반도체 재료 — 게르마늄 및 실리콘
반도체는 다양한 전기적 및 물리적 특성뿐만 아니라 기술적 용도에서 서로 다른 목적을 결정하는 다양한 화학 조성을 가진 서로 다른 광범위한 재료 영역을 나타냅니다.
화학적 특성에 따라 최신 반도체 재료는 다음 네 가지 주요 그룹으로 분류할 수 있습니다.
1. 단일 원소의 원자 또는 분자로 구성된 결정질 반도체 재료. 이러한 물질은 현재 게르마늄, 실리콘, 셀레늄, 붕소, 탄화규소 등이 널리 사용되고 있다.
2. 산화물 결정질 반도체 재료, 즉 금속 산화물 재료. 주요한 것들은 산화 구리, 산화 아연, 산화 카드뮴, 이산화 티타늄, 산화 니켈 등입니다. 이 그룹에는 티탄산바륨, 스트론튬, 아연 및 다양한 작은 첨가물이 포함된 기타 무기 화합물을 기본으로 하는 재료도 포함됩니다.
3. 멘델레예프 원소 체계의 세 번째 및 다섯 번째 그룹의 원자 화합물을 기반으로 하는 결정질 반도체 재료. 이러한 물질의 예는 인듐, 갈륨 및 알루미늄 안티몬화물, 즉인듐, 갈륨 및 알루미늄과 안티몬의 화합물. 이들은 금속간 화합물이라고 불렸습니다.
4. 한편으로는 황, 셀레늄 및 텔루르의 화합물과 다른 한편으로는 구리, 카드뮴 및 돼지 Ca 화합물을 기반으로 하는 결정질 반도체 재료. 이러한 화합물은 각각 황화물, 셀렌화물 및 텔루르화물이라고 합니다.
이미 언급했듯이 모든 반도체 재료는 결정 구조에 따라 두 그룹으로 나눌 수 있습니다. 일부 재료는 정류기, 증폭기, 광전지에 사용하기 위해 다양한 크기의 판이 특정 결정 방향으로 절단되는 큰 단결정(단결정) 형태로 만들어집니다.
이러한 재료는 단결정 반도체 그룹을 구성합니다. 가장 일반적인 단결정 재료는 게르마늄과 실리콘입니다. RMethods는 탄화규소의 단결정, 금속간 화합물의 단결정 생산을 위해 개발되었습니다.
다른 반도체 재료는 무작위로 함께 납땜된 매우 작은 결정의 혼합물입니다. 이러한 재료를 다결정... 다결정 반도체 재료의 대표자는 셀레늄 및 탄화 규소뿐만 아니라 세라믹 기술을 사용하여 다양한 산화물로 만든 재료입니다.
널리 사용되는 반도체 재료를 고려하십시오.
게르마늄 — Mendeleev의 주기율표 원소 체계의 네 번째 그룹의 원소입니다. 게르마늄은 밝은 은색입니다. 게르마늄의 융점은 937.2 ° C입니다. 자연에서 종종 발견되지만 매우 소량입니다. 게르마늄의 존재는 아연 광석과 다양한 석탄 재에서 발견됩니다. 게르마늄 생산의 주요 원천은 석탄재와 야금 공장의 폐기물입니다.
쌀. 1. 게르마늄
여러 화학 작업의 결과로 얻은 게르마늄 잉곳은 아직 반도체 장치 제조에 적합한 물질이 아닙니다. 그것은 불용성 불순물을 포함하고 아직 단결정이 아니며 필요한 유형의 전기 전도도를 결정하는 첨가제가 도입되지 않았습니다.
불용성 불순물 영역 용융 방법에서 잉곳을 청소하는 데 널리 사용됩니다. 이 방법은 주어진 고체 반도체와 용융물에서 다르게 용해되는 불순물 만 제거하는 데 사용할 수 있습니다.
게르마늄은 매우 단단하지만 매우 부서지기 쉽고 충격을 받으면 작은 조각으로 부서집니다. 그러나 다이아몬드 톱이나 기타 장치를 사용하면 얇게 자를 수 있습니다. 국내 산업계는 합금 게르마늄을 전자 전도성 저항률이 0.003 ~ 45ohm NS cm인 다양한 등급과 저항률이 0.4 ~ 5.5ohm NS cm 이상인 홀의 전기 전도성과 합금된 게르마늄. 실온에서 순수 게르마늄의 비저항 ρ = 60 ohm NS cm.
반도체 재료인 게르마늄은 다이오드, 삼극관 뿐만 아니라 대전류용 전력정류기, 자기장 세기 측정에 사용되는 각종 센서, 저온용 측온저항체 등을 만드는 데 널리 쓰인다.
규소는 자연계에 널리 분포되어 있습니다. 그것은 게르마늄과 마찬가지로 Mendeleev 요소 시스템의 네 번째 그룹의 요소이며 동일한 결정 (입방체) 구조를 갖습니다. 연마된 실리콘은 강철의 금속 광택을 냅니다.
규소는 자유 상태에서 자연적으로 발생하지 않지만 지구에서 두 번째로 풍부한 원소이며 석영 및 기타 광물의 기초를 형성합니다. 실리콘은 SiO2 탄소의 고온 환원에 의해 원소 형태로 분리될 수 있습니다. 동시에 산 처리 후 실리콘의 순도는 ~99.8%이며, 이러한 형태의 반도체 기기 장치에는 사용되지 않습니다.
고순도 실리콘은 이전에 잘 정제된 휘발성 화합물(할로겐화물, 실란)에서 아연 또는 수소로 고온 환원하거나 열분해하여 얻습니다. 반응 중에 방출되는 실리콘은 반응 챔버의 벽이나 특수 가열 요소에 증착되며 대부분 고순도 실리콘으로 만들어진 막대에 증착됩니다.
쌀. 2. 실리콘
게르마늄과 마찬가지로 실리콘은 부서지기 쉽습니다. 그것의 융점은 게르마늄보다 상당히 높습니다 : 1423 ° C. 실온에서 순수 실리콘의 저항 ρ = 3 NS 105 ohm-see
실리콘의 녹는점이 게르마늄보다 훨씬 높기 때문에 고온에서 흑연이 실리콘과 반응하여 실리콘 카바이드를 형성할 수 있기 때문에 흑연 도가니를 석영 도가니로 대체합니다. 또한 흑연 오염 물질이 용융 실리콘에 들어갈 수 있습니다.
업계에서는 저항이 0.01 ~ 35ohm x cm인 전자 전도도(다양한 등급)와 저항이 0.05 ~ 35ohm x cm인 다양한 등급의 정공 전도도를 갖는 반도체 도핑 실리콘을 생산합니다.
실리콘은 게르마늄과 마찬가지로 많은 반도체 장치 제조에 널리 사용됩니다.실리콘 정류기에서는 게르마늄 정류기(80°C)보다 더 높은 역 전압 및 작동 온도(130 ~ 180°C)가 달성됩니다. 포인트와 평면은 실리콘으로 만들어집니다. 다이오드 및 triodes, 광전지 및 기타 반도체 장치.
무화과에서. 도 3은 불순물 농도에 대한 두 유형의 게르마늄 및 실리콘 저항의 의존성을 보여준다.
쌀. 3. 상온에서 게르마늄과 실리콘의 저항에 대한 불순물 농도의 영향: 1 — 실리콘, 2 — 게르마늄
그림의 곡선은 불순물이 저항에 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 게르마늄에서는 내부 저항 값인 60ohm x cm에서 10-4ohm x cm, 즉 5 x 105 배로 변경되며 3 x 103 ~ 10-4 ohm x cm의 실리콘, 즉 3 x 109에서 한 번.
비선형 저항기 생산용 재료로 다결정 재료가 특히 널리 사용됩니다 - 실리콘 카바이드.
쌀. 4. 실리콘 카바이드
전력선용 밸브 리미터는 과전압으로부터 전력선을 보호하는 장치인 탄화규소로 만들어집니다. 그 안에는 비선형 반도체(실리콘 카바이드)로 만들어진 디스크가 라인에서 발생하는 서지파의 영향을 받아 접지로 전류를 전달합니다. 결과적으로 회선의 정상 작동이 복원됩니다. 작동 전압에서 이러한 디스크의 저항 라인이 증가하고 라인에서 접지로의 누설 전류가 중지됩니다.
탄화 규소는 고온 (2000 ° C)에서 석영 모래와 석탄의 혼합물을 열처리하여 인공적으로 생산됩니다.
도입된 첨가제에 따라 녹색과 검정색의 두 가지 주요 유형의 탄화규소가 형성됩니다.그들은 전기 전도도의 유형이 서로 다릅니다. 즉, 녹색 탄화 규소는 n 형 전기 전도도를, 검정색은 p 형 전도도를 나타냅니다.
을 위한 밸브 제한 장치 실리콘 카바이드는 직경 55~150mm, 높이 20~60mm의 디스크를 생산하는 데 사용됩니다. 밸브 스톱에서 실리콘 카바이드 디스크는 스파크 갭을 통해 서로 직렬로 연결됩니다. 디스크와 스파크 플러그로 구성된 시스템은 코일 스프링에 의해 압축됩니다. 볼트로 피뢰기가 전력선 도체, °C 피뢰기의 다른 쪽은 와이어로 접지에 연결됩니다. 퓨즈의 모든 부품은 도자기 케이스에 들어 있습니다.
정상적인 전송 라인 전압에서 밸브는 라인 전류를 통과시키지 않습니다. 대기 전기 또는 내부 서지에 의해 생성된 증가된 전압(서지)에서 스파크 갭이 생성되고 밸브 디스크에 고전압이 가해집니다.
저항이 급격히 떨어지므로 라인에서 접지로 전류가 누출됩니다. 높은 전류가 흐르면 전압이 정상으로 감소하고 밸브 디스크의 저항이 증가합니다. 밸브가 닫힙니다. 즉, 라인의 작동 전류가 밸브에 전달되지 않습니다.
실리콘 카바이드는 높은 작동 온도(최대 500°C)에서 작동하는 반도체 정류기에도 사용됩니다.