وفرة على الأرض ، ويشكل أساس الكوارتز والمعادن الأخرى. يمكن عزل السيليكون في شكله الأولي عن طريق تقليل درجة الحرارة العالية لكربون SiO2. في الوقت نفسه ، يبلغ نقاء السيليكون بعد المعالجة الحمضية 99.8٪ تقريبًا ، ولا يتم استخدامه للأجهزة ذات أشباه الموصلات في هذا الشكل.

يتم الحصول على السيليكون عالي النقاء من مركباته المتطايرة التي سبق تنقيتها جيدًا (هاليدات ، سيلانات) إما عن طريق تقليل درجة الحرارة العالية باستخدام الزنك أو الهيدروجين ، أو عن طريق تحللها الحراري. عند إطلاقه أثناء التفاعل ، يتم ترسيب السيليكون على جدران غرفة التفاعل أو على عنصر تسخين خاص - غالبًا على قضيب مصنوع من السيليكون عالي النقاء.

أرز. 2. السيليكون

السيليكون هش مثل الجرمانيوم. نقطة انصهارها أعلى بكثير من الجرمانيوم: 1423 درجة مئوية.مقاومة السيليكون النقي في درجة حرارة الغرفة ρ = 3 NS 105 أوم-سي

نظرًا لأن نقطة انصهار السيليكون أعلى بكثير من نقطة انصهار الجرمانيوم ، يتم استبدال بوتقة الجرافيت ببوتقة كوارتز ، لأن الجرافيت عند درجات الحرارة العالية يمكن أن يتفاعل مع السيليكون لتكوين كربيد السيليكون. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تدخل ملوثات الجرافيت السيليكون المصهور.

تنتج الصناعة سيليكون مخدر بأشباه الموصلات مع الموصلية الإلكترونية (درجات مختلفة) بمقاومة من 0.01 إلى 35 أوم × سم وموصلية ثقب أيضًا من درجات مختلفة بمقاومة من 0.05 إلى 35 أوم × سم.

يستخدم السيليكون ، مثل الجرمانيوم ، على نطاق واسع في تصنيع العديد من أجهزة أشباه الموصلات.في مقوم السيليكون ، يتم تحقيق جهد عكسي أعلى ودرجات حرارة تشغيل (130-180 درجة مئوية) مقارنة بمعدلات الجرمانيوم (80 درجة مئوية). النقطة والطائرة مصنوعة من السيليكون الثنائيات والثلاثي ، والخلايا الضوئية ، وأجهزة أشباه الموصلات الأخرى.

في التين. 3 يوضح اعتماد مقاومة الجرمانيوم والسيليكون لكلا النوعين على تركيز الشوائب فيها.

أرز. 3. تأثير تركيز الشوائب على مقاومة الجرمانيوم والسيليكون في درجة حرارة الغرفة: 1- السيليكون ، 2- الجرمانيوم

تظهر المنحنيات في الشكل أن الشوائب لها تأثير كبير على المقاومة: في الجرمانيوم ، تتغير من قيمة المقاومة الداخلية 60 أوم × سم إلى 10-4 أوم × سم ، أي 5 × 105 مرة ، ول السيليكون بمقدار 3 × 103 إلى 10-4 أوم × سم ، أي في 3 × 109 مرة.

كمواد لإنتاج المقاومات غير الخطية ، فإن المادة متعددة البلورات تستخدم على نطاق واسع بشكل خاص - كربيد السيليكون.

أرز. 4. كربيد السيليكون

محددات الصمامات لخطوط الطاقة مصنوعة من كربيد السيليكون - وهي أجهزة تحمي خط الطاقة من الجهد الزائد. في هذه الأقراص ، تمرر الأقراص المصنوعة من أشباه الموصلات غير الخطية (كربيد السيليكون) التيار إلى الأرض تحت تأثير موجات الاندفاع التي تحدث في الخط. نتيجة لذلك ، تمت استعادة التشغيل الطبيعي للخط. عند جهد التشغيل ، تزداد خطوط مقاومة هذه الأقراص ويتوقف تيار التسرب من الخط إلى الأرض.

يتم إنتاج كربيد السيليكون بشكل مصطنع - عن طريق المعالجة الحرارية لمزيج من رمل الكوارتز مع الفحم عند درجة حرارة عالية (2000 درجة مئوية).

اعتمادًا على الإضافات التي تم إدخالها ، يتم تشكيل نوعين رئيسيين من كربيد السيليكون: الأخضر والأسود.وهي تختلف عن بعضها البعض في نوع التوصيل الكهربائي ، أي: يلقي كربيد السيليكون الأخضر الموصلية الكهربائية من النوع n ، والأسود - مع الموصلية من النوع p.

ل مقيد الصمام يستخدم كربيد السيليكون لإنتاج أقراص بقطر 55 إلى 150 مم وارتفاع 20 إلى 60 مم. في صمام توقف ، يتم توصيل أقراص كربيد السيليكون في سلسلة مع بعضها البعض وبفجوات شرارة. يتم ضغط النظام المكون من أقراص وشمعات احتراق بواسطة نوابض لولبية. مع الترباس ، يتم توصيل صواعق موصل خط الكهرباء، و ° C ، يتم توصيل الجانب الآخر من الصواعق بسلك إلى الأرض. يتم وضع جميع أجزاء المصهر في علبة خزفية.

في جهد خط النقل العادي ، لا يمر الصمام تيار الخط. عند زيادة الفولتية (الاندفاعات) الناتجة عن الكهرباء في الغلاف الجوي أو الزيادات الداخلية ، يتم إنشاء فجوات شرارة وستكون أقراص الصمام تحت الجهد العالي.

ستنخفض مقاومتهم بشكل حاد ، مما يضمن التسرب الحالي من الخط إلى الأرض. سيؤدي مرور التيار العالي إلى تقليل الجهد إلى الوضع الطبيعي وستزداد المقاومة في أقراص الصمام. سيتم إغلاق الصمام ، أي أن تيار التشغيل للخط لن ينتقل إليهم.

يستخدم كربيد السيليكون أيضًا في مقومات أشباه الموصلات التي تعمل في درجات حرارة تشغيل عالية (تصل إلى 500 درجة مئوية).