సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు - జెర్మేనియం మరియు సిలికాన్

సెమీకండక్టర్లు అనేక రకాలైన విద్యుత్ మరియు భౌతిక లక్షణాలతో ఒకదానికొకటి భిన్నంగా ఉండే విస్తారమైన పదార్థాలను సూచిస్తాయి, అలాగే అనేక రకాలైన రసాయన కూర్పుతో, వాటి సాంకేతిక ఉపయోగంలో వివిధ ప్రయోజనాలను నిర్ణయిస్తాయి.

రసాయన స్వభావం ప్రకారం, ఆధునిక సెమీకండక్టర్ పదార్థాలను క్రింది నాలుగు ప్రధాన సమూహాలుగా వర్గీకరించవచ్చు:

1. స్ఫటికాకార సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు ఒకే మూలకం యొక్క అణువులు లేదా అణువులతో రూపొందించబడ్డాయి. ఇటువంటి పదార్థాలు ప్రస్తుతం జెర్మేనియం, సిలికాన్, సెలీనియం, బోరాన్, సిలికాన్ కార్బైడ్ మొదలైనవి విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.

2. ఆక్సైడ్ స్ఫటికాకార సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు, అనగా. మెటల్ ఆక్సైడ్ పదార్థాలు. ప్రధానమైనవి: కాపర్ ఆక్సైడ్, జింక్ ఆక్సైడ్, కాడ్మియం ఆక్సైడ్, టైటానియం డయాక్సైడ్, నికెల్ ఆక్సైడ్ మొదలైనవి. ఈ సమూహంలో బేరియం టైటనేట్, స్ట్రోంటియం, జింక్ మరియు వివిధ చిన్న సంకలితాలతో కూడిన ఇతర అకర్బన సమ్మేళనాలపై ఆధారపడిన పదార్థాలు కూడా ఉన్నాయి.

3. మెండలీవ్ యొక్క మూలకాల వ్యవస్థ యొక్క మూడవ మరియు ఐదవ సమూహాల నుండి అణువుల సమ్మేళనాల ఆధారంగా స్ఫటికాకార సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు. అటువంటి పదార్థాలకు ఉదాహరణలు ఇండియం, గాలియం మరియు అల్యూమినియం యాంటీమోనైడ్లు, అనగా.ఇండియం, గాలియం మరియు అల్యూమినియంతో యాంటీమోనీ సమ్మేళనాలు. వీటిని ఇంటర్‌మెటాలిక్ సమ్మేళనాలు అని పిలిచేవారు.

4. ఒకవైపు సల్ఫర్, సెలీనియం మరియు టెల్లూరియం సమ్మేళనాలపై ఆధారపడిన స్ఫటికాకార సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు మరియు మరోవైపు రాగి, కాడ్మియం మరియు పిగ్ Ca. ఇటువంటి సమ్మేళనాలను వరుసగా పిలుస్తారు: సల్ఫైడ్లు, సెలెనైడ్లు మరియు టెల్యురైడ్లు.

అన్ని సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు, ఇప్పటికే చెప్పినట్లుగా, క్రిస్టల్ నిర్మాణం ద్వారా రెండు సమూహాలుగా విభజించవచ్చు. కొన్ని పదార్థాలు పెద్ద సింగిల్ స్ఫటికాలు (సింగిల్ స్ఫటికాలు) రూపంలో తయారు చేయబడతాయి, వీటి నుండి రెక్టిఫైయర్‌లు, యాంప్లిఫైయర్‌లు, ఫోటోసెల్‌లలో ఉపయోగం కోసం వివిధ పరిమాణాల ప్లేట్లు కొన్ని క్రిస్టల్ దిశలలో కత్తిరించబడతాయి.

ఇటువంటి పదార్థాలు ఒకే క్రిస్టల్ సెమీకండక్టర్ల సమూహాన్ని తయారు చేస్తాయి... అత్యంత సాధారణ సింగిల్ క్రిస్టల్ పదార్థాలు జెర్మేనియం మరియు సిలికాన్. సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క సింగిల్ స్ఫటికాలు, ఇంటర్‌మెటాలిక్ సమ్మేళనాల సింగిల్ స్ఫటికాల ఉత్పత్తి కోసం R పద్ధతులు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి.

ఇతర సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు యాదృచ్ఛికంగా కలిసి కరిగిన చాలా చిన్న స్ఫటికాల మిశ్రమం. ఇటువంటి పదార్థాలను పాలీక్రిస్టలైన్ అంటారు... పాలీక్రిస్టలైన్ సెమీకండక్టర్ పదార్థాల ప్రతినిధులు సెలీనియం మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్, అలాగే సిరామిక్ టెక్నాలజీని ఉపయోగించి వివిధ ఆక్సైడ్లతో తయారు చేయబడిన పదార్థాలు.

విస్తృతంగా ఉపయోగించే సెమీకండక్టర్ పదార్థాలను పరిగణించండి.

జెర్మేనియం - మెండలీవ్ యొక్క ఆవర్తన వ్యవస్థ మూలకాల యొక్క నాల్గవ సమూహం యొక్క మూలకం. జెర్మేనియం ప్రకాశవంతమైన వెండి రంగును కలిగి ఉంటుంది. జెర్మేనియం యొక్క ద్రవీభవన స్థానం 937.2 ° C. ఇది తరచుగా ప్రకృతిలో కనిపిస్తుంది, కానీ చాలా తక్కువ పరిమాణంలో ఉంటుంది. జెర్మేనియం యొక్క ఉనికి జింక్ ఖనిజాలలో మరియు వివిధ బొగ్గుల బూడిదలో కనిపిస్తుంది. జెర్మేనియం ఉత్పత్తికి ప్రధాన వనరు బొగ్గు బూడిద మరియు మెటలర్జికల్ ప్లాంట్ల నుండి వచ్చే వ్యర్థాలు.

అన్నం. 1. జెర్మేనియం

అనేక రసాయన కార్యకలాపాల ఫలితంగా పొందిన జెర్మేనియం కడ్డీ, దాని నుండి సెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీకి తగిన పదార్థం కాదు. ఇది కరగని మలినాలను కలిగి ఉంది, ఇంకా ఒకే స్ఫటికం కాదు మరియు అవసరమైన విద్యుత్ వాహకతను నిర్ణయించే సంకలితాన్ని దానిలో ప్రవేశపెట్టలేదు.

కరగని మలినాలను జోన్ మెల్టింగ్ పద్ధతి నుండి కడ్డీని శుభ్రం చేయడానికి ఇది విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది... ఇచ్చిన ఘన సెమీకండక్టర్‌లో మరియు దాని కరుగులో విభిన్నంగా కరిగిపోయే మలినాలను మాత్రమే తొలగించడానికి ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించవచ్చు.

జెర్మేనియం చాలా కఠినంగా ఉంటుంది కానీ చాలా పెళుసుగా ఉంటుంది మరియు ప్రభావంతో చిన్న ముక్కలుగా ముక్కలవుతుంది. అయితే, డైమండ్ రంపాన్ని లేదా ఇతర పరికరాలను ఉపయోగించి, దానిని సన్నని ముక్కలుగా కట్ చేయవచ్చు. దేశీయ పరిశ్రమ మిశ్రమ జెర్మేనియంను ఉత్పత్తి చేస్తుంది ఎలక్ట్రానిక్ వాహకత 0.003 నుండి 45 ఓం NS సెం.మీ వరకు రెసిస్టివిటీ కలిగిన వివిధ గ్రేడ్‌లు మరియు 0.4 నుండి 5.5 ఓం NS సెం.మీ మరియు అంతకంటే ఎక్కువ రెసిస్టివిటీ కలిగిన రంధ్రాల విద్యుత్ వాహకతతో కూడిన జెర్మేనియం మిశ్రమం. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద స్వచ్ఛమైన జెర్మేనియం యొక్క నిర్దిష్ట ప్రతిఘటన ρ = 60 ఓం NS సెం.మీ.

సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌గా జెర్మేనియం డయోడ్‌లు మరియు ట్రయోడ్‌లకు మాత్రమే కాకుండా, అధిక ప్రవాహాల కోసం పవర్ రెక్టిఫైయర్‌లను తయారు చేయడానికి, అయస్కాంత క్షేత్ర బలాన్ని కొలవడానికి ఉపయోగించే వివిధ సెన్సార్లు, తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల కోసం రెసిస్టెన్స్ థర్మామీటర్‌లు మొదలైనవాటిని విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు.

సిలికాన్ ప్రకృతిలో విస్తృతంగా పంపిణీ చేయబడింది. ఇది, జెర్మేనియం వలె, మెండలీవ్ మూలకాల యొక్క నాల్గవ సమూహం యొక్క మూలకం మరియు అదే క్రిస్టల్ (క్యూబిక్) నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటుంది. మెరుగుపెట్టిన సిలికాన్ ఉక్కు యొక్క లోహ మెరుపును పొందుతుంది.

సిలికాన్ స్వేచ్ఛా స్థితిలో సహజంగా ఏర్పడదు, అయితే ఇది భూమిపై రెండవ అత్యంత సమృద్ధిగా ఉన్న మూలకం, ఇది క్వార్ట్జ్ మరియు ఇతర ఖనిజాలకు ఆధారం. SiO2 కార్బన్ యొక్క అధిక-ఉష్ణోగ్రత తగ్గింపు ద్వారా సిలికాన్ దాని మూలక రూపంలో వేరుచేయబడుతుంది. అదే సమయంలో, యాసిడ్ చికిత్స తర్వాత సిలికాన్ యొక్క స్వచ్ఛత ~ 99.8%, మరియు ఈ రూపంలో సెమీకండక్టర్ వాయిద్య పరికరాల కోసం, ఇది ఉపయోగించబడదు.

అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన సిలికాన్ దాని మునుపు బాగా శుద్ధి చేయబడిన అస్థిర సమ్మేళనాల (హాలైడ్‌లు, సిలేన్‌లు) నుండి జింక్ లేదా హైడ్రోజన్‌తో వాటి అధిక-ఉష్ణోగ్రత తగ్గింపు ద్వారా లేదా వాటి ఉష్ణ కుళ్ళిపోవడం ద్వారా పొందబడుతుంది. ప్రతిచర్య సమయంలో విడుదల చేయబడిన, సిలికాన్ రియాక్షన్ ఛాంబర్ యొక్క గోడలపై లేదా ప్రత్యేక హీటింగ్ ఎలిమెంట్‌పై జమ చేయబడుతుంది - చాలా తరచుగా అధిక స్వచ్ఛత సిలికాన్‌తో తయారు చేయబడిన రాడ్‌పై.

అన్నం. 2. సిలికాన్

జెర్మేనియం వలె, సిలికాన్ పెళుసుగా ఉంటుంది. దీని ద్రవీభవన స్థానం జెర్మేనియం కంటే గణనీయంగా ఎక్కువగా ఉంటుంది: 1423 ° C. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద స్వచ్ఛమైన సిలికాన్ నిరోధకత ρ = 3 NS 105 ఓం-చూడండి

సిలికాన్ యొక్క ద్రవీభవన స్థానం జెర్మేనియం కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉన్నందున, గ్రాఫైట్ క్రూసిబుల్ క్వార్ట్జ్ క్రూసిబుల్ ద్వారా భర్తీ చేయబడుతుంది, ఎందుకంటే అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద గ్రాఫైట్ సిలికాన్‌తో చర్య జరిపి సిలికాన్ కార్బైడ్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. అదనంగా, గ్రాఫైట్ కలుషితాలు కరిగిన సిలికాన్‌లోకి ప్రవేశించగలవు.

పరిశ్రమ 0.01 నుండి 35 ఓం x సెం.మీ వరకు రెసిస్టివిటీతో ఎలక్ట్రానిక్ కండక్టివిటీ (వివిధ గ్రేడ్‌లు)తో సెమీకండక్టర్ డోప్డ్ సిలికాన్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది మరియు 0.05 నుండి 35 ఓమ్ x సెం.మీ వరకు రెసిస్టివిటీతో వివిధ గ్రేడ్‌ల హోల్ కండక్టివిటీని కూడా ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

జెర్మేనియం వంటి సిలికాన్ అనేక సెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది.సిలికాన్ రెక్టిఫైయర్‌లో, జెర్మేనియం రెక్టిఫైయర్‌ల (80 ° C) కంటే ఎక్కువ రివర్స్ వోల్టేజీలు మరియు ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రతలు (130 - 180 ° C) సాధించబడతాయి. పాయింట్ మరియు విమానం సిలికాన్‌తో తయారు చేయబడ్డాయి డయోడ్లు మరియు ట్రయోడ్‌లు, ఫోటోసెల్‌లు మరియు ఇతర సెమీకండక్టర్ పరికరాలు.

అంజీర్ లో. 3 వాటిలోని మలినాలను ఏకాగ్రతపై రెండు రకాల జెర్మేనియం మరియు సిలికాన్ యొక్క నిరోధకత యొక్క ఆధారపడటాన్ని చూపుతుంది.

అన్నం. 3. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద జెర్మేనియం మరియు సిలికాన్ నిరోధకతపై మలినాలను గాఢత ప్రభావం: 1 - సిలికాన్, 2 - జెర్మేనియం

చిత్రంలో ఉన్న వక్రతలు మలినాలను ప్రతిఘటనపై భారీ ప్రభావాన్ని చూపుతాయని చూపుతున్నాయి: జెర్మేనియంలో, ఇది అంతర్గత నిరోధక విలువ 60 ఓం x సెం.మీ నుండి 10-4 ఓం x సెం.మీ వరకు, అంటే 5 x 105 రెట్లు, మరియు సిలికాన్ 3 x 103 నుండి 10-4 ఓం x సెం.మీ., అంటే 3 x 109 ఒకసారి.

నాన్-లీనియర్ రెసిస్టర్‌ల ఉత్పత్తికి ఒక పదార్థంగా, పాలీక్రిస్టలైన్ పదార్థం ముఖ్యంగా విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది - సిలికాన్ కార్బైడ్.

అన్నం. 4. సిలికాన్ కార్బైడ్

విద్యుత్ లైన్ల కోసం వాల్వ్ లిమిటర్లు సిలికాన్ కార్బైడ్తో తయారు చేయబడ్డాయి - విద్యుత్ లైన్ను ఓవర్వోల్టేజ్ నుండి రక్షించే పరికరాలు. వాటిలో, నాన్-లీనియర్ సెమీకండక్టర్ (సిలికాన్ కార్బైడ్)తో తయారు చేయబడిన డిస్క్‌లు లైన్‌లో సంభవించే ఉప్పెన తరంగాల చర్యలో భూమికి ప్రవాహాన్ని పంపుతాయి. ఫలితంగా, లైన్ యొక్క సాధారణ ఆపరేషన్ పునరుద్ధరించబడుతుంది. ఆపరేటింగ్ వోల్టేజ్ వద్ద, ఈ డిస్కుల నిరోధకత యొక్క పంక్తులు పెరుగుతాయి మరియు లైన్ నుండి భూమికి లీకేజ్ కరెంట్ ఆగిపోతుంది.

సిలికాన్ కార్బైడ్ కృత్రిమంగా ఉత్పత్తి చేయబడుతుంది - అధిక ఉష్ణోగ్రత (2000 ° C) వద్ద బొగ్గుతో క్వార్ట్జ్ ఇసుక మిశ్రమాన్ని వేడి చేయడం ద్వారా.

ప్రవేశపెట్టిన సంకలితాలపై ఆధారపడి, సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క రెండు ప్రధాన రకాలు ఏర్పడతాయి: ఆకుపచ్చ మరియు నలుపు.అవి విద్యుత్ వాహకత రకంలో ఒకదానికొకటి భిన్నంగా ఉంటాయి, అవి: ఆకుపచ్చ సిలికాన్ కార్బైడ్ n-రకం విద్యుత్ వాహకతను విసురుతుంది మరియు నలుపు - p-రకం వాహకతతో.

కోసం వాల్వ్ నియంత్రణలు సిలికాన్ కార్బైడ్ 55 నుండి 150 మిమీ వ్యాసం మరియు 20 నుండి 60 మిమీ ఎత్తుతో డిస్కులను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. వాల్వ్ స్టాప్‌లో, సిలికాన్ కార్బైడ్ డిస్క్‌లు ఒకదానికొకటి మరియు స్పార్క్ గ్యాప్‌లతో సిరీస్‌లో అనుసంధానించబడి ఉంటాయి. డిస్క్‌లు మరియు స్పార్క్ ప్లగ్‌లతో కూడిన సిస్టమ్ కాయిల్ స్ప్రింగ్ ద్వారా కంప్రెస్ చేయబడింది. ఒక బోల్ట్తో, అరెస్టర్ కనెక్ట్ చేయబడింది విద్యుత్ లైన్ కండక్టర్, మరియు ° C అరెస్టర్ యొక్క మరొక వైపు భూమికి వైర్ ద్వారా కనెక్ట్ చేయబడింది. ఫ్యూజ్ యొక్క అన్ని భాగాలు పింగాణీ కేసులో ఉంచబడతాయి.

సాధారణ ట్రాన్స్మిషన్ లైన్ వోల్టేజ్ వద్ద, వాల్వ్ లైన్ కరెంట్ను పాస్ చేయదు. వాతావరణ విద్యుత్ లేదా అంతర్గత సర్జ్‌ల ద్వారా సృష్టించబడిన పెరిగిన వోల్టేజ్‌ల (సర్జ్‌లు) వద్ద, స్పార్క్ ఖాళీలు సృష్టించబడతాయి మరియు వాల్వ్ డిస్క్‌లు అధిక వోల్టేజ్ కింద ఉంటాయి.

వారి నిరోధకత తీవ్రంగా పడిపోతుంది, ఇది లైన్ నుండి భూమికి ప్రస్తుత లీకేజీని నిర్ధారిస్తుంది. అధిక కరెంట్ పాస్ చేయడం వల్ల వోల్టేజీని సాధారణ స్థితికి తగ్గిస్తుంది మరియు వాల్వ్ డిస్క్‌లలో నిరోధకత పెరుగుతుంది. వాల్వ్ మూసివేయబడుతుంది, అనగా, లైన్ యొక్క ఆపరేటింగ్ కరెంట్ వారికి ప్రసారం చేయబడదు.

అధిక ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద (500 °C వరకు) పనిచేసే సెమీకండక్టర్ రెక్టిఫైయర్లలో కూడా సిలికాన్ కార్బైడ్ ఉపయోగించబడుతుంది.