半導体材料 - ゲルマニウムとシリコン
半導体は、さまざまな電気的および物理的特性、ならびにさまざまな化学組成を備えた、互いに異なる広大な領域の材料であり、それらによって技術的用途のさまざまな目的が決まります。
化学的性質により、最新の半導体材料は次の 4 つの主要なグループに分類できます。
1. 単一元素の原子または分子で構成される結晶半導体材料。このような材料は、現在広く使用されているゲルマニウム、シリコン、セレン、ボロン、炭化ケイ素などです。
2. 酸化物結晶半導体材料、すなわち金属酸化物材料。主なものは、酸化銅、酸化亜鉛、酸化カドミウム、二酸化チタン、酸化ニッケルなどです。このグループには、チタン酸バリウム、ストロンチウム、亜鉛、およびその他の無機化合物をベースにした材料と、さまざまな少量の添加剤も含まれます。
3. メンデレーエフの元素系の第 3 族と第 5 族の原子の化合物に基づく結晶半導体材料。このような材料の例としては、インジウム、ガリウム、アルミニウムのアンチモン化物、つまりアンチモン化物が挙げられます。アンチモンとインジウム、ガリウム、アルミニウムとの化合物。これらは金属間化合物と呼ばれていました。
4. 一方では硫黄、セレン、テルルの化合物、もう一方では銅、カドミウム、豚の Ca の化合物をベースとした結晶半導体材料。このような化合物は、それぞれ硫化物、セレン化物、テルル化物と呼ばれます。
すでに述べたように、すべての半導体材料は結晶構造によって 2 つのグループに分類できます。一部の材料は大きな単結晶（単結晶）の形で作られ、整流器、増幅器、光電池に使用するために、そこからさまざまなサイズのプレートが特定の結晶方向に切り出されます。
このような材料は単結晶半導体のグループを構成します。最も一般的な単結晶材料はゲルマニウムとシリコンです。炭化ケイ素の単結晶、金属間化合物の単結晶を製造する方法が開発されてきました。
他の半導体材料は、非常に小さな結晶がランダムにはんだ付けされた混合物です。このような材料を多結晶と呼びます... 多結晶半導体材料の代表的なものとしては、セレンや炭化ケイ素のほか、セラミック技術を利用した各種酸化物からなる材料があります。
広く使用されている半導体材料を考えてみましょう。
ゲルマニウム — メンデレーエフの元素周期系の第 4 グループの元素。ゲルマニウムは明るい銀色をしています。ゲルマニウムの融点は937.2℃です。ゲルマニウムは自然界に多く存在しますが、その量は非常に少量です。ゲルマニウムの存在は、亜鉛鉱石やさまざまな石炭の灰の中に存在します。ゲルマニウム生産の主な供給源は石炭灰と冶金工場からの廃棄物です。
米。 1.ゲルマニウム
多くの化学操作の結果として得られるゲルマニウムインゴットは、まだそれから半導体デバイスを製造するのに適した物質ではない。これは不溶性不純物を含み、まだ単結晶ではなく、必要な導電率の種類を決定する添加剤が導入されていません。
これは、不溶性不純物ゾーンメルト法からインゴットを洗浄するために広く使用されています...この方法は、特定の固体半導体とその溶融物で異なる溶解度を示す不純物のみを除去するために使用できます。
ゲルマニウムは非常に硬いですが、非常に脆く、衝撃を受けると粉々に砕けます。ただし、ダイヤモンドソーなどを使用すると、薄くスライスすることができます。国内産業は合金ゲルマニウムを生産しています 電子伝導性 抵抗率が 0.003 ～ 45 オーム NS cm のさまざまなグレードと、抵抗率が 0.4 ～ 5.5 オーム NS cm 以上のホールの導電性を備えたゲルマニウム合金です。室温での純粋なゲルマニウムの比抵抗 ρ = 60 オーム NS cm。
半導体材料としてのゲルマニウムは、ダイオードや三極管だけでなく、大電流用の電力整流器、磁界強度を測定するための各種センサー、低温用の測温抵抗体などに広く使用されています。
自然界に広く分布しているケイ素。ゲルマニウムと同様、メンデレーエフの元素体系の第 4 グループの元素であり、同じ結晶 (立方晶) 構造を持っています。磨かれたシリコンは鋼の金属光沢を帯びます。
ケイ素は、地球上で 2 番目に豊富な元素ですが、石英や他の鉱物の基礎を形成しますが、遊離状態では自然には発生しません。シリコンは、SiO2 炭素の高温還元によって元素の形で単離できます。同時に、酸処理後のシリコンの純度は約99.8%であり、この形態の半導体計器デバイスには使用されません。
高純度のシリコンは、十分に精製された揮発性化合物 (ハロゲン化物、シラン) から、亜鉛または水素による高温還元、または熱分解によって得られます。反応中に放出されたシリコンは、反応チャンバーの壁または特別な加熱要素 (ほとんどの場合、高純度シリコンで作られたロッド) 上に堆積します。
米。 2.シリコン
ゲルマニウムと同様に、シリコンも脆いです。その融点はゲルマニウムの融点よりもかなり高く、1423℃です。室温での純粋なシリコンの抵抗ρ = 3 NS 105 オームを参照してください。
シリコンの融点はゲルマニウムの融点よりもはるかに高いため、グラファイトるつぼは高温でシリコンと反応して炭化ケイ素を形成する可能性があるため、グラファイトるつぼは石英るつぼに置き換えられています。さらに、グラファイト汚染物質が溶融シリコンに侵入する可能性があります。
業界では、抵抗率 0.01 ～ 35 ohm x cm の電子伝導性 (さまざまなグレード) と、抵抗率 0.05 ～ 35 ohm x cm のさまざまなグレードの正孔伝導性を備えた半導体ドープ シリコンが製造されています。
シリコンは、ゲルマニウムと同様、多くの半導体デバイスの製造に広く使用されています。シリコン整流器では、ゲルマニウム整流器 (80 °C) よりも高い逆電圧と動作温度 (130 ～ 180 °C) が達成されます。点と面はシリコン製 ダイオード 三極管、光電池、その他の半導体デバイス。
図では。図３は、両タイプのゲルマニウムとシリコンの抵抗の不純物濃度への依存性を示している。
米。 3. 室温でのゲルマニウムとシリコンの抵抗に対する不純物濃度の影響: 1 - シリコン、2 - ゲルマニウム
図の曲線は、不純物が抵抗に大きな影響を与えることを示しています。ゲルマニウムでは、内部抵抗値が 60 オーム x cm から 10-4 オーム x cm まで、つまり 5 x 105 倍変化します。シリコンを 3 x 103 から 10-4 オーム x cm、つまり 3 x 109 で 1 回。
非線形抵抗器を製造するための材料として、多結晶材料である炭化ケイ素が特に広く使用されています。
米。 4. 炭化ケイ素
電力線用のバルブ リミッターは炭化ケイ素でできており、電力線を過電圧から保護するデバイスです。それらでは、非線形半導体 (炭化ケイ素) で作られたディスクが、線路内で発生するサージ波の作用により電流をグランドに流します。その結果、ラインは通常の動作に戻ります。動作電圧では、これらのディスクの抵抗線が増加し、線路からグランドへの漏れ電流が止まります。
炭化ケイ素は、石炭とケイ砂の混合物を高温（2000℃）で熱処理することによって人工的に生成されます。
導入された添加剤に応じて、緑色と黒色の 2 つの主なタイプの炭化ケイ素が形成されます。それらは導電性のタイプが互いに異なります。つまり、緑色の炭化ケイ素はn型導電性を示し、黒色はp型導電性を示します。
ために バルブリストリクター 炭化ケイ素は、直径 55 ～ 150 mm、高さ 20 ～ 60 mm のディスクの製造に使用されます。バルブストップでは、炭化ケイ素ディスクが互いに直列に、また火花ギャップを介して接続されています。ディスクと点火プラグで構成されるシステムはコイルスプリングによって圧縮されます。避雷器はボルトで接続されています 電力線導体、℃、避雷器の反対側はワイヤーでアースに接続されています。ヒューズのすべての部品は磁器のケースに入れられています。
通常の送電線電圧では、バルブは線電流を流しません。大気電気や内部サージによって電圧（サージ）が上昇すると、スパークギャップが発生し、バルブディスクに高電圧がかかります。
抵抗は急激に低下し、ラインからアースへの電流漏れが確実になります。高電流が流れると電圧が通常の電圧まで低下し、バルブディスク内の抵抗が増加します。バルブは閉じられます。つまり、ラインの動作電流はそれらに伝達されません。
炭化ケイ素は、高い動作温度 (最大 500 °C) で動作する半導体整流器にも使用されます。