Bahan semikonduktor — germanium dan silikon
Semikonduktor mewakili area material yang sangat luas yang berbeda satu sama lain dengan berbagai sifat listrik dan fisik, serta dengan berbagai komposisi kimia, yang menentukan tujuan berbeda dalam penggunaan teknisnya.
Berdasarkan sifat kimianya, bahan semikonduktor modern dapat diklasifikasikan ke dalam empat kelompok utama berikut:
1. Bahan semikonduktor kristal terdiri dari atom atau molekul dari satu unsur. Bahan-bahan tersebut saat ini banyak digunakan germanium, silikon, selenium, boron, silikon karbida, dll.
2. Bahan semikonduktor kristal oksida, mis. bahan oksida logam. Yang utama adalah: oksida tembaga, oksida seng, oksida kadmium, titanium dioksida, oksida nikel, dll. Kelompok ini juga mencakup bahan berdasarkan barium titanat, strontium, seng, dan senyawa anorganik lainnya dengan berbagai aditif kecil.
3. Bahan semikonduktor kristal berdasarkan senyawa atom dari kelompok ketiga dan kelima sistem unsur Mendeleev. Contoh bahan tersebut adalah antimonida indium, galium dan aluminium, mis.senyawa antimon dengan indium, galium, dan aluminium. Ini disebut senyawa intermetalik.
4. Bahan semikonduktor kristal berdasarkan senyawa belerang, selenium dan telurium di satu sisi dan tembaga, kadmium dan babi Ca di sisi lain. Senyawa tersebut masing-masing disebut: sulfida, selenida, dan telurida.
Semua bahan semikonduktor, sebagaimana telah disebutkan, dapat dibagi dengan struktur kristal menjadi dua kelompok. Beberapa bahan dibuat dalam bentuk kristal tunggal besar (kristal tunggal), dari mana pelat dengan berbagai ukuran dipotong dalam arah kristal tertentu untuk digunakan dalam penyearah, penguat, fotosel.
Bahan semacam itu membentuk kelompok semikonduktor kristal tunggal... Bahan kristal tunggal yang paling umum adalah germanium dan silikon. Metode R telah dikembangkan untuk produksi kristal tunggal silikon karbida, kristal tunggal senyawa intermetalik.
Bahan semikonduktor lainnya adalah campuran kristal yang sangat kecil yang disolder bersama secara acak. Bahan semacam itu disebut polikristalin... Perwakilan bahan semikonduktor polikristalin adalah selenium dan silikon karbida, serta bahan yang terbuat dari berbagai oksida menggunakan teknologi keramik.
Pertimbangkan bahan semikonduktor yang banyak digunakan.
Germanium — unsur dari kelompok keempat sistem periodik unsur Mendeleev. Germanium memiliki warna perak cerah. Titik leleh germanium adalah 937,2 ° C. Sering ditemukan di alam, tetapi dalam jumlah yang sangat kecil. Kehadiran germanium ditemukan dalam bijih seng dan abu berbagai batubara. Sumber utama produksi germanium adalah abu batubara dan limbah dari pabrik metalurgi.
Beras. 1. Germanium
Germanium ingot, yang diperoleh sebagai hasil dari sejumlah operasi kimia, belum menjadi zat yang cocok untuk pembuatan perangkat semikonduktor darinya. Ini mengandung kotoran yang tidak larut, belum menjadi kristal tunggal, dan tidak memiliki aditif yang dimasukkan ke dalamnya yang menentukan jenis konduktivitas listrik yang diperlukan.
Ini banyak digunakan untuk membersihkan ingot dari metode peleburan zona pengotor yang tidak larut... Metode ini dapat digunakan untuk menghilangkan hanya pengotor yang larut secara berbeda dalam semikonduktor padat tertentu dan dalam lelehannya.
Germanium sangat keras tetapi sangat rapuh dan hancur berkeping-keping saat terkena benturan. Namun, dengan menggunakan gergaji intan atau perangkat lain, dapat dipotong menjadi irisan tipis. Industri dalam negeri memproduksi paduan germanium dengan konduktivitas elektronik berbagai nilai dengan resistivitas dari 0,003 hingga 45 ohm NS cm dan paduan germanium dengan konduktivitas listrik lubang dengan resistivitas dari 0,4 hingga 5,5 ohm NS cm ke atas. Resistansi spesifik germanium murni pada suhu kamar ρ = 60 ohm NS cm.
Germanium sebagai bahan semikonduktor banyak digunakan tidak hanya untuk dioda dan trioda, tetapi digunakan untuk membuat penyearah daya untuk arus tinggi, berbagai sensor digunakan untuk mengukur kekuatan medan magnet, termometer resistansi untuk suhu rendah, dll.
Silikon tersebar luas di alam. Itu, seperti germanium, adalah elemen dari kelompok keempat sistem elemen Mendeleev dan memiliki struktur kristal (kubik) yang sama. Silikon yang dipoles mengambil kilau logam dari baja.
Silikon tidak terjadi secara alami dalam keadaan bebas, meskipun merupakan unsur paling melimpah kedua di Bumi, membentuk dasar kuarsa dan mineral lainnya. Silikon dapat diisolasi dalam bentuk unsurnya dengan reduksi karbon SiO2 pada suhu tinggi. Pada saat yang sama, kemurnian silikon setelah perlakuan asam adalah ~ 99,8%, dan untuk perangkat instrumen semikonduktor dalam bentuk ini tidak digunakan.
Silikon dengan kemurnian tinggi diperoleh dari senyawa volatil yang sebelumnya dimurnikan dengan baik (halida, silan) baik dengan reduksi suhu tinggi dengan seng atau hidrogen, atau dengan dekomposisi termalnya. Dilepaskan selama reaksi, silikon disimpan di dinding ruang reaksi atau pada elemen pemanas khusus - paling sering pada batang yang terbuat dari silikon dengan kemurnian tinggi.
Beras. 2. Silikon
Seperti germanium, silikon rapuh. Titik leburnya jauh lebih tinggi daripada germanium: 1423 ° C. Resistensi silikon murni pada suhu kamar ρ = 3 NS 105 ohm-lihat
Karena titik leleh silikon jauh lebih tinggi daripada germanium, wadah grafit diganti dengan wadah kuarsa, karena grafit pada suhu tinggi dapat bereaksi dengan silikon membentuk silikon karbida. Selain itu, kontaminan grafit dapat memasuki silikon cair.
Industri memproduksi silikon doping semikonduktor dengan konduktivitas elektronik (berbagai tingkatan) dengan resistivitas dari 0,01 hingga 35 ohm x cm dan konduktivitas lubang juga dari berbagai tingkatan dengan resistivitas dari 0,05 hingga 35 ohm x cm.
Silikon, seperti germanium, banyak digunakan dalam pembuatan banyak perangkat semikonduktor.Dalam penyearah silikon, tegangan balik dan suhu operasi yang lebih tinggi (130 — 180 ° C) dicapai daripada penyearah germanium (80 ° C). Titik dan bidang terbuat dari silikon dioda dan trioda, fotosel, dan perangkat semikonduktor lainnya.
Dalam gambar. 3 menunjukkan ketergantungan resistensi germanium dan silikon dari kedua jenis pada konsentrasi pengotor di dalamnya.
Beras. 3. Pengaruh konsentrasi pengotor terhadap ketahanan germanium dan silikon pada suhu kamar: 1 — silikon, 2 — germanium
Kurva pada gambar menunjukkan bahwa pengotor memiliki efek yang sangat besar pada resistansi: di germanium, itu berubah dari nilai resistansi internal 60 ohm x cm menjadi 10-4 ohm x cm, yaitu sebesar 5 x 105 kali, dan untuk silikon sebesar 3 x 103 hingga 10-4 ohm x cm, yaitu dalam 3 x 109 sekali.
Sebagai bahan untuk produksi resistor nonlinier, bahan polikristalin banyak digunakan - silikon karbida.
Beras. 4. Silikon karbida
Pembatas katup untuk saluran listrik terbuat dari silikon karbida - perangkat yang melindungi saluran listrik dari tegangan berlebih. Di dalamnya, disk yang terbuat dari semikonduktor non-linear (silikon karbida) mengalirkan arus ke tanah di bawah aksi gelombang lonjakan yang terjadi di saluran. Akibatnya, operasi normal saluran dipulihkan. Pada tegangan operasi, garis resistansi piringan ini meningkat dan arus bocor dari saluran ke pentanahan berhenti.
Silikon karbida diproduksi secara artifisial - dengan perlakuan panas campuran pasir kuarsa dengan batubara pada suhu tinggi (2000 ° C).
Bergantung pada aditif yang dimasukkan, dua jenis utama silikon karbida terbentuk: hijau dan hitam.Mereka berbeda satu sama lain dalam jenis konduktivitas listrik, yaitu: silikon karbida hijau mengeluarkan konduktivitas listrik tipe-n, dan hitam - dengan konduktivitas tipe-p.
Untuk pembatas katup silikon karbida digunakan untuk menghasilkan cakram dengan diameter 55 hingga 150 mm dan tinggi 20 hingga 60 mm. Dalam penghenti katup, cakram silikon karbida dihubungkan secara seri satu sama lain dan dengan celah percikan. Sistem yang terdiri dari cakram dan busi dikompresi oleh pegas koil. Dengan baut, arester dihubungkan ke konduktor saluran listrik, dan ° C sisi lain dari arester dihubungkan dengan kawat ke tanah. Semua bagian sekering ditempatkan dalam wadah porselen.
Pada tegangan saluran transmisi normal, katup tidak melewatkan arus saluran. Pada peningkatan tegangan (lonjakan) yang diciptakan oleh listrik atmosfer atau lonjakan internal, celah percikan dibuat dan cakram katup akan berada di bawah tegangan tinggi.
Resistensi mereka akan turun tajam, yang akan memastikan kebocoran arus dari saluran ke tanah. Arus tinggi yang dilewatkan akan menurunkan tegangan menjadi normal dan resistansi pada cakram katup akan meningkat. Katup akan ditutup, yaitu arus operasi saluran tidak akan diteruskan ke katup tersebut.
Silikon karbida juga digunakan dalam penyearah semikonduktor yang beroperasi pada suhu operasi tinggi (hingga 500 °C).