Materiales semiconductores: germanio y silicio

Los semiconductores representan una vasta área de materiales que se diferencian entre sí por una gran variedad de propiedades eléctricas y físicas, así como por una gran variedad de composición química, lo que determina diferentes propósitos en su uso técnico.

Por naturaleza química, los materiales semiconductores modernos se pueden clasificar en los siguientes cuatro grupos principales:

1. Materiales semiconductores cristalinos formados por átomos o moléculas de un solo elemento. Dichos materiales son actualmente ampliamente utilizados germanio, silicio, selenio, boro, carburo de silicio, etc.

2. Materiales semiconductores cristalinos de óxido, es decir, materiales de óxido de metal. Los principales son: óxido de cobre, óxido de zinc, óxido de cadmio, dióxido de titanio, óxido de níquel, etc. Este grupo también incluye materiales a base de titanato de bario, estroncio, zinc y otros compuestos inorgánicos con varios aditivos pequeños.

3. Materiales semiconductores cristalinos basados ​​en compuestos de átomos del tercer y quinto grupo del sistema de elementos de Mendeleev. Ejemplos de tales materiales son los antimonuros de indio, galio y aluminio, es decir,compuestos de antimonio con indio, galio y aluminio. Estos fueron llamados compuestos intermetálicos.

4. Materiales semiconductores cristalinos basados ​​en compuestos de azufre, selenio y telurio por un lado y cobre, cadmio y Ca de cerdo por el otro. Dichos compuestos se denominan, respectivamente: sulfuros, seleniuros y telururos.

Todos los materiales semiconductores, como ya se mencionó, se pueden dividir por estructura cristalina en dos grupos. Algunos materiales están hechos en forma de monocristales grandes (monocristales), de los cuales se cortan placas de varios tamaños en ciertas direcciones de cristal para usar en rectificadores, amplificadores, fotocélulas.

Dichos materiales forman el grupo de semiconductores monocristalinos... Los materiales monocristalinos más comunes son el germanio y el silicio. Se han desarrollado métodos para la producción de monocristales de carburo de silicio, monocristales de compuestos intermetálicos.

Otros materiales semiconductores son una mezcla de cristales muy pequeños soldados al azar. Dichos materiales se denominan policristalinos... Los representantes de los materiales semiconductores policristalinos son el selenio y el carburo de silicio, así como los materiales hechos de varios óxidos que utilizan tecnología cerámica.

Considere los materiales semiconductores ampliamente utilizados.

Germanio: un elemento del cuarto grupo del sistema periódico de elementos de Mendeleev. El germanio tiene un color plateado brillante. El punto de fusión del germanio es de 937,2 °C. Se encuentra a menudo en la naturaleza, pero en cantidades muy pequeñas. La presencia de germanio se encuentra en minerales de zinc y en las cenizas de varios carbones. La principal fuente de producción de germanio son las cenizas de carbón y los desechos de las plantas metalúrgicas.

Arroz. 1. germanio

El lingote de germanio, obtenido como resultado de una serie de operaciones químicas, aún no es una sustancia adecuada para la fabricación de dispositivos semiconductores a partir de él. Contiene impurezas insolubles, aún no es un solo cristal y no tiene un aditivo introducido que determine el tipo requerido de conductividad eléctrica.

Es ampliamente utilizado para limpiar el lingote de impurezas insolubles método de fusión de la zona... Este método puede usarse para eliminar solo aquellas impurezas que se disuelven de manera diferente en un semiconductor sólido dado y en su fusión.

El germanio es muy duro pero extremadamente quebradizo y se rompe en pedazos pequeños al impactar. Sin embargo, con una sierra de diamante u otros dispositivos, se puede cortar en rodajas finas. La industria nacional produce germanio aleado con conductividad electronica varios grados con resistividad de 0,003 a 45 ohm NS cm y germanio aleado con conductividad eléctrica de orificios con resistividad de 0,4 a 5,5 ohm NS cm y superior. La resistencia específica del germanio puro a temperatura ambiente ρ = 60 ohm NS cm.

El germanio como material semiconductor se usa ampliamente no solo para diodos y triodos, sino que se usa para fabricar rectificadores de potencia para corrientes altas, varios sensores que se usan para medir la fuerza del campo magnético, termómetros de resistencia para bajas temperaturas, etc.

Silicio ampliamente distribuido en la naturaleza. Al igual que el germanio, es un elemento del cuarto grupo del sistema de elementos de Mendeleev y tiene la misma estructura cristalina (cúbica). El silicio pulido adquiere el brillo metálico del acero.

El silicio no se encuentra naturalmente en estado libre, aunque es el segundo elemento más abundante en la Tierra, formando la base del cuarzo y otros minerales. El silicio se puede aislar en su forma elemental mediante la reducción a alta temperatura del carbono SiO2. Al mismo tiempo, la pureza del silicio después del tratamiento con ácido es ~ 99.8%, y no se usa para dispositivos instrumentales semiconductores en esta forma.

El silicio de alta pureza se obtiene a partir de sus compuestos volátiles previamente bien purificados (haluros, silanos) ya sea por su reducción a alta temperatura con zinc o hidrógeno, o por su descomposición térmica. Liberado durante la reacción, el silicio se deposita en las paredes de la cámara de reacción o en un elemento calefactor especial, generalmente en una barra hecha de silicio de alta pureza.

Arroz. 2. Silicio

Al igual que el germanio, el silicio es frágil. Su punto de fusión es significativamente más alto que el del germanio: 1423 ° C. La resistencia del silicio puro a temperatura ambiente ρ = 3 NS 105 ohm-ver

Dado que el punto de fusión del silicio es mucho más alto que el del germanio, el crisol de grafito se reemplaza por un crisol de cuarzo, porque el grafito a altas temperaturas puede reaccionar con el silicio para formar carburo de silicio. Además, los contaminantes de grafito pueden ingresar al silicio fundido.

La industria produce silicio dopado semiconductor con conductividad electrónica (varios grados) con resistividad de 0,01 a 35 ohm x cm y conductividad de hueco también de varios grados con resistividad de 0,05 a 35 ohm x cm.

El silicio, como el germanio, se usa ampliamente en la fabricación de muchos dispositivos semiconductores.En el rectificador de silicio se alcanzan mayores voltajes inversos y temperaturas de funcionamiento (130 - 180 °C) que en los rectificadores de germanio (80 °C). El punto y el plano están hechos de silicio. diodos y triodos, fotocélulas y otros dispositivos semiconductores.

En la Fig. 3 muestra las dependencias de la resistencia de germanio y silicio de ambos tipos sobre la concentración de impurezas en ellos.

Arroz. 3. Influencia de la concentración de impurezas en la resistencia del germanio y el silicio a temperatura ambiente: 1 — silicio, 2 — germanio

Las curvas de la figura muestran que las impurezas tienen un gran efecto en la resistencia: en germanio, cambia del valor de resistencia interna de 60 ohm x cm a 10-4 ohm x cm, es decir, 5 x 105 veces, y para silicio por 3 x 103 a 10-4 ohmios x cm, es decir, en 3 x 109 una vez.

Como material para la producción de resistencias no lineales, el material policristalino se usa particularmente ampliamente: el carburo de silicio.

Arroz. 4. Carburo de silicio

Los limitadores de válvula para líneas eléctricas están hechos de carburo de silicio, dispositivos que protegen la línea eléctrica contra sobretensiones. En ellos, unos discos fabricados con un semiconductor no lineal (carburo de silicio) pasan corriente a tierra bajo la acción de las ondas de choque que se producen en la línea. Como resultado, se restablece el funcionamiento normal de la línea. A la tensión de funcionamiento, las líneas de resistencia de estos discos aumentan y se detiene la corriente de fuga de la línea a tierra.

El carburo de silicio se produce artificialmente mediante el tratamiento térmico de una mezcla de arena de cuarzo con carbón a alta temperatura (2000 ° C).

Dependiendo de los aditivos introducidos, se forman dos tipos principales de carburo de silicio: verde y negro.Se diferencian entre sí en el tipo de conductividad eléctrica, a saber: el carburo de silicio verde arroja conductividad eléctrica de tipo n y el negro, con conductividad de tipo p.

Para limitadores de válvula El carburo de silicio se utiliza para producir discos con un diámetro de 55 a 150 mm y una altura de 20 a 60 mm. En una parada de válvula, los discos de carburo de silicio están conectados en serie entre sí y con vías de chispas. El sistema compuesto por discos y bujías está comprimido por un resorte helicoidal. Con un perno, el pararrayos se conecta a conductor de línea eléctrica, y °C el otro lado del pararrayos está conectado por un cable a tierra. Todas las partes del fusible se colocan en una caja de porcelana.

Con un voltaje de línea de transmisión normal, la válvula no pasa corriente de línea. Con voltajes aumentados (sobretensiones) creados por la electricidad atmosférica o sobretensiones internas, se crean espacios de chispas y los discos de las válvulas estarán bajo alto voltaje.

Su resistencia caerá bruscamente, lo que asegurará una fuga de corriente de la línea a tierra. La alta corriente que pasa reducirá el voltaje a la normalidad y aumentará la resistencia en los discos de la válvula. La válvula estará cerrada, es decir, no se les transmitirá la corriente de funcionamiento de la línea.

El carburo de silicio también se utiliza en rectificadores de semiconductores que funcionan a altas temperaturas (hasta 500 °C).