Напівпровідники становлять велику область матеріалів, що відрізняються один від одного великим різноманіттям електричних і фізичних властивостей, а також великим різноманіттям хімічного складу, що і визначає різні призначення при їх технічному використанні.
За хімічною природою сучасні напівпровідникові матеріали можна розділити на наступні чотири основні групи:
1. Кристалічні напівпровідникові матеріали, побудовані з атомів або молекул одного елементу. Такими матеріалами є широко використовуються в даний час германій, кремній. селен. бор, карбід кремнію і ін.
2. Окисні кристалічні напівпровідникові матеріали, т. Е. Матеріали з оксидів металів. Головні з них: закис міді, окис цинку, окис кадмію, двоокис титану, окис нікелю і ін. В цю ж групу входять матеріали, що виготовляються на основі титанату барію, стронцію, цинку, і інші неорганічні сполуки з різними малими добавками.
3. Кристалічні напівпровідникові матеріали на основі сполук атомів третьої і п'ятої груп системи елементів Менделєєва. Прикладами таких матеріалів є антімоніди індію, галію і алюмінію, т. Е. З'єднання сурми з індієм, галієм і алюмінієм. Вони отримали найменування інтерметалічних сполук.
4. Кристалічні напівпровідникові матеріали на основі сполук сірки, селену і телуру з одного боку і міді, кадмію і свин ц а з іншого. Такі сполуки називаються відповідно: сульфідами, селеніди і телуриду.
Такі матеріали складають групу монокристалічних напівпровідників. Найбільш поширеними монокристаллическими матеріалами є германій і кремній. Р азработани методи виготовлення монокристалів і з карбіду кремнію. монокристали з інтерметалічних сполук.
Інші напівпровідникові матеріали являють собою суміш безлічі малих кристаликів, безладно спаяних один з одним. Такі матеріали називаються полікристалічний. Представниками полікристалічних напівпровідникових матеріалів є селен і карбід кремнію, а також матеріали, що виготовляються з різних окислів методами керамічної технології.
Розглянемо широко застосовуються напівпровідникові матеріали.
Германій - елемент четвертої групи періодичної системи елементів Менделєєва. Германій має яскраво-сріблястий колір. Температура плавлення германію 937,2 ° С. У природі він зустрічається часто, але в дуже малих кількостях. Присутність германію виявлено в цинкових рудах і в золах різних вугілля. Основним джерелом отримання германію є зола вугіллі й і відходи металургійних заводів.
Отриманий в результаті ряду хімічних операцій злиток германію ще не є речовини, придатного для виготовлення з нього напівпровідникових приладів. Він містить нерозчинні домішки, не є ще монокристалом і в нього не введена легирующая домішка, яка обумовлює необхідний вид електропровідності.
Для очищення злитка від нерозчинних домішок широко застосовується метод зонного плавлення. Цим методом можуть бути видалені лише ті домішки, які по-різному розчиняються в даному твердому полупроводнике і в його розплаві.
Германій має високу стійкість, але надзвичайно крихкий і розколюється на дрібні шматки при ударах. Однак за допомогою алмазної пилки або інших пристроїв його можна розпиляти на тонкі пластинки. Вітчизняною промисловістю виготовляється легований германій з електронною електропровідністю різних марок з питомим опором від 0,003 до 45 ом х см і германій легований з доречний електропровідністю з питомим опором від 0,4 до 5,5 ом х см і вище. Питомий ж опір чистого германію при кімнатній температурі # 961; = 60 ом х см.
Германій як напівпровідниковий матеріал широко використовується не тільки для діодів і тріодів. з нього виготовляються потужні випрямлячі на великі струми, різні датчики, які застосовуються для виміру напруженості магнітного поля, термометри опору для низьких температур та ін.
Кремній широко поширений в природі. Він, як і германій, є елементом четвертої групи системи елементів Менделєєва і має таку ж кристалічну (кубічну) структуру. Полірований кремній набуває металевий блиск стали.
Як і германій, кремній має крихкістю. Його температура плавлення значно вище, ніж у германію: 1423 ° С. Питомий опір чистого кремнію при кімнатній температурі # 961; = 3 x 10 5 му-см.
Так як температура плавлення кремнію значно вище, ніж у германію, то тигель з графіту замінюють кварцовим, так як графіт при високій температурі може реагувати з кремнієм і утворювати карбід кремнію. Крім того, в розплавлений кремній можуть потрапити з графіту забруднюючі домішки.
Промисловістю випускається напівпровідниковий легований кремній з електронною електропровідністю (різних марок) з питомим опором від 0,01 до 35 ом х см і з доречний електропровідністю теж різних марок з питомим опором від 0,05 до 35 ом х см.
Кремній, як і германій, широко застосовується для виготовлення численних напівпровідникових приладів. У кремнієвому випрямлячі досягаються більш високі зворотні напруги і робоча температура (130 - 180 ° С), ніж в германієвих випрямлячах (80 ° С). З кремнію виготовляють точкові і площинні діоди і тріоди, фотоелементи та інші напівпровідникові прилади.
На рис. 3 показані залежності величин питомого опору германію та кремнію обох типів від концентрації легуючих домішок в них.
Мал. 3. Вплив концентрації домішок на величину питомого опору германію та кремнію при кімнатній температурі: 1 - кремній, 2 - германій
Криві на малюнку показують, що легуючі домішки впливають на величину питомого опору: у германію воно змінюється о г величини власного опору 60 ом х см до 10 -4 ом х см, т. Е. В 5 х 10 5 раз, а у кремнію з 3 х 10 3 до 10 -4 ом х см, т. е. в 3 х 10 9 разів.
Як матеріал для виготовлення нелінійних опорів особливо широке застосування отримав полікристалічний матеріал - карбід кремнію.
Мал. 4. Карбід кремнію
З карбіду кремнію виготовляють вентильні розрядники для ліній електропередачі - пристрої, що захищають лінію електропередачі від перенапруг. У них диски з нелінійного напівпровідника (карбіду кремнію) пропускають струм на землю під дією хвиль перенапруг, що виникають в лінії. В результаті цього відновлюється нормальна робота лінії. При робочому же напрузі лінії опору цих дисків зростають і струм витоку з лінії на землю припиняється.
Залежно від введених легуючих домішок утворюються два основних види карбіду кремнію: зелений і чорний. Вони відрізняються один, від одного за типом електропровідності, а саме: зелений карбід кремнію обкидали електропровідністю n-типу, а чорний - електропровідністю р-типу.
Для вентильних розрядників з карбіду кремнію виготовляються диски діаметром від 55 до 150 мм і висотою від 20 до 60 мм. У вентильному розряднику диски з карбіду кремнію з'єднуються послідовно один з одним і з іскровими проміжками. Система, що складається з дисків і іскрових проміжків, стискається спіральної пружиною. За допомогою болта розрядник приєднується до проводу лінії електропередачі. а c іншого боку розрядник з'єднується дротом з землею. Всі деталі розрядника поміщені в фарфоровий корпус.
При нормальному напрузі на лінії передачі ток з лінії вентиль не пропускає. При підвищених же напружених (перенапруженнях), створюваних атмосферною електрикою, або внутрішніх перенапруженнях іскрові проміжки пробиваються і диски вентиля виявляться під високою напругою.
Опір їх різко впаде, що забезпечить витік струму з лінії на землю. Минулий великий струм знизить напругу до нормального і в дисках вентиля опір зросте. Вентиль виявиться замкненим, т. Е. Робочий струм лінії їм пропускатися не буде.
Карбід кремнію знаходить ще застосування в напівпровідникових випрямлячах, що працюють при великих робочих температурах (до 500 ° С).