Полупроводники.

Германий. Содержание германия в земной коре невелико, около 7 10-4%. В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в диоксид германия (GeO2) – порошок белого цвета. Диоксид германия восстанавливается в водородной печи при температуре 650-700 С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. В некоторых случаях порошок германия получают непосредственно из GeCl4 путем разложения этого соединения при высокой температуре в атмосфере паров цинка. Порошок германия подвергают травлению в смеси кислот и сплавляют в слитки. Слитки германия используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же для непосредственого получения монокристаллов методом вытягивания из расплава ( метод Чохральского )

Физические свойства германия:

• атомная масса 72,60;

• атомный объем 13,5;

• постоянная решетки 0,566 нм;

• плотность при 20С 5,3 Мг/м3;

• средний температурный коэффициент линейного расширения (0-100С) 6,0  10-6 К-1;

• коэффициент теплопроводимости 55 Вт/(м К);

• средняя удельная теплоемкость (0-100С) 333 Дж/(кг К);

• температура плавления 936С;

• удельная теплота плавления 4,1  105 Дж/кг;

• коэффициент поверхностного натяжения ( при температуре плавления) 0,6 Н/м;

• собственное удельное сопротивление при20С 0,47 Ом м;

• собственная концентрация основных носителей 2,5  1019 м-3;

• ширина запрещенной зоны при 20С 0,72 эВ;

• подвижность электронов 0,39 м2/(В  с);

• подвижность дырок 0,19 м2(В  с);

• диффузионная длина неосновных носителей 0,2-3,0 мм;

• работа выхода электронов 4,8 эВ;

• первый ионизационный потенциал 8,10 В;

• диэлектрическая проницаемость 16;

• термо – ЭДС относительно платины при Т = 100К 33,0 мВ.

При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная с температуры 1100С – падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5-6 %. Максимум фотопроводимости достигается при   1,5 мкм в области инфракрасной части спектра.

Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие ,применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности, умножения двух величин в приборах вычислительной техники и т. д. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой ( для инфракрасных лучей ), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн. Германий используется для изготовления счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон температур германиевых приборов от – 60 до + 70 С; при повышении температуры до верхнего предела прямой ток, например у диодов, увеличивается почти в два раза, а обратный – в три раза. При охлаждении до – 950-60)С прямой ток падает на 70 –75 %.

Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Кремний. Это один из распространенных элементов земной коры ( около 30% ). Технический кремний (около одного процента примесей ) получают в электрических печах восстановлением его оксидов углесодержащими веществами. Затем химическим путем образуют легколетучие хлористые соединения кремния, например трихлорсилан (SiHCl3), представляющий собой жидкость с температурой кипения около 32 С. После тщательной дополнительной очистки трихлорсилан с потоком водорода поступает в камеру восстановления, в которой на нагретые электрическим током до 1250 С кремниевые стержни – затравки оседает чистый поликристаллический кремний. Процесс ведут до получения нужного диаметра стержня ( до 100 и более мм).

Физические свойства кремния:

• атомная масса 28,06;

• атомный объем 11,7;

• постоянная решетки 0,542 нм;

• плотность при 20С 2,3 Мг/м3;

• средний температурный коэффициент линейного расширения (0-100С) 4,2  10-6 К-1;

• коэффициент теплопроводимости 80 Вт/(м К);

• средняя удельная теплоемкость (0-100С) 710 Дж/(кг К);

• температура плавления 1414С;

• удельная теплота плавления 1,6  106 Дж/кг;

• коэффициент поверхностного натяжения ( при температуре плавления) 0,72 Н/м;

• собственное удельное сопротивление при20С 2000 Ом м;

• собственная концентрация основных носителей 1  1016 м-3;

• ширина запрещенной зоны при 20С 1,12 эВ;

• подвижность электронов 0,14 м2/(В  с);

• подвижность дырок 0,05 м2(В  с);

• диффузионная длина неосновных носителей 0,1-0,5 мм;

• работа выхода электронов 4,3 эВ;

• первый ионизационный потенциал 8,14 В;

• диэлектрическая проницаемость 12,5;

• термо – ЭДС относительно платины при Т = 100К 41,6 мВ.

Электропроводимость кремния очень сильно зависит от концентрации примесей.

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлектроники. При использовании кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материала 120 –200С, что значительно выше, чем для германия.

Карбид кремния.Карбид кремния стехиометрического состава содержит 70,045 % Si и 29,955 % С (по массе).

Технический карбид кремния изготовляется в электрических печах при восстановлении диоксида кремния ( кварцевого песка ) углеродом. Окраска кристаллов SiC и тип электропроводности зависят от инородных примесей либо избытка атомов Si или С над количеством их, отвечающим стехиометрическому составу.

Основные физические свойства кристаллов SiC :

• плотность 3,2 Мг/м3;

• коэффициент теплопроводимости при 20 С 10 –40 Вт/(м  К);

• удельная теплоемкость 620 –750 Дж/(кг  К);

• температурный коэффициент линейного расширения ( 4 –7 )  10-6К-1;

• твердость по минералогической шкале 9,5;

• ширина запрещенной зоны 2,8 –3,1 эВ;

• подвижность электронов при 20 С 0,01 –0,05 м2/(В  с);

• подвижность дырок при 20 С 0,002 –0,005 м2/(В  с);

• диэлектрическая проницаемость 6,5 –7,5 ;

• термо – ЭДС относительно меди 300 мк В/К;

Удельная проводимость материала примерно 150 См/м; при температуре 20 С, размере зерен 63 –75 мкм и давлении на порошок 60 МПа в области слабого поля ( до 5 В на сантиметр высоты порошка ) удельная проводимость порошка будет примерно 2  10-6 См/м. При увеличении зерна до 85 – 105 мкм и при всех прежних условиях удельная проводимость порошка возрастает до значений больших 10-3 См/м . Вся зависимость плотности тока от напряженности электрического поля имеет нелинейный характер, т. е. электропроводность порошков карбида кремния не подчиняется закону Ома. Карбид кремния в электротехнике применяется для изготовления резисторов вентильных разрядников,защищающих линии передачи высокого напряжения и аппаратуру; для производства различных низковольтных варисторов, используемых в автоматике, электроприборостроении, в технике получения высоких температур и т. д.