सेमीकंडक्टर सामग्री - जर्मेनियम और सिलिकॉन

अर्धचालक सामग्रियों के एक विशाल क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करते हैं जो एक दूसरे से भिन्न विद्युत और भौतिक गुणों के साथ-साथ रासायनिक संरचना की एक विस्तृत विविधता के साथ भिन्न होते हैं, जो उनके तकनीकी उपयोग में विभिन्न उद्देश्यों को निर्धारित करता है।

रासायनिक प्रकृति से, आधुनिक अर्धचालक पदार्थों को निम्नलिखित चार मुख्य समूहों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

1. एक तत्व के परमाणुओं या अणुओं से बने क्रिस्टलीय अर्धचालक पदार्थ। ऐसी सामग्री वर्तमान में व्यापक रूप से जर्मेनियम, सिलिकॉन, सेलेनियम, बोरॉन, सिलिकॉन कार्बाइड इत्यादि का उपयोग करती है।

2. ऑक्साइड क्रिस्टलीय अर्धचालक सामग्री, अर्थात धातु ऑक्साइड सामग्री। मुख्य हैं: कॉपर ऑक्साइड, जिंक ऑक्साइड, कैडमियम ऑक्साइड, टाइटेनियम डाइऑक्साइड, निकल ऑक्साइड, आदि। इस समूह में विभिन्न छोटे एडिटिव्स के साथ बेरियम टाइटेनेट, स्ट्रोंटियम, जिंक और अन्य अकार्बनिक यौगिकों पर आधारित सामग्री भी शामिल है।

3. मेंडेलीव के तत्वों की प्रणाली के तीसरे और पांचवें समूहों के परमाणुओं के यौगिकों पर आधारित क्रिस्टलीय अर्धचालक सामग्री। ऐसी सामग्रियों के उदाहरण हैं इंडियम, गैलियम और एल्यूमीनियम एंटीमोनाइड्स, यानी।इंडियम, गैलियम और एल्यूमीनियम के साथ सुरमा के यौगिक। इन्हें इंटरमेटेलिक यौगिक कहा जाता था।

4. एक ओर सल्फर, सेलेनियम और टेल्यूरियम के यौगिकों पर आधारित क्रिस्टलीय अर्धचालक सामग्री और दूसरी ओर तांबा, कैडमियम और सुअर सीए। ऐसे यौगिकों को क्रमशः कहा जाता है: सल्फाइड, सेलेनाइड्स और टेलराइड्स।

जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, सभी अर्धचालक पदार्थों को क्रिस्टल संरचना द्वारा दो समूहों में विभाजित किया जा सकता है। कुछ सामग्री बड़े एकल क्रिस्टल (एकल क्रिस्टल) के रूप में बनाई जाती है, जिसमें से विभिन्न आकारों की प्लेटों को रेक्टीफायर्स, एम्पलीफायरों, फोटोकल्स में उपयोग के लिए निश्चित क्रिस्टल दिशाओं में काटा जाता है।

ऐसी सामग्री एकल क्रिस्टल अर्धचालकों का समूह बनाती है... सबसे आम एकल क्रिस्टल सामग्री जर्मेनियम और सिलिकॉन हैं। सिलिकॉन कार्बाइड के एकल क्रिस्टल, इंटरमेटेलिक यौगिकों के एकल क्रिस्टल के उत्पादन के लिए तरीके विकसित किए गए हैं।

अन्य अर्धचालक पदार्थ बहुत छोटे क्रिस्टल का मिश्रण होते हैं जिन्हें बेतरतीब ढंग से मिलाप किया जाता है। ऐसी सामग्री कहलाती है पॉलीक्रिस्टलाइन... पॉलीक्रिस्टलाइन सेमीकंडक्टर सामग्री के प्रतिनिधि सेलेनियम और सिलिकॉन कार्बाइड हैं, साथ ही सिरेमिक तकनीक का उपयोग करके विभिन्न ऑक्साइड से बने पदार्थ भी हैं।

व्यापक रूप से प्रयुक्त अर्धचालक पदार्थों पर विचार करें।

जर्मेनियम - तत्वों की मेंडेलीव की आवधिक प्रणाली के चौथे समूह का एक तत्व। जर्मेनियम में एक चमकदार चांदी का रंग होता है। जर्मेनियम का गलनांक 937.2°C होता है। यह प्राय: प्रकृति में पाया जाता है, लेकिन बहुत कम मात्रा में। जर्मेनियम की उपस्थिति जस्ता अयस्कों और विभिन्न कोयले की राख में पाई जाती है। जर्मेनियम उत्पादन का मुख्य स्रोत कोयले की राख और धातुकर्म संयंत्रों से अपशिष्ट है।

चावल। 1. जर्मेनियम

कई रासायनिक क्रियाओं के परिणामस्वरूप प्राप्त जर्मेनियम पिंड, अभी तक अर्धचालक उपकरणों के निर्माण के लिए उपयुक्त पदार्थ नहीं है। इसमें अघुलनशील अशुद्धियाँ होती हैं, यह अभी तक एक भी क्रिस्टल नहीं है, और इसमें एक योजक पेश नहीं किया गया है जो आवश्यक प्रकार की विद्युत चालकता निर्धारित करता है।

यह व्यापक रूप से अघुलनशील अशुद्धियों के ज़ोन पिघलने की विधि से पिंड को साफ करने के लिए उपयोग किया जाता है। इस विधि का उपयोग केवल उन अशुद्धियों को दूर करने के लिए किया जा सकता है जो किसी दिए गए ठोस अर्धचालक में और उसके पिघलने में अलग-अलग घुलते हैं।

जर्मेनियम बहुत कठोर लेकिन बेहद भंगुर होता है और प्रभाव में छोटे टुकड़ों में टूट जाता है। हालाँकि, हीरे की आरी या अन्य उपकरणों का उपयोग करके इसे पतले स्लाइस में काटा जा सकता है। घरेलू उद्योग मिश्रित जर्मेनियम का उत्पादन करता है इलेक्ट्रॉनिक चालकता 0.003 से 45 ओम एनएस सेमी प्रतिरोधकता के साथ विभिन्न ग्रेड और 0.4 से 5.5 ओम एनएस सेमी और ऊपर प्रतिरोधकता के साथ छिद्रों की विद्युत चालकता के साथ जर्मेनियम मिश्र धातु। कमरे के तापमान ρ = 60 ओम एनएस सेमी पर शुद्ध जर्मेनियम का विशिष्ट प्रतिरोध।

सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में जर्मेनियम का व्यापक रूप से न केवल डायोड और ट्रायोड के लिए उपयोग किया जाता है, इसका उपयोग उच्च धाराओं के लिए पावर रेक्टीफायर बनाने के लिए किया जाता है, चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले विभिन्न सेंसर, कम तापमान के लिए प्रतिरोध थर्मामीटर इत्यादि।

सिलिकॉन व्यापक रूप से प्रकृति में वितरित किया जाता है। यह, जर्मेनियम की तरह, तत्वों के मेंडेलीव प्रणाली के चौथे समूह का एक तत्व है और इसमें एक ही क्रिस्टल (क्यूबिक) संरचना है। पॉलिश किया हुआ सिलिकॉन स्टील की धात्विक चमक ग्रहण कर लेता है।

सिलिकॉन स्वाभाविक रूप से मुक्त अवस्था में नहीं होता है, हालांकि यह पृथ्वी पर दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है, जो क्वार्ट्ज और अन्य खनिजों का आधार बनता है। SiO2 कार्बन के उच्च तापमान में कमी से सिलिकॉन को उसके मौलिक रूप में अलग किया जा सकता है। साथ ही, एसिड उपचार के बाद सिलिकॉन की शुद्धता ~ 99.8% है, और इस रूप में अर्धचालक यंत्र उपकरणों के लिए इसका उपयोग नहीं किया जाता है।

उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन को इसके पहले अच्छी तरह से शुद्ध किए गए वाष्पशील यौगिकों (हैलाइड्स, सिलेन) से प्राप्त किया जाता है, या तो जस्ता या हाइड्रोजन के साथ उनके उच्च तापमान में कमी या उनके थर्मल अपघटन द्वारा। प्रतिक्रिया के दौरान जारी सिलिकॉन को प्रतिक्रिया कक्ष की दीवारों पर या एक विशेष ताप तत्व पर जमा किया जाता है - अक्सर उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन से बने रॉड पर।

चावल। 2. सिलिकॉन

जर्मेनियम की तरह, सिलिकॉन भंगुर है। इसका गलनांक जर्मेनियम की तुलना में काफी अधिक है: 1423 ° C। कमरे के तापमान पर शुद्ध सिलिकॉन का प्रतिरोध ρ = 3 NS 105 ओम-देखें

चूंकि सिलिकॉन का गलनांक जर्मेनियम की तुलना में बहुत अधिक है, इसलिए ग्रेफाइट क्रूसिबल को क्वार्ट्ज क्रूसिबल से बदल दिया जाता है, क्योंकि उच्च तापमान पर ग्रेफाइट सिलिकॉन के साथ सिलिकॉन कार्बाइड बनाने के लिए प्रतिक्रिया कर सकता है। इसके अतिरिक्त, ग्रेफाइट संदूषक पिघले हुए सिलिकॉन में प्रवेश कर सकते हैं।

उद्योग 0.01 से 35 ओम x सेमी प्रतिरोधकता के साथ इलेक्ट्रॉनिक चालकता (विभिन्न ग्रेड) के साथ सेमीकंडक्टर डोप्ड सिलिकॉन का उत्पादन करता है और 0.05 से 35 ओम x सेमी प्रतिरोधकता के साथ विभिन्न ग्रेड की छेद चालकता भी है।

सिलिकॉन, जर्मेनियम की तरह, कई अर्धचालक उपकरणों के निर्माण में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।जर्मेनियम रेक्टीफायर्स (80 डिग्री सेल्सियस) की तुलना में सिलिकॉन रेक्टीफायर में उच्च रिवर्स वोल्टेज और ऑपरेटिंग तापमान (130 - 180 डिग्री सेल्सियस) प्राप्त होते हैं। बिंदु और तल सिलिकॉन से बने होते हैं डायोड और ट्रायोड, फोटोकल्स, और अन्य अर्धचालक उपकरण।

अंजीर में। 3 उनमें अशुद्धियों की सांद्रता पर दोनों प्रकार के जर्मेनियम और सिलिकॉन के प्रतिरोध की निर्भरता को दर्शाता है।

चावल। 3. कमरे के तापमान पर जर्मेनियम और सिलिकॉन के प्रतिरोध पर अशुद्धियों की एकाग्रता का प्रभाव: 1 - सिलिकॉन, 2 - जर्मेनियम

आकृति में घटता दिखाता है कि अशुद्धियों का प्रतिरोध पर बहुत बड़ा प्रभाव पड़ता है: जर्मेनियम में, यह 60 ओम x सेमी के आंतरिक प्रतिरोध मान से 10-4 ओम x सेमी, यानी 5 x 105 गुना और के लिए बदलता है सिलिकॉन 3 x 103 से 10-4 ओम x सेमी, यानी 3 x 109 में एक बार।

गैर-रैखिक प्रतिरोधकों के उत्पादन के लिए एक सामग्री के रूप में, पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री विशेष रूप से व्यापक रूप से उपयोग की जाती है - सिलिकॉन कार्बाइड।

चावल। 4. सिलिकॉन कार्बाइड

बिजली लाइनों के लिए वाल्व लिमिटर्स सिलिकॉन कार्बाइड से बने होते हैं - ऐसे उपकरण जो बिजली लाइन को ओवरवॉल्टेज से बचाते हैं। उनमें, एक गैर-रैखिक अर्धचालक (सिलिकॉन कार्बाइड) से बने डिस्क लाइन में होने वाली सर्ज तरंगों की क्रिया के तहत जमीन से होकर गुजरते हैं। नतीजतन, लाइन का सामान्य संचालन बहाल हो जाता है। ऑपरेटिंग वोल्टेज पर, इन डिस्क के प्रतिरोध की रेखाएँ बढ़ जाती हैं और लाइन से जमीन तक का रिसाव बंद हो जाता है।

उच्च तापमान (2000 डिग्री सेल्सियस) पर कोयले के साथ क्वार्ट्ज रेत के मिश्रण के गर्मी उपचार से - सिलिकॉन कार्बाइड का उत्पादन कृत्रिम रूप से किया जाता है।

पेश किए गए एडिटिव्स के आधार पर, दो मुख्य प्रकार के सिलिकॉन कार्बाइड बनते हैं: हरा और काला।वे विद्युत चालकता के प्रकार में एक दूसरे से भिन्न होते हैं, अर्थात्: हरी सिलिकॉन कार्बाइड एन-प्रकार की विद्युत चालकता, और काली - पी-प्रकार की चालकता के साथ फेंकता है।

के लिए वाल्व प्रतिबंधक सिलिकॉन कार्बाइड का उपयोग 55 से 150 मिमी के व्यास और 20 से 60 मिमी की ऊंचाई के साथ डिस्क बनाने के लिए किया जाता है। वाल्व स्टॉप में, सिलिकॉन कार्बाइड डिस्क एक दूसरे के साथ श्रृंखला में और स्पार्क अंतराल के साथ जुड़े हुए हैं। डिस्क और स्पार्क प्लग वाली प्रणाली को कॉइल स्प्रिंग द्वारा संकुचित किया जाता है। बन्दी बोल्ट के साथ जुड़ा हुआ है बिजली लाइन कंडक्टर, और ° C बन्दी का दूसरा भाग एक तार द्वारा जमीन से जुड़ा होता है। फ़्यूज़ के सभी भागों को एक चीनी मिट्टी के बरतन मामले में रखा गया है।

सामान्य ट्रांसमिशन लाइन वोल्टेज पर, वाल्व लाइन करंट पास नहीं करता है। वायुमंडलीय बिजली या आंतरिक उछाल द्वारा बनाए गए बढ़े हुए वोल्टेज (वृद्धि) पर, स्पार्क गैप बनाए जाते हैं और वाल्व डिस्क उच्च वोल्टेज के अधीन होंगे।

उनका प्रतिरोध तेजी से गिरेगा, जो लाइन से जमीन तक वर्तमान रिसाव को सुनिश्चित करेगा। पारित उच्च धारा वोल्टेज को सामान्य कर देगी और वाल्व डिस्क में प्रतिरोध बढ़ जाएगा। वाल्व बंद हो जाएगा, यानी लाइन का ऑपरेटिंग करंट उन्हें प्रेषित नहीं किया जाएगा।

उच्च ऑपरेटिंग तापमान (500 डिग्री सेल्सियस तक) पर चलने वाले सेमीकंडक्टर रेक्टीफायर्स में सिलिकॉन कार्बाइड का भी उपयोग किया जाता है।