सेमीकंडक्टर साहित्य - जर्मेनियम आणि सिलिकॉन

सेमीकंडक्टर विविध प्रकारच्या विद्युतीय आणि भौतिक गुणधर्मांसह, तसेच विविध प्रकारच्या रासायनिक रचनांसह एकमेकांपासून भिन्न असलेल्या सामग्रीच्या विस्तृत क्षेत्राचे प्रतिनिधित्व करतात, जे त्यांच्या तांत्रिक वापरामध्ये भिन्न हेतू निर्धारित करतात.

रासायनिक स्वरूपानुसार, आधुनिक सेमीकंडक्टर सामग्रीचे खालील चार मुख्य गटांमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते:

1. एका घटकाच्या अणू किंवा रेणूंनी बनलेले क्रिस्टलीय अर्धसंवाहक साहित्य. अशा सामग्रीचा सध्या मोठ्या प्रमाणावर वापर जर्मेनियम, सिलिकॉन, सेलेनियम, बोरॉन, सिलिकॉन कार्बाइड इ.

2. ऑक्साइड क्रिस्टलीय अर्धसंवाहक साहित्य, म्हणजे. मेटल ऑक्साईड साहित्य. मुख्य म्हणजे: कॉपर ऑक्साईड, झिंक ऑक्साईड, कॅडमियम ऑक्साईड, टायटॅनियम डायऑक्साइड, निकेल ऑक्साईड इ. या गटामध्ये बेरियम टायटेनेट, स्ट्रॉन्टियम, जस्त आणि विविध लहान ऍडिटीव्हसह इतर अजैविक यौगिकांवर आधारित सामग्री देखील समाविष्ट आहे.

3. मेंडेलीव्हच्या घटकांच्या प्रणालीच्या तिसऱ्या आणि पाचव्या गटातील अणूंच्या संयुगांवर आधारित क्रिस्टलीय अर्धसंवाहक साहित्य. अशा पदार्थांची उदाहरणे म्हणजे इंडियम, गॅलियम आणि अॅल्युमिनियम अँटीमोनाइड्स, म्हणजे.इंडियम, गॅलियम आणि अॅल्युमिनियमसह अँटीमोनीची संयुगे. त्यांना इंटरमेटॅलिक संयुगे असे म्हणतात.

4. एकीकडे सल्फर, सेलेनियम आणि टेल्युरियम आणि दुसरीकडे तांबे, कॅडमियम आणि डुक्कर Ca यांच्या संयुगांवर आधारित स्फटिकासारखे अर्धसंवाहक साहित्य. अशा संयुगांना अनुक्रमे म्हणतात: सल्फाइड्स, सेलेनाइड्स आणि टेल्युराइड्स.

सर्व अर्धसंवाहक साहित्य, आधीच नमूद केल्याप्रमाणे, क्रिस्टल स्ट्रक्चरद्वारे दोन गटांमध्ये विभागले जाऊ शकते. काही सामग्री मोठ्या सिंगल क्रिस्टल्स (सिंगल क्रिस्टल्स) च्या स्वरूपात बनविली जाते, ज्यामधून रेक्टिफायर्स, अॅम्प्लीफायर्स, फोटोसेलमध्ये वापरण्यासाठी विविध आकारांच्या प्लेट्स विशिष्ट क्रिस्टल दिशानिर्देशांमध्ये कापल्या जातात.

अशी सामग्री सिंगल क्रिस्टल सेमीकंडक्टरचा समूह बनवते... सर्वात सामान्य सिंगल क्रिस्टल मटेरियल जर्मेनियम आणि सिलिकॉन आहेत. सिलिकॉन कार्बाइडचे सिंगल क्रिस्टल्स, इंटरमेटॅलिक कंपाऊंड्सचे सिंगल क्रिस्टल्स तयार करण्यासाठी RM पद्धती विकसित केल्या गेल्या आहेत.

इतर सेमीकंडक्टर सामग्री यादृच्छिकपणे एकत्र केलेल्या अगदी लहान क्रिस्टल्सचे मिश्रण आहे. अशा पदार्थांना पॉलीक्रिस्टलाइन म्हणतात... पॉलीक्रिस्टलाइन सेमीकंडक्टर सामग्रीचे प्रतिनिधी म्हणजे सेलेनियम आणि सिलिकॉन कार्बाइड, तसेच सिरॅमिक तंत्रज्ञानाचा वापर करून विविध ऑक्साईडपासून बनविलेले साहित्य.

मोठ्या प्रमाणात वापरल्या जाणार्‍या सेमीकंडक्टर सामग्रीचा विचार करा.

जर्मेनियम - मेंडेलीव्हच्या घटकांच्या नियतकालिक प्रणालीच्या चौथ्या गटाचा एक घटक. जर्मेनियममध्ये चमकदार चांदीचा रंग आहे. जर्मेनियमचा वितळण्याचा बिंदू 937.2 डिग्री सेल्सिअस आहे. तो अनेकदा निसर्गात आढळतो, परंतु फार कमी प्रमाणात. जर्मेनियमची उपस्थिती जस्त धातूंमध्ये आणि विविध निखाऱ्यांच्या राखमध्ये आढळते. जर्मेनियम उत्पादनाचा मुख्य स्त्रोत कोळशाची राख आणि मेटलर्जिकल प्लांटमधील कचरा आहे.

तांदूळ. 1. जर्मेनियम

बर्‍याच रासायनिक ऑपरेशन्सच्या परिणामी प्राप्त झालेले जर्मेनियम इंगॉट, अद्याप त्यापासून सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीसाठी योग्य पदार्थ नाही. त्यात अघुलनशील अशुद्धता आहेत, अद्याप एकच क्रिस्टल नाही आणि त्यात समाविष्ट केलेले नाही जे आवश्यक प्रकारचे विद्युत चालकता निर्धारित करते.

अघुलनशील अशुद्धता क्षेत्र वितळण्याच्या पद्धतीपासून पिंड स्वच्छ करण्यासाठी मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते... या पद्धतीचा वापर केवळ त्या अशुद्धता काढून टाकण्यासाठी केला जाऊ शकतो जो दिलेल्या घन अर्धसंवाहक आणि त्याच्या वितळण्यात वेगळ्या पद्धतीने विरघळतो.

जर्मेनियम खूप कठीण पण अत्यंत ठिसूळ आहे आणि आघाताने त्याचे लहान तुकडे होतात. तथापि, डायमंड सॉ किंवा इतर उपकरणांचा वापर करून, त्याचे पातळ तुकडे केले जाऊ शकतात. घरगुती उद्योग मिश्र धातुयुक्त जर्मेनियम तयार करतो इलेक्ट्रॉनिक चालकता 0.003 ते 45 ohm NS cm आणि 0.4 ते 5.5 ohm NS cm आणि त्याहून अधिक प्रतिरोधकतेसह छिद्रांच्या विद्युत चालकतेसह जर्मेनियम मिश्र धातु असलेले विविध ग्रेड. खोलीच्या तपमानावर शुद्ध जर्मेनियमचा विशिष्ट प्रतिकार ρ = 60 ohm NS cm.

सेमीकंडक्टर मटेरियल म्हणून जर्मेनियमचा वापर केवळ डायोड्स आणि ट्रायोड्ससाठीच केला जात नाही, तर त्याचा वापर उच्च प्रवाहांसाठी पॉवर रेक्टिफायर, चुंबकीय क्षेत्राची ताकद मोजण्यासाठी वापरले जाणारे विविध सेन्सर्स, कमी तापमानासाठी प्रतिरोधक थर्मामीटर इ.

सिलिकॉन मोठ्या प्रमाणावर निसर्गात वितरीत केले जाते. हे, जर्मेनियम प्रमाणे, घटकांच्या मेंडेलीव्ह प्रणालीच्या चौथ्या गटातील एक घटक आहे आणि त्याच क्रिस्टल (क्यूबिक) रचना आहे. पॉलिश सिलिकॉन स्टीलची धातूची चमक घेते.

सिलिकॉन मुक्त अवस्थेत नैसर्गिकरित्या आढळत नाही, जरी तो पृथ्वीवरील दुसरा सर्वात मुबलक घटक आहे, जो क्वार्ट्ज आणि इतर खनिजांचा आधार बनतो. SiO2 कार्बनच्या उच्च-तापमानात घट करून सिलिकॉनला त्याच्या मूलभूत स्वरूपात वेगळे केले जाऊ शकते. त्याच वेळी, ऍसिड उपचारानंतर सिलिकॉनची शुद्धता ~ 99.8% आहे आणि या फॉर्ममधील सेमीकंडक्टर इन्स्ट्रुमेंटल उपकरणांसाठी, ते वापरले जात नाही.

उच्च-शुद्धता सिलिकॉन त्याच्या पूर्वीच्या चांगल्या प्रकारे शुद्ध केलेल्या वाष्पशील संयुगे (हॅलाइड्स, सायलेन्स) पासून एकतर त्यांच्या झिंक किंवा हायड्रोजनसह उच्च-तापमान कमी करून किंवा त्यांच्या थर्मल विघटनाद्वारे प्राप्त होते. प्रतिक्रियेदरम्यान सोडलेले, सिलिकॉन प्रतिक्रिया कक्षाच्या भिंतींवर किंवा विशेष गरम घटकांवर जमा केले जाते - बहुतेकदा उच्च शुद्धता सिलिकॉनच्या रॉडवर.

तांदूळ. 2. सिलिकॉन

जर्मेनियम प्रमाणे, सिलिकॉन ठिसूळ आहे. त्याचा वितळण्याचा बिंदू जर्मेनियमच्या तुलनेत लक्षणीयरीत्या जास्त आहे: 1423 ° से. खोलीच्या तपमानावर शुद्ध सिलिकॉनचा प्रतिकार ρ = 3 NS 105 ohm-see

सिलिकॉनचा वितळण्याचा बिंदू जर्मेनियमच्या तुलनेत खूप जास्त असल्याने, ग्रेफाइट क्रूसिबलची जागा क्वार्ट्ज क्रूसिबलने घेतली आहे, कारण उच्च तापमानात ग्रेफाइट सिलिकॉनवर प्रतिक्रिया देऊन सिलिकॉन कार्बाइड बनवू शकतो. याव्यतिरिक्त, ग्रेफाइट दूषित पदार्थ वितळलेल्या सिलिकॉनमध्ये प्रवेश करू शकतात.

उद्योग 0.01 ते 35 ohm x cm पर्यंत प्रतिरोधकतेसह इलेक्ट्रॉनिक चालकता (विविध ग्रेड) असलेले सेमीकंडक्टर डोपड सिलिकॉन आणि 0.05 ते 35 ohm x cm पर्यंत प्रतिरोधकतेसह विविध ग्रेडची छिद्र चालकता देखील तयार करतो.

सिलिकॉन, जर्मेनियम प्रमाणे, अनेक सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते.सिलिकॉन रेक्टिफायरमध्ये, जर्मेनियम रेक्टिफायर्स (80 ° से) पेक्षा जास्त रिव्हर्स व्होल्टेज आणि ऑपरेटिंग तापमान (130 - 180 ° से) प्राप्त केले जाते. बिंदू आणि विमान सिलिकॉनचे बनलेले आहेत डायोड आणि ट्रायोड्स, फोटोसेल्स आणि इतर सेमीकंडक्टर उपकरणे.

अंजीर मध्ये. 3 जर्मेनियम आणि सिलिकॉनच्या प्रतिकारशक्तीचे अवलंबन दर्शविते दोन्ही प्रकारच्या अशुद्धतेच्या एकाग्रतेवर.

तांदूळ. 3. खोलीच्या तपमानावर जर्मेनियम आणि सिलिकॉनच्या प्रतिकारावर अशुद्धतेच्या एकाग्रतेचा प्रभाव: 1 — सिलिकॉन, 2 — जर्मेनियम

आकृतीतील वक्र दर्शविते की अशुद्धतेचा प्रतिकारशक्तीवर मोठा प्रभाव पडतो: जर्मेनियममध्ये, ते 60 ओम x सेमीच्या अंतर्गत प्रतिरोध मूल्यापासून 10-4 ओम x सेमी, म्हणजेच 5 x 105 पटीने बदलते आणि सिलिकॉन 3 x 103 ते 10-4 ohm x cm, म्हणजे एकदा 3 x 109 मध्ये.

नॉन-रेखीय प्रतिरोधकांच्या उत्पादनासाठी सामग्री म्हणून, पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री विशेषतः मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते - सिलिकॉन कार्बाइड.

तांदूळ. 4. सिलिकॉन कार्बाइड

पॉवर लाईन्ससाठी वाल्व्ह लिमिटर सिलिकॉन कार्बाइडचे बनलेले असतात - अशी उपकरणे जी पॉवर लाइनला ओव्हरव्होल्टेजपासून संरक्षण करतात. त्यामध्ये, नॉन-लीनियर सेमीकंडक्टर (सिलिकॉन कार्बाइड) बनवलेल्या डिस्क रेषेत उद्भवणाऱ्या लाट लहरींच्या कृती अंतर्गत जमिनीवर विद्युत प्रवाह पास करतात. परिणामी, लाइनचे सामान्य ऑपरेशन पुनर्संचयित केले जाते. ऑपरेटिंग व्होल्टेजवर, या डिस्क्सच्या प्रतिकारशक्तीच्या ओळी वाढतात आणि ओळीपासून जमिनीपर्यंत गळतीचा प्रवाह थांबतो.

सिलिकॉन कार्बाइड कृत्रिमरित्या तयार केले जाते - उच्च तापमानात (2000 ° से) कोळशासह क्वार्ट्ज वाळूच्या मिश्रणावर उष्णता उपचार करून.

सादर केलेल्या ऍडिटीव्हच्या आधारावर, सिलिकॉन कार्बाइडचे दोन मुख्य प्रकार तयार होतात: हिरवा आणि काळा.ते विद्युत चालकतेच्या प्रकारात एकमेकांपासून भिन्न आहेत, म्हणजे: ग्रीन सिलिकॉन कार्बाइड एन-प्रकारची विद्युत चालकता फेकते आणि काळा - पी-प्रकार चालकता.

च्या साठी वाल्व प्रतिबंधक सिलिकॉन कार्बाइडचा वापर 55 ते 150 मिमी व्यासाच्या आणि 20 ते 60 मिमी उंचीच्या डिस्क तयार करण्यासाठी केला जातो. व्हॉल्व्ह स्टॉपमध्ये, सिलिकॉन कार्बाइड डिस्क एकमेकांशी आणि स्पार्क गॅपसह मालिकेत जोडल्या जातात. डिस्क आणि स्पार्क प्लग असलेली प्रणाली कॉइल स्प्रिंगद्वारे संकुचित केली जाते. एक बोल्ट सह, अटककर्ता कनेक्ट आहे पॉवर लाइन कंडक्टर, आणि °C ​​अटककर्त्याची दुसरी बाजू जमिनीवर वायरने जोडलेली असते. फ्यूजचे सर्व भाग पोर्सिलेन केसमध्ये ठेवलेले आहेत.

सामान्य ट्रान्समिशन लाइन व्होल्टेजवर, वाल्व लाइन करंट पास करत नाही. वातावरणातील वीज किंवा अंतर्गत वाढीमुळे निर्माण झालेल्या वाढीव व्होल्टेजवर (सर्जेस) स्पार्क गॅप तयार होतात आणि व्हॉल्व्ह डिस्क्स उच्च व्होल्टेजच्या खाली असतील.

त्यांचा प्रतिकार झपाट्याने कमी होईल, जे रेषेपासून जमिनीवर वर्तमान गळती सुनिश्चित करेल. उत्तीर्ण झालेल्या उच्च प्रवाहामुळे व्होल्टेज सामान्य होईल आणि वाल्व डिस्क्समधील प्रतिकार वाढेल. वाल्व बंद केले जाईल, म्हणजेच, ओळीचे ऑपरेटिंग वर्तमान त्यांच्याकडे प्रसारित केले जाणार नाही.

सिलिकॉन कार्बाइड उच्च ऑपरेटिंग तापमानात (500 °C पर्यंत) कार्यरत अर्धसंवाहक रेक्टिफायर्समध्ये देखील वापरले जाते.