8. Полупроводниковые материалы (германий, кремний, арсенид галлия)

Полупроводники – материалы, которые являются по своей электропроводности промежуточными между проводниками и диэлектриками отличительным свойством которых является очень сильно выраженная зависимость удельной проводимости от концентрации вида примесей или дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий.

Особенности полупроводников.

1). Большая чувствительность характеристик п-ков к присутствию в них примесей.

2). Чувствительность п-ков к внешним энергетическим воздействиям (электриче­скому, магнитному полю, т-ре излучения).

3). Наличие у п-ков 2-х типов электропроводности (электронной и дырочной n- и p-типа).

На основании этих особенностей из полупроводниковых материалов можно изготовлять разл. полупровод. приборы:

1). Термосопротивления.

2). Фотосопротивления.

3). Диоды и триоды (p-n-переходы). Они изготавливаются на основе монокристал. п-ков с примесями донорно-акцепторного типа.

Все приборы, изготовленные из полупровод. приборов, отличаются малым весом, габаритами, простотой изготовления, отсутствием старения материала при электрон. типе проводимости, большим сроком службы, надежностью конструкции. В настоящее время известно 13 элемен­тов-полупроводников в таблице Менделеева: бор, углерод, кремний, германий, олово (серое), фосфор, мышьяк, сурьма, висмут, сера, селен, теллур, йод.

Германий. Содержание германия в земной коре невелико. В результате хим.переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в двуокись германия – порошок белого цвета.

Германий, использующийся в производстве полупроводниковых приборов, подразделяется на марки, отличающиеся легирующими примесями, зн-ем уд. сопротивления и диффузионной длины не сновных носителей заряда. Для изготовления полупроводниковых приборов слитки германия распиливаются на пластинки, поверхность которых протравливается для устранения дефектов обработки. При плавлении уд. проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве уд. проводимость сначала почти не изменяется, а начиная с т-ры 1100°С – падает.

Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие, применяемые для измерения напряженности маг. поля, токов и мощности, умножения двух величин в приборах вычислительной техники и т.д. Оптические св-ва германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн. Германий может быть использован и для изготовления счетчиков ядерных частиц.

Кремний, как и германий, относится к ковалентным кристаллам 4 группы и имеет кубическую решетку типа алмаза. Это один из наиболее распространенных элементов земной коры (около 26%). Кремний получают чаще всего восстановлением парами цинка четыреххлористого кремния при т-ре порядка 1000°С в защитной атмосфере.

Электропроводность кремния, как и германия, очень сильно зависит от присутствия примесей. В настоящее время кремний является основным м-лом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлектроники. При использовании кремния верхний предел рабочей т-ры может составлять, в зависимости от степени очистки м-ла, 120-200°С, что значительно выше, чем для германия.

Арсенид галлия. Он интересен тем, что ширина запрещенной зоны превышает ширину запрещенной зоны германия и кремния, но еще не очень велика. При этом подвижность электронов у него выше, чем у германия и кремния, а подвижность электронов дырок сравнима с таковой для кремния. По мере увеличения концентрации примесей м-л приближается к состоянию, характерному для вырожденных полупроводников. Из арсенида галлия изготовляют фотоэлементы, дозиметры рентгеновского излучения, туннельные диоды, полупроводниковые лазеры. Полупроводниковые приборы из арсенида галлия способны работать до т-ры 450°С.