วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ — เจอร์เมเนียมและซิลิกอน

เซมิคอนดักเตอร์เป็นตัวแทนของวัสดุที่หลากหลายซึ่งแตกต่างกันด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกายภาพที่หลากหลาย เช่นเดียวกับองค์ประกอบทางเคมีที่หลากหลาย ซึ่งกำหนดวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันในการใช้งานทางเทคนิค

ตามลักษณะทางเคมี วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่สามารถจำแนกได้เป็นสี่กลุ่มหลักดังต่อไปนี้:

1. วัสดุสารกึ่งตัวนำที่เป็นผลึกประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลของธาตุเดี่ยว ปัจจุบันมีการใช้วัสดุดังกล่าวอย่างแพร่หลาย เช่น เจอร์เมเนียม ซิลิกอน ซีลีเนียม โบรอน ซิลิกอนคาร์ไบด์ ฯลฯ

2. วัสดุสารกึ่งตัวนำผลึกออกไซด์ เช่น วัสดุออกไซด์ของโลหะ สารหลักได้แก่: คอปเปอร์ออกไซด์, ซิงก์ออกไซด์, แคดเมียมออกไซด์, ไททาเนียมไดออกไซด์, นิเกิลออกไซด์ เป็นต้น กลุ่มนี้ยังรวมถึงวัสดุที่มีแบเรียมไททาเนต สตรอนเทียม สังกะสี และสารประกอบอนินทรีย์อื่นๆ ที่มีสารเติมแต่งขนาดเล็กหลายชนิด

3. วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นผลึกขึ้นอยู่กับสารประกอบของอะตอมจากกลุ่มที่สามและห้าของระบบองค์ประกอบของ Mendeleev ตัวอย่างของวัสดุดังกล่าวคืออินเดียม แกลเลียม และอะลูมิเนียมแอนติโมไนด์ เช่นสารประกอบของพลวงกับอินเดียม แกลเลียม และอะลูมิเนียม สิ่งเหล่านี้เรียกว่าสารประกอบระหว่างโลหะ

4. วัสดุกึ่งตัวนำที่เป็นผลึกขึ้นอยู่กับสารประกอบของกำมะถัน ซีลีเนียม และเทลลูเรียมในด้านหนึ่ง และทองแดง แคดเมียม และหมู Ca ในอีกด้านหนึ่ง สารประกอบดังกล่าวเรียกว่าตามลำดับ: ซัลไฟด์, เซเลไนด์และเทลลูไรด์

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดสามารถแบ่งตามโครงสร้างผลึกออกเป็นสองกลุ่มตามที่กล่าวมาแล้ว วัสดุบางชนิดทำขึ้นในรูปของผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ (single crystals) ซึ่งแผ่นขนาดต่างๆ จะถูกตัดตามทิศทางของผลึกเพื่อใช้ในวงจรเรียงกระแส แอมพลิฟายเออร์ โฟโตเซลล์

วัสดุดังกล่าวประกอบกันเป็นกลุ่มของสารกึ่งตัวนำแบบผลึกเดี่ยว... วัสดุผลึกเดี่ยวที่พบมากที่สุด ได้แก่ เจอร์เมเนียมและซิลิกอน วิธีการ RM ได้รับการพัฒนาสำหรับการผลิตผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์ ผลึกเดี่ยวของสารประกอบระหว่างโลหะ

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ เป็นส่วนผสมของผลึกขนาดเล็กมากที่บัดกรีเข้าด้วยกันแบบสุ่ม วัสดุดังกล่าวเรียกว่า โพลีคริสตัลไลน์... ตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์โพลีคริสตัลไลน์ ได้แก่ ซีลีเนียมและซิลิกอนคาร์ไบด์ รวมถึงวัสดุที่ทำจากออกไซด์ต่างๆ โดยใช้เทคโนโลยีเซรามิก

พิจารณาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย

เจอร์เมเนียม — ธาตุหมู่ที่สี่ในระบบธาตุของเมนเดเลเยฟ เจอร์เมเนียมมีสีเงินสว่าง จุดหลอมเหลวของเจอร์เมเนียมคือ 937.2 ° C มักพบในธรรมชาติ แต่ในปริมาณที่น้อยมาก การปรากฏตัวของเจอร์เมเนียมพบได้ในแร่สังกะสีและในขี้เถ้าของถ่านหินต่างๆ แหล่งที่มาหลักของการผลิตเจอร์เมเนียมคือเถ้าถ่านหินและของเสียจากโรงงานโลหะวิทยา

ข้าว. 1. เจอร์เมเนียม

ก้อนโลหะเจอร์เมเนียมซึ่งได้รับจากการดำเนินการทางเคมีจำนวนมากยังไม่เป็นสารที่เหมาะสมสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จากมัน ประกอบด้วยสิ่งเจือปนที่ไม่ละลายน้ำ ยังไม่เป็นผลึกเดี่ยว และไม่มีสารเติมแต่งที่ใส่เข้าไปซึ่งกำหนดชนิดของการนำไฟฟ้าที่ต้องการ

มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำความสะอาดก้อนโลหะจากโซนสิ่งเจือปนที่ไม่ละลายน้ำ วิธีการละลาย... วิธีนี้สามารถใช้เพื่อขจัดสิ่งเจือปนที่ละลายต่างกันในสารกึ่งตัวนำที่เป็นของแข็งที่กำหนดและในการหลอมเหลวเท่านั้น

เจอร์เมเนียมมีความแข็งมากแต่เปราะมาก และแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยเมื่อถูกกระแทก อย่างไรก็ตามการใช้เลื่อยเพชรหรืออุปกรณ์อื่น ๆ สามารถตัดเป็นชิ้นบาง ๆ ได้ อุตสาหกรรมในประเทศผลิตเจอร์เมเนียมเจือด้วย การนำไฟฟ้า เกรดต่างๆ ที่มีความต้านทานตั้งแต่ 0.003 ถึง 45 โอห์ม NS ซม. และเจอร์เมเนียมเจือด้วยการนำไฟฟ้าของรูที่มีความต้านทานตั้งแต่ 0.4 ถึง 5.5 โอห์ม NS ซม. ขึ้นไป ความต้านทานจำเพาะของเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิห้อง ρ = 60 โอห์ม NS ซม.

เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายไม่เพียงแต่สำหรับไดโอดและไตรโอดเท่านั้น แต่ยังใช้ทำวงจรเรียงกระแสกำลังไฟฟ้าสำหรับกระแสไฟฟ้าสูง เซ็นเซอร์ต่างๆ ที่ใช้ในการวัดความแรงของสนามแม่เหล็ก เทอร์โมมิเตอร์แบบต้านทานสำหรับอุณหภูมิต่ำ เป็นต้น

ซิลิคอนกระจายอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ เช่นเดียวกับเจอร์เมเนียมเป็นองค์ประกอบของกลุ่มที่สี่ของระบบองค์ประกอบ Mendeleev และมีโครงสร้างผลึก (ลูกบาศก์) เหมือนกัน ซิลิกอนขัดเงาให้ความแวววาวแบบโลหะของเหล็ก

ซิลิกอนไม่ได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติในสถานะอิสระ แม้ว่าจะเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสองของโลก โดยเป็นพื้นฐานของแร่ควอทซ์และแร่ธาตุอื่นๆ ซิลิกอนสามารถแยกได้ในรูปแบบองค์ประกอบโดยการลดคาร์บอน SiO2 ที่อุณหภูมิสูง ในเวลาเดียวกันความบริสุทธิ์ของซิลิกอนหลังการบำบัดด้วยกรดคือ ~ 99.8% และไม่ได้ใช้สำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในรูปแบบนี้

ซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงได้มาจากสารประกอบระเหยง่ายที่บริสุทธิ์ก่อนหน้านี้ (เฮไลด์ ไซเลน) ไม่ว่าจะโดยการลดอุณหภูมิสูงด้วยสังกะสีหรือไฮโดรเจน หรือโดยการสลายตัวด้วยความร้อน ซิลิกอนที่ถูกปลดปล่อยออกมาระหว่างการทำปฏิกิริยาจะเกาะอยู่ตามผนังของห้องทำปฏิกิริยาหรือบนองค์ประกอบความร้อนแบบพิเศษ โดยส่วนใหญ่มักจะอยู่บนแท่งที่ทำจากซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูง

ข้าว. 2. ซิลิคอน

เช่นเดียวกับเจอร์เมเนียม ซิลิคอนนั้นเปราะ จุดหลอมเหลวสูงกว่าเจอร์เมเนียมอย่างมีนัยสำคัญ: 1423 ° C ความต้านทานของซิลิกอนบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิห้อง ρ = 3 NS 105 โอห์ม-ดู

เนื่องจากจุดหลอมเหลวของซิลิกอนนั้นสูงกว่าจุดหลอมเหลวของเจอร์เมเนียมมาก ถ้วยใส่ตัวอย่างกราไฟต์จึงถูกแทนที่ด้วยถ้วยใส่ตัวอย่างควอตซ์ เนื่องจากกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงสามารถทำปฏิกิริยากับซิลิกอนเพื่อสร้างซิลิกอนคาร์ไบด์ นอกจากนี้ สารปนเปื้อนกราไฟต์ยังสามารถเข้าสู่ซิลิกอนหลอมเหลวได้

อุตสาหกรรมนี้ผลิตซิลิกอนเจือเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์ (หลายเกรด) ที่มีความต้านทานตั้งแต่ 0.01 ถึง 35 โอห์ม x ซม. และค่าการนำไฟฟ้าของรูในเกรดต่าง ๆ ที่มีความต้านทานตั้งแต่ 0.05 ถึง 35 โอห์ม x ซม.

ซิลิคอน เช่น เจอร์เมเนียม ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์หลายชนิดในวงจรเรียงกระแสแบบซิลิกอน จะได้รับแรงดันย้อนกลับและอุณหภูมิในการทำงาน (130 — 180 ° C) ที่สูงกว่าในวงจรเรียงกระแสแบบเจอร์เมเนียม (80 ° C) จุดและระนาบทำจากซิลิคอน ไดโอด และไตรโอด โฟโตเซลล์ และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ

ในรูป รูปที่ 3 แสดงการพึ่งพาความต้านทานของเจอร์เมเนียมและซิลิกอนของทั้งสองประเภทต่อความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในพวกมัน

ข้าว. 3. อิทธิพลของความเข้มข้นของสิ่งสกปรกที่มีต่อความต้านทานของเจอร์เมเนียมและซิลิกอนที่อุณหภูมิห้อง: 1 — ซิลิกอน, 2 — เจอร์เมเนียม

เส้นโค้งในรูปแสดงว่าสิ่งเจือปนมีผลอย่างมากต่อความต้านทาน: ในเจอร์เมเนียม ค่าความต้านทานภายในจะเปลี่ยนจาก 60 โอห์ม x ซม. เป็น 10-4 โอห์ม x ซม. นั่นคือ 5 x 105 เท่า และสำหรับ ซิลิกอน 3 x 103 ถึง 10-4 โอห์ม x ซม. เช่น ใน 3 x 109 หนึ่งครั้ง

ในฐานะที่เป็นวัสดุสำหรับการผลิตตัวต้านทานแบบไม่เชิงเส้น วัสดุโพลีคริสตัลไลน์จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายโดยเฉพาะ - ซิลิกอนคาร์ไบด์

ข้าว. 4. ซิลิคอนคาร์ไบด์

ตัวจำกัดวาล์วสำหรับสายไฟทำจากซิลิกอนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ป้องกันสายไฟจากแรงดันไฟเกิน ในนั้น ดิสก์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำที่ไม่ใช่เชิงเส้น (ซิลิกอนคาร์ไบด์) จะส่งผ่านกระแสไปที่พื้นภายใต้การกระทำของคลื่นเสิร์จที่เกิดขึ้นในเส้น เป็นผลให้การทำงานปกติของบรรทัดถูกเรียกคืน ที่แรงดันไฟฟ้าในการทำงาน เส้นความต้านทานของดิสก์เหล่านี้จะเพิ่มขึ้นและกระแสไฟรั่วจากเส้นไปยังกราวด์จะหยุดลง

ซิลิกอนคาร์ไบด์ผลิตขึ้นเอง — โดยการบำบัดความร้อนของส่วนผสมของทรายควอทซ์กับถ่านหินที่อุณหภูมิสูง (2,000 ° C)

ขึ้นอยู่กับสารเติมแต่งที่แนะนำ ซิลิกอนคาร์ไบด์สองประเภทหลักจะเกิดขึ้น: สีเขียวและสีดำพวกเขาแตกต่างกันในประเภทของการนำไฟฟ้ากล่าวคือ: ซิลิกอนคาร์ไบด์สีเขียวพ่นการนำไฟฟ้าแบบ n และสีดำ - มีการนำไฟฟ้าแบบ p

สำหรับ ข้อ จำกัด ของวาล์ว ซิลิกอนคาร์ไบด์ใช้ในการผลิตแผ่นดิสก์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 55 ถึง 150 มม. และสูง 20 ถึง 60 มม. ในการหยุดวาล์ว แผ่นซิลิกอนคาร์ไบด์เชื่อมต่อกันแบบอนุกรมและมีช่องว่างประกายไฟ ระบบที่ประกอบด้วยจานดิสก์และหัวเทียนถูกบีบอัดโดยคอยล์สปริง ด้วยสลักเกลียวเชื่อมต่อกับสายดิน ตัวนำสายไฟ, และ ° C อีกด้านหนึ่งของสายดินเชื่อมต่อกับสายดิน ฟิวส์ทุกส่วนอยู่ในกล่องพอร์ซเลน

ที่แรงดันสายส่งปกติ วาล์วจะไม่ผ่านกระแสไฟในสาย ที่แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น (ไฟกระชาก) ที่เกิดจากไฟฟ้าในบรรยากาศหรือไฟกระชากภายใน ช่องว่างของประกายไฟจะถูกสร้างขึ้นและแผ่นวาล์วจะอยู่ภายใต้ไฟฟ้าแรงสูง

ความต้านทานของพวกเขาจะลดลงอย่างรวดเร็วซึ่งจะช่วยให้กระแสไฟรั่วจากสายถึงพื้น กระแสไฟสูงที่ผ่านไปจะลดแรงดันไฟฟ้าให้เป็นปกติและความต้านทานในแผ่นวาล์วจะเพิ่มขึ้น วาล์วจะปิดนั่นคือกระแสการทำงานของสายจะไม่ถูกส่งไปยังพวกเขา

ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังใช้ในวงจรเรียงกระแสเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิการทำงานสูง (สูงถึง 500 °C)