Полупроводники составляют необъятную область материалов, отличающихся друг от друга огромным разнообразием электронных и физических параметров, также огромным разнообразием хим состава, что и определяет разные предназначения при их техническом использовании.

По хим природе современные полупроводниковые материалы можно поделить на последующие четыре главные группы:

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов либо молекул 1-го элемента. Такими материалами являются обширно применяемые в данное время германий, кремний, селен, бор, карбид кремния и др.

2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т. е. материалы из окислов металлов. Главные из их: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана, окись никеля и др. В эту же группу входят материалы, изготовляемые на базе титаната бария, стронция, цинка, и другие неорганические соединения с разными малыми добавками.

3. Кристаллические полупроводниковые материалы на базе соединений атомов третьей и пятой групп системы частей Менделеева. Примерами таких материалов являются антимониды индия, галлия и алюминия, т. е. соединения сурьмы с индием, галлием и алюминием. Они получили наименование интерметаллических соединений.

4. Кристаллические полупроводниковые материалы на базе соединений серы, селена и теллура с одной стороны и меди, кадмия и свинца с другой. Такие соединения именуются соответственно: сульфидами, селенидами и теллуридами.

Все полупроводниковые материалы, как уже говорилось, могут быть распределены по кристаллической структуре на две группы. Одни материалы изготовляются в виде огромных одиночных кристаллов (монокристаллов), из которых вырезают по определенным кристаллическим фронтам пластинки разных размеров для использования их в выпрямителях, усилителях, фотоэлементах.

Такие материалы составляют группу монокристаллических полупроводников. Более всераспространенными монокристаллическими материалами являются германий и кремний. Разработаны способы производства монокристаллов и из карбида кремния, монокристаллы из интерметаллических соединений.

Другие полупроводниковые материалы представляют собой смесь огромного количества малых кристалликов, хаотично спаянных вместе. Такие материалы именуются поликристаллическими. Представителями поликристаллических полупроводниковых материалов являются селен и карбид кремния, также материалы, изготовляемые из разных окислов способами глиняной технологии.

Разглядим обширно используемые полупроводниковые материалы.

Германий— элемент четвертой группы повторяющейся системы частей Менделеева. Германий имеет ярко-серебристый цвет. Температура плавления германия 937,2° С. В природе он встречается нередко, но в очень малых количествах. Присутствие германия найдено в цинковых рудах и в золах различных углей. Главным источником получения германия является зола углей и отходы металлургических заводов.

Рис. 1. Германий

Приобретенный в итоге ряда хим операций слиток германия еще не представляет собой вещества, применимого для производства из него полупроводниковых устройств. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена легирующая примесь, обусловливающая нужный вид электропроводности.

Для чистки слитка от нерастворимых примесей обширно применяется способ зонной плавки. Этим способом могут быть удалены только те примеси, которые различно растворяются в данном жестком полупроводнике и в его расплаве.

Германий обладает большой твердостью, но очень хрупок и раскалывается на маленькие кусочки при ударах. Но с помощью алмазной пилы либо других устройств его можно распилить на тонкие пластинки. Российскей индустрией изготовляется легированный германий с электрической электропроводностью разных марок с удельным сопротивлением от 0,003 до 45 ом х см и германий легированный с дырочной электропроводностью с удельным сопротивлением от 0,4 до 5,5 ом х см и выше. Удельное же сопротивление незапятнанного германия при комнатной температуре ρ = 60 ом х см.

Германий как полупроводниковый материал обширно употребляется не только лишь для диодов и триодов, из него изготовляются массивныевыпрямители на огромные токи, разные датчики, используемые для измерения напряженности магнитного поля, указатели температуры сопротивления для низких температур и др.

Кремний обширно всераспространен в природе. Он, как и германий, является элементом четвертой группы системы частей Менделеева и имеет такую же кристаллическую (кубическую) структуру. Полированный кремний приобретает железный сияние стали.

Рис. 2. Кремний

Как и германий, кремний обладает хрупкостью. Его температура плавления существенно выше, чем у германия: 1423° С. Удельное сопротивление незапятнанного кремния при комнатной температуре ρ = 3 х 10⁵ ом-см.

Потому что температура плавления кремния существенно выше, чем у германия, то тигель из графита подменяют кварцевым, потому что графит при высочайшей температуре может реагировать с кремнием и создавать карбид кремния. Не считая того, в расплавленный кремний могут попасть из графита загрязняющие примеси.

Индустрией выпускается полупроводниковый легированный кремний с электрической электропроводностью (разных марок) с удельным сопротивлением от 0,01 до 35 ом х см и с дырочной электропроводностью тоже разных марок с удельным сопротивлением от 0,05 до 35 ом х см.

Кремний, как и германий, обширно применяется для производства бессчетных полупроводниковых устройств. В кремниевом выпрямителе достигаются более высочайшие оборотные напряжения и рабочая температура (130 — 180°С), чем в германиевых выпрямителях (80°С). Из кремния изготовляют точечные и плоскостные диоды и триоды, фотоэлементы и другие полупроводниковые приборы.

На рис. 3 показаны зависимости величин удельного сопротивления германия и кремния обоих типов от концентрации легирующих примесей в их.

Рис. 3. Воздействие концентрации примесей на величину удельного сопротивления германия и кремния при комнатной температуре: 1 — кремний, 2 — германий

Кривые на рисунке демонстрируют, что легирующие примеси оказывают большущее воздействие на величину удельного сопротивления: у германия оно меняется о г величины собственного сопротивления 60 ом х см до 10^-4 ом х см, т. е. в 5 х 10⁵ раз, а у кремния с 3 х 10³ до 10^-4 ом х см, т. е. в 3 х 10⁹ раз.

В качестве материала для производства нелинейных сопротивлений в особенности обширное применение получил поликристаллический материал — карбид кремния.

Рис. 4. Карбид кремния

Из карбида кремния изготовляют вентильные разрядники для линий электропередачи — устройства, защищающие линию электропередачи от перенапряжений. В их диски из нелинейного полупроводника (карбида кремния) пропускают ток на землю под действием волн перенапряжений, возникающих в полосы. В итоге этого восстанавливается обычная работа полосы. При рабочем же напряжении полосы сопротивления этих дисков растут и ток утечки с полосы на землю прекращается.

Карбид кремния получают искусственно — методом термический обработки консистенции кварцевого песка с углем при высочайшей температуре (2000°С).

Зависимо от введенных легирующих примесей образуются два главных вида карбида кремния: зеленоватый и темный. Они отличаются друг, от друга по типу электропроводности, а конкретно: зеленоватый карбид кремния обкидает электропроводностью n-типа, а темный — электропроводностью р-типа.

Для вентильных разрядников из карбида кремния изготовляются диски поперечником от 55 до 150 мм и высотой от 20 до 60 мм. В вентильном разряднике диски из карбида кремния соединяются поочередно вместе и с искровыми промежутками. Система, состоящая из дисков и искровых промежутков, сжимается спиральной пружиной. При помощи болта разрядник присоединяется к проводу полосы электропередачи, а c другой стороны разрядник соединяется проводом с землей. Все детали разрядника помещены в фарфоровый корпус.

При обычном напряжении на полосы передачи ток с полосы вентиль не пропускает. При завышенных же напряжениях (перенапряжениях), создаваемых атмосферным электричеством, либо внутренних перенапряжениях искровые промежутки пробиваются и диски вентиля окажутся под высочайшим напряжением.

Сопротивление их резко свалится, что обеспечит утечку тока с полосы на землю. Прошедший большой ток понизит напряжение до обычного и в дисках вентиля сопротивление вырастет. Вентиль окажется запертым, т. е. рабочий ток полосы им пропускаться не будет.

Карбид кремния находит еще применение в полупроводниковых выпрямителях, работающих при огромных рабочих температурах (до 500°С).

Школа для электрика