» » Германий и кремний (полупроводники)
14.05.2015

Последнее десятилетие характеризуется бурным развитием физики полупроводников. В настоящее время, пожалуй, не существует ни одном области техники, в которой не использовались бы полупроводники. Они служат катализаторами, счетчиками ядерных частиц, источниками мощных потоков электронов в вакуумных приборах. На основе полупроводников создано много приборов, которые вырабатывают холод, превращают энергию радиоактивного излучения (лучистую, тепловую и звуковую) непосредственно в электрическую, выпрямляют переменный ток, усиливают в миллионы раз слабые пучки электронов, регулируют силу тока и напряжение, защищают от грозовых разрядов и перенапряжения линии высоковольтных передач и выполняют многие другие функции.
Даже этот далеко не полный перечень функций, выполняемых полупроводниками, свидетельствует об их важной роли в современной технике.
Полупроводники весьма широко распространены в природе. Это — окислы металлов, сульфиды, теллуриды, селениды, некоторые двойные и многокомпонентные металлические соединения и ряд элементов — углерод, теллур, бор, фосфор, мышьяк, германий, кремний и др.
Свойство полупроводников резко снижать удельное электросопротивление при приложении к ним большой разности потенциалов нашло применение для устройства нелинейных сопротивлений — варисторов.
Свойство полупроводников, называемое униполярной электропроводимостью — пропускание тока в одном направлении, положено в основу выпрямителей переменного тока.
Вентильный фотоэффект — возникновение электродвижущей силы при освещении полупроводника — используется для трансформирования световой энергии в электрическую.
Так называемое явление Пельтье, заключающееся в том, что при пропускании тока сквозь систему из разнородных полупроводников резко снижается температура спая, использовано акад. А.Ф. Иоффе для создания охлаждающих установок.
Некоторые полупроводники обладают способностью люминесцировать. т. е. испускать свет без нагревания до высоких температур.
Особо следует остановиться на термоэлектричестве полупроводников.
Механизм возникновения термоэлектродвужущей силы у полупроводников таков же, как и у металлов. Ho в металлах в широком температурном интервале концентрация электронов остается практически постоянной, при этом их кинетическая энергия в слабой степени зависит от температуры. В полупроводниках как концентрация электронов, так H кинетическая энергия сильно зависят от температуры, что дает возможность получать большую термоэлектродвижущую силу. Уже сейчас получают термоэлементы из полупроводников с коэффициентом полезного действия, равным 8%; это позволяет практически подойти к решению чрезвычайно важной проблемы современности — непосредственному превращению тепловой энергии в электрическую.
Важным свойством многих полупроводников является высокая подвижность электронов. Например, подвижность электронов в n-германии равна примерно 4000 см2/в*сек, в n-кремнии 1200 см2/в*свк, между тем как подвижность электронов в металлах равна всего нескольким сотням квадратных сантиметров за 1 в*сек.
В настоящее время в качестве полупроводников в радиотехнической промышленности применяются главным образом германий и кремний.
По химическим свойствам германий близок к углероду, кремнию и серому олову и имеет кристаллическую решетку типа алмазной.
Удельная электропроводность германия колеблется в очень широких пределах — от 1000 до 0,01 ом-1*см-1 в зависимости от количества примесей посторонних атомов, введенных в кристаллическую решетку германия.
Влияние примесей на электрические свойства германия и кремния настолько велики, что уже один атом примеси на 10в8 атомов германия или кремния изменяет электропроводность, а следовательно, и электрические свойства. Этим пользуются для получения германия с заданными свойствами.
Влияние многих примесей на химические и электронные свойства германия еще полностью не выяснено, но известно, что элементы III и V групп периодической системы элементов Д.И. Менделеева имеют большую растворимость, малые коэффициенты диффузии и очень сильно влияют на электропроводность германия.
Интересно отметить, что роль примесей в некоторых полупроводниках выполняют не только атомы посторонних веществ, но и атомы, образующие то или иное полупроводниковое соединение.
Германиевые и кремниевые полупроводники применяются в виде монокристаллов, выращивание которых — довольно сложная и трудоемкая операция.
В настоящее время для получения монокристаллов из полупроводниковых материалов применяют три метода: вертикальное вытягивание из расплава с помощью ориентированного монокристаллического зaродыша; горизонтальную зонную плавку с затравкой и вертикальное бестигельное зонное вытягивание.
Для получения технически применимых полупроводников требуются исходные материалы очень высокой чистоты, для чего эти материалы подвергают тщательной химической очистке. Полученные полупроводниковые материалы дополнительно очищают дистилляцией, сублимацией, фракционной дистилляцией и зонной плавкой.
Германиевые полупроводники (диоды) имеют весьма существенный недостаток — не обладают достаточной чувствительностью при детектировании слабых сигналов и очень чувствительны к изменению температуры; кремниевые полупроводники в известной мере лишены этих недостатков.
В последнее время выяснилось, что стекло, содержащее германий, хорошо пропускает инфракрасные лучи и поглощает ультрафиолетовые, что используется в спектральной технике и во многих оптических контрольно-измерительных приборах.