Matériaux semi-conducteurs — germanium et silicium

Les semi-conducteurs représentent un vaste domaine de matériaux qui diffèrent les uns des autres avec une grande variété de propriétés électriques et physiques, ainsi qu'avec une grande variété de composition chimique, ce qui détermine différents objectifs dans leur utilisation technique.

Par nature chimique, les matériaux semi-conducteurs modernes peuvent être classés dans les quatre groupes principaux suivants :

1. Matériaux semi-conducteurs cristallins constitués d'atomes ou de molécules d'un seul élément. De tels matériaux sont actuellement largement utilisés le germanium, le silicium, le sélénium, le bore, le carbure de silicium, etc.

2. Matériaux semi-conducteurs cristallins d'oxyde, c'est-à-dire matériaux à base d'oxydes métalliques. Les principaux sont : l'oxyde de cuivre, l'oxyde de zinc, l'oxyde de cadmium, le dioxyde de titane, l'oxyde de nickel, etc. Ce groupe comprend également des matériaux à base de titanate de baryum, de strontium, de zinc et d'autres composés inorganiques avec divers petits additifs.

3. Matériaux semi-conducteurs cristallins basés sur des composés d'atomes des troisième et cinquième groupes du système d'éléments de Mendeleïev. Des exemples de tels matériaux sont les antimoniures d'indium, de gallium et d'aluminium, c'est-à-direcomposés d'antimoine avec l'indium, le gallium et l'aluminium. Ceux-ci étaient appelés composés intermétalliques.

4. Matériaux semi-conducteurs cristallins à base de composés de soufre, de sélénium et de tellure d'une part et de cuivre, de cadmium et de Ca porc d'autre part. Ces composés sont appelés respectivement : sulfures, séléniures et tellurures.

Tous les matériaux semi-conducteurs, comme déjà mentionné, peuvent être divisés par structure cristalline en deux groupes. Certains matériaux sont fabriqués sous la forme de gros monocristaux (monocristaux), à partir desquels des plaques de différentes tailles sont découpées dans certaines directions cristallines pour être utilisées dans des redresseurs, des amplificateurs, des photocellules.

Ces matériaux constituent le groupe des semi-conducteurs monocristallins... Les matériaux monocristallins les plus courants sont le germanium et le silicium. R Des méthodes ont été développées pour la production de monocristaux de carbure de silicium, de monocristaux de composés intermétalliques.

D'autres matériaux semi-conducteurs sont un mélange de très petits cristaux soudés ensemble de manière aléatoire. De tels matériaux sont appelés polycristallins... Les représentants des matériaux semi-conducteurs polycristallins sont le sélénium et le carbure de silicium, ainsi que les matériaux constitués de divers oxydes utilisant la technologie céramique.

Considérez les matériaux semi-conducteurs largement utilisés.

Germanium - un élément du quatrième groupe du système périodique des éléments de Mendeleïev. Le germanium a une couleur argentée brillante. Le point de fusion du germanium est de 937,2°C. On le trouve souvent dans la nature, mais en très petite quantité. La présence de germanium se retrouve dans les minerais de zinc et dans les cendres de divers charbons. La principale source de production de germanium est la cendre de charbon et les déchets des usines métallurgiques.

Riz. 1. Germanium

Le lingot de germanium, obtenu à la suite d'un certain nombre d'opérations chimiques, n'est pas encore une substance adaptée à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs à partir de celui-ci. Il contient des impuretés insolubles, n'est pas encore un monocristal et ne contient pas d'additif qui détermine le type de conductivité électrique requis.

Il est largement utilisé pour nettoyer le lingot des impuretés insolubles méthode de fusion de zone... Cette méthode peut être utilisée pour éliminer uniquement les impuretés qui se dissolvent différemment dans un semi-conducteur solide donné et dans sa masse fondue.

Le germanium est très dur mais extrêmement cassant et se brise en petits morceaux à l'impact. Cependant, à l'aide d'une scie à diamant ou d'autres appareils, il peut être coupé en fines tranches. L'industrie nationale produit du germanium allié avec conductivité électronique diverses nuances avec une résistivité de 0,003 à 45 ohm NS cm et du germanium allié à une conductivité électrique des trous avec une résistivité de 0,4 à 5,5 ohm NS cm et plus. La résistance spécifique du germanium pur à température ambiante ρ = 60 ohm NS cm.

Le germanium en tant que matériau semi-conducteur est largement utilisé non seulement pour les diodes et les triodes, il est utilisé pour fabriquer des redresseurs de puissance pour les courants élevés, divers capteurs utilisés pour mesurer l'intensité du champ magnétique, des thermomètres à résistance pour les basses températures, etc.

Silicium largement répandu dans la nature. Comme le germanium, il fait partie du quatrième groupe du système d'éléments de Mendeleïev et possède la même structure cristalline (cubique). Le silicium poli prend l'éclat métallique de l'acier.

Le silicium ne se produit pas naturellement à l'état libre, bien qu'il soit le deuxième élément le plus abondant sur Terre, formant la base du quartz et d'autres minéraux. Le silicium peut être isolé sous sa forme élémentaire par réduction à haute température du carbone SiO2. Dans le même temps, la pureté du silicium après traitement à l'acide est d'environ 99,8%, et pour les dispositifs instrumentaux à semi-conducteurs sous cette forme, il n'est pas utilisé.

Le silicium de haute pureté est obtenu à partir de ses composés volatils préalablement bien purifiés (halogénures, silanes) soit par leur réduction à haute température avec du zinc ou de l'hydrogène, soit par leur décomposition thermique. Libéré au cours de la réaction, le silicium se dépose sur les parois de la chambre de réaction ou sur un élément chauffant spécial — le plus souvent sur une tige en silicium de haute pureté.

Riz. 2. Silicium

Comme le germanium, le silicium est cassant. Son point de fusion est nettement supérieur à celui du germanium : 1423°C. La résistance du silicium pur à température ambiante ρ = 3 NS 105 ohm-voir

Le point de fusion du silicium étant bien supérieur à celui du germanium, le creuset en graphite est remplacé par un creuset en quartz, car le graphite à haute température peut réagir avec le silicium pour former du carbure de silicium. De plus, les contaminants de graphite peuvent pénétrer dans le silicium fondu.

L'industrie produit du silicium dopé semi-conducteur avec une conductivité électronique (différentes qualités) avec une résistivité de 0,01 à 35 ohm x cm et une conductivité des trous également de différentes qualités avec une résistivité de 0,05 à 35 ohm x cm.

Le silicium, comme le germanium, est largement utilisé dans la fabrication de nombreux dispositifs semi-conducteurs.Dans le redresseur au silicium, des tensions inverses et des températures de fonctionnement plus élevées (130 - 180 ° C) sont atteintes que dans les redresseurs au germanium (80 ° C). La pointe et le plan sont en silicium diodes et triodes, cellules photoélectriques et autres dispositifs à semi-conducteurs.

En figue. 3 montre les dépendances de la résistance du germanium et du silicium des deux types sur la concentration d'impuretés en eux.

Riz. 3. Influence de la concentration d'impuretés sur la résistance du germanium et du silicium à température ambiante : 1 — silicium, 2 — germanium

Les courbes de la figure montrent que les impuretés ont un effet énorme sur la résistance : en germanium, elle passe de la valeur de résistance interne de 60 ohm x cm à 10-4 ohm x cm, c'est-à-dire de 5 x 105 fois, et pour silicium par 3 x 103 à 10-4 ohm x cm, c'est-à-dire dans 3 x 109 une fois.

En tant que matériau pour la production de résistances non linéaires, le matériau polycristallin est particulièrement largement utilisé - le carbure de silicium.

Riz. 4. Carbure de silicium

Les limiteurs de soupape pour les lignes électriques sont en carbure de silicium - des dispositifs qui protègent la ligne électrique contre les surtensions. Dans ceux-ci, des disques constitués d'un semi-conducteur non linéaire (carbure de silicium) transmettent le courant à la terre sous l'action des ondes de surtension se produisant dans la ligne. En conséquence, le fonctionnement normal de la ligne est rétabli. A la tension de fonctionnement, les lignes de résistance de ces disques augmentent et le courant de fuite de la ligne à la masse s'arrête.

Le carbure de silicium est produit artificiellement - par traitement thermique d'un mélange de sable de quartz avec du charbon à haute température (2000 ° C).

Selon les additifs introduits, deux principaux types de carbure de silicium se forment : vert et noir.Ils diffèrent les uns des autres par le type de conductivité électrique, à savoir: le carbure de silicium vert jette une conductivité électrique de type n et le noir - avec une conductivité de type p.

Pour restricteurs de soupape le carbure de silicium est utilisé pour produire des disques d'un diamètre de 55 à 150 mm et d'une hauteur de 20 à 60 mm. Dans une butée de soupape, des disques en carbure de silicium sont connectés en série entre eux et avec des éclateurs. Le système composé de disques et de bougies est comprimé par un ressort hélicoïdal. Avec un boulon, le parafoudre est relié à conducteur de ligne électrique, et ° C l'autre côté du parafoudre est relié par un fil à la terre. Toutes les pièces du fusible sont placées dans un boîtier en porcelaine.

À une tension de ligne de transmission normale, la vanne ne laisse pas passer le courant de ligne. À des tensions accrues (surtensions) créées par l'électricité atmosphérique ou des surtensions internes, des éclateurs sont créés et les disques de soupape seront sous haute tension.

Leur résistance chutera fortement, ce qui assurera une fuite de courant de la ligne à la terre. Le courant élevé passé réduira la tension à la normale et la résistance dans les disques de soupape augmentera. La vanne sera fermée, c'est-à-dire que le courant de fonctionnement de la ligne ne leur sera pas transmis.

Le carbure de silicium est également utilisé dans les redresseurs à semi-conducteurs fonctionnant à des températures de fonctionnement élevées (jusqu'à 500 ° C).