સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી - જર્મેનિયમ અને સિલિકોન

સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના વિશાળ વિસ્તારનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે જે વિદ્યુત અને ભૌતિક ગુણધર્મોની વિશાળ વિવિધતા સાથે, તેમજ રાસાયણિક રચનાની વિશાળ વિવિધતા સાથે એકબીજાથી અલગ પડે છે, જે તેમના તકનીકી ઉપયોગના વિવિધ હેતુઓ નક્કી કરે છે.

રાસાયણિક પ્રકૃતિ દ્વારા, આધુનિક સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીને નીચેના ચાર મુખ્ય જૂથોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે:

1. એક તત્વના અણુઓ અથવા અણુઓથી બનેલી સ્ફટિકીય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી. આવી સામગ્રીનો હાલમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે જર્મેનિયમ, સિલિકોન, સેલેનિયમ, બોરોન, સિલિકોન કાર્બાઇડ વગેરે.

2. ઓક્સાઇડ સ્ફટિકીય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી, એટલે કે. મેટલ ઓક્સાઇડ સામગ્રી. મુખ્ય છે: કોપર ઓક્સાઇડ, ઝીંક ઓક્સાઇડ, કેડમિયમ ઓક્સાઇડ, ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડ, નિકલ ઑક્સાઈડ, વગેરે. આ જૂથમાં બેરિયમ ટાઇટેનેટ, સ્ટ્રોન્ટીયમ, જસત અને અન્ય અકાર્બનિક સંયોજનો પર આધારિત વિવિધ નાના ઉમેરણો પણ સામેલ છે.

3. મેન્ડેલીવની તત્વોની સિસ્ટમના ત્રીજા અને પાંચમા જૂથોના અણુઓના સંયોજનો પર આધારિત સ્ફટિકીય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી. આવી સામગ્રીના ઉદાહરણો ઇન્ડિયમ, ગેલિયમ અને એલ્યુમિનિયમ એન્ટિમોનાઇડ્સ છે, એટલે કે.ઇન્ડિયમ, ગેલિયમ અને એલ્યુમિનિયમ સાથે એન્ટિમોનીના સંયોજનો. આને ઇન્ટરમેટાલિક સંયોજનો કહેવાતા.

4. એક તરફ સલ્ફર, સેલેનિયમ અને ટેલુરિયમના સંયોજનો પર આધારિત સ્ફટિકીય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી અને બીજી તરફ તાંબુ, કેડમિયમ અને પિગ Ca. આવા સંયોજનોને અનુક્રમે કહેવામાં આવે છે: સલ્ફાઇડ્સ, સેલેનાઇડ્સ અને ટેલ્યુરાઇડ્સ.

બધી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીઓ, જેમ કે પહેલેથી જ ઉલ્લેખ કર્યો છે, ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર દ્વારા બે જૂથોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. કેટલીક સામગ્રી મોટા સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ (સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ) ના રૂપમાં બનાવવામાં આવે છે, જેમાંથી વિવિધ કદની પ્લેટો રેક્ટિફાયર, એમ્પ્લીફાયર, ફોટોસેલ્સમાં ઉપયોગ માટે ચોક્કસ ક્રિસ્ટલ દિશામાં કાપવામાં આવે છે.

આવી સામગ્રીઓ સિંગલ ક્રિસ્ટલ સેમિકન્ડક્ટર્સનું જૂથ બનાવે છે... સૌથી સામાન્ય સિંગલ ક્રિસ્ટલ સામગ્રી જર્મેનિયમ અને સિલિકોન છે. સિલિકોન કાર્બાઇડના સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ, ઇન્ટરમેટાલિક સંયોજનોના સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સના ઉત્પાદન માટે RM પદ્ધતિઓ વિકસાવવામાં આવી છે.

અન્ય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીઓ એકસાથે અવ્યવસ્થિત રીતે સોલ્ડર કરાયેલા ખૂબ જ નાના સ્ફટિકોનું મિશ્રણ છે. આવી સામગ્રીઓને પોલિક્રિસ્ટલાઇન કહેવામાં આવે છે... પોલિક્રિસ્ટલાઇન સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના પ્રતિનિધિઓ સેલેનિયમ અને સિલિકોન કાર્બાઇડ છે, તેમજ સિરામિક ટેક્નોલોજીનો ઉપયોગ કરીને વિવિધ ઓક્સાઇડથી બનેલી સામગ્રી છે.

વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીનો વિચાર કરો.

જર્મેનિયમ - મેન્ડેલીવના તત્વોની સામયિક પ્રણાલીના ચોથા જૂથનું એક તત્વ. જર્મનિયમમાં તેજસ્વી ચાંદીનો રંગ છે. જર્મેનિયમનું ગલનબિંદુ 937.2 ° સે છે. તે ઘણીવાર પ્રકૃતિમાં જોવા મળે છે, પરંતુ ખૂબ ઓછી માત્રામાં. જર્મેનિયમની હાજરી ઝીંક ઓર અને વિવિધ કોલસાની રાખમાં જોવા મળે છે. જર્મેનિયમ ઉત્પાદનનો મુખ્ય સ્ત્રોત કોલસાની રાખ અને ધાતુના છોડમાંથી નીકળતો કચરો છે.

ચોખા. 1. જર્મેનિયમ

સંખ્યાબંધ રાસાયણિક કામગીરીના પરિણામે મેળવેલ જર્મેનિયમ ઇન્ગોટ, તેમાંથી સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે હજી સુધી યોગ્ય પદાર્થ નથી. તે અદ્રાવ્ય અશુદ્ધિઓ ધરાવે છે, હજુ સુધી એક સ્ફટિક નથી, અને તેમાં કોઈ ઉમેરણ દાખલ કરવામાં આવતું નથી જે જરૂરી પ્રકારની વિદ્યુત વાહકતા નક્કી કરે છે.

તે અદ્રાવ્ય અશુદ્ધિઓના ઝોન ગલન પદ્ધતિમાંથી ઇંગોટને સાફ કરવા માટે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે... આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ ફક્ત તે જ અશુદ્ધિઓને દૂર કરવા માટે થઈ શકે છે જે આપેલ નક્કર સેમિકન્ડક્ટરમાં અને તેના ઓગળવામાં અલગ રીતે ઓગળી જાય છે.

જર્મેનિયમ ખૂબ જ કઠણ છે પરંતુ અત્યંત બરડ છે અને અસર પર નાના ટુકડાઓમાં વિખેરાઈ જાય છે. જો કે, હીરાની કરવત અથવા અન્ય ઉપકરણોનો ઉપયોગ કરીને, તેને પાતળા સ્લાઇસેસમાં કાપી શકાય છે. ઘરેલું ઉદ્યોગ એલોય્ડ જર્મેનિયમ સાથે ઉત્પાદન કરે છે ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા 0.003 થી 45 ઓહ્મ એનએસ સેમી અને 0.4 થી 5.5 ઓહ્મ એનએસ સેમી અને તેનાથી ઉપરની પ્રતિકારકતા સાથે છિદ્રોની વિદ્યુત વાહકતા સાથે મિશ્રિત જર્મેનિયમ સાથે વિવિધ ગ્રેડ. ઓરડાના તાપમાને શુદ્ધ જર્મેનિયમનો ચોક્કસ પ્રતિકાર ρ = 60 ઓહ્મ NS સે.મી.

સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ તરીકે જર્મેનિયમનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ માત્ર ડાયોડ અને ટ્રાયોડ્સ માટે જ થતો નથી, તેનો ઉપયોગ ઉચ્ચ પ્રવાહો માટે પાવર રેક્ટિફાયર, ચુંબકીય ક્ષેત્રની શક્તિને માપવા માટે વપરાતા વિવિધ સેન્સર્સ, નીચા તાપમાન માટે પ્રતિકારક થર્મોમીટર વગેરે માટે થાય છે.

સિલિકોન પ્રકૃતિમાં વ્યાપકપણે વિતરિત થાય છે. તે, જર્મેનિયમની જેમ, તત્વોના મેન્ડેલીવ સિસ્ટમના ચોથા જૂથનું એક તત્વ છે અને તે સમાન સ્ફટિક (ઘન) માળખું ધરાવે છે. પોલિશ્ડ સિલિકોન સ્ટીલની મેટાલિક ચમક લે છે.

સિલિકોન મુક્ત અવસ્થામાં કુદરતી રીતે ઉત્પન્ન થતું નથી, જો કે તે ક્વાર્ટઝ અને અન્ય ખનિજોનો આધાર બનાવે છે તે પૃથ્વી પરનું બીજું સૌથી વધુ વિપુલ તત્વ છે. SiO2 કાર્બનના ઉચ્ચ-તાપમાન ઘટાડા દ્વારા સિલિકોનને તેના મૂળ સ્વરૂપમાં અલગ કરી શકાય છે. તે જ સમયે, એસિડ સારવાર પછી સિલિકોનની શુદ્ધતા ~ 99.8% છે, અને આ સ્વરૂપમાં સેમિકન્ડક્ટર ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટલ ઉપકરણો માટે, તેનો ઉપયોગ થતો નથી.

ઉચ્ચ-શુદ્ધતા સિલિકોન તેના અગાઉના સારી રીતે શુદ્ધ થયેલ અસ્થિર સંયોજનો (હલાઇડ્સ, સિલેન્સ) માંથી ઝીંક અથવા હાઇડ્રોજન સાથેના ઉચ્ચ-તાપમાનના ઘટાડા દ્વારા અથવા તેમના થર્મલ વિઘટન દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. પ્રતિક્રિયા દરમિયાન પ્રકાશિત, સિલિકોન પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરની દિવાલો પર અથવા વિશિષ્ટ હીટિંગ તત્વ પર જમા થાય છે - મોટેભાગે ઉચ્ચ શુદ્ધતા સિલિકોનથી બનેલા સળિયા પર.

ચોખા. 2. સિલિકોન

જર્મેનિયમની જેમ, સિલિકોન બરડ છે. તેનું ગલનબિંદુ જર્મેનિયમ કરતા નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે: 1423 ° સે. ઓરડાના તાપમાને શુદ્ધ સિલિકોનનો પ્રતિકાર ρ = 3 NS 105 ઓહ્મ-જુઓ

સિલિકોનનું ગલનબિંદુ જર્મેનિયમ કરતાં ઘણું વધારે હોવાથી, ગ્રેફાઇટ ક્રુસિબલને ક્વાર્ટઝ ક્રુસિબલ દ્વારા બદલવામાં આવે છે, કારણ કે ઊંચા તાપમાને ગ્રેફાઇટ સિલિકોન સાથે પ્રતિક્રિયા આપીને સિલિકોન કાર્બાઇડ બનાવી શકે છે. વધુમાં, ગ્રેફાઇટ દૂષકો પીગળેલા સિલિકોનમાં પ્રવેશી શકે છે.

ઉદ્યોગ 0.01 થી 35 ઓહ્મ x સે.મી.ની પ્રતિકારકતા સાથે ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા (વિવિધ ગ્રેડ) સાથે સેમિકન્ડક્ટર ડોપેડ સિલિકોનનું ઉત્પાદન કરે છે અને 0.05 થી 35 ઓહ્મ x સેમી સુધીની પ્રતિકારકતા સાથે વિવિધ ગ્રેડની છિદ્ર વાહકતા પણ બનાવે છે.

સિલિકોન, જર્મેનિયમની જેમ, ઘણા સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના ઉત્પાદનમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે.સિલિકોન રેક્ટિફાયરમાં, જર્મેનિયમ રેક્ટિફાયર (80 ° સે) કરતા વધુ રિવર્સ વોલ્ટેજ અને ઓપરેટિંગ તાપમાન (130 — 180 ° સે) પ્રાપ્ત થાય છે. બિંદુ અને પ્લેન સિલિકોનથી બનેલા છે ડાયોડ અને ટ્રાયોડ્સ, ફોટોસેલ્સ અને અન્ય સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો.

અંજીરમાં. 3 તેમનામાં અશુદ્ધિઓની સાંદ્રતા પર બંને પ્રકારના જર્મેનિયમ અને સિલિકોનના પ્રતિકારની નિર્ભરતા દર્શાવે છે.

ચોખા. 3. ઓરડાના તાપમાને જર્મેનિયમ અને સિલિકોનના પ્રતિકાર પર અશુદ્ધિઓની સાંદ્રતાનો પ્રભાવ: 1 — સિલિકોન, 2 — જર્મેનિયમ

આકૃતિમાંના વળાંકો દર્શાવે છે કે અશુદ્ધિઓ પ્રતિકાર પર મોટી અસર કરે છે: જર્મેનિયમમાં, તે 60 ઓહ્મ x સેમીના આંતરિક પ્રતિકાર મૂલ્યથી 10-4 ઓહ્મ x સેમીમાં બદલાય છે, એટલે કે 5 x 105 વખત, અને સિલિકોન 3 x 103 થી 10-4 ઓહ્મ x સેમી, એટલે કે એકવાર 3 x 109 માં.

બિન-રેખીય પ્રતિરોધકોના ઉત્પાદન માટે સામગ્રી તરીકે, પોલિક્રિસ્ટલાઇન સામગ્રીનો ખાસ કરીને વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે - સિલિકોન કાર્બાઇડ.

ચોખા. 4. સિલિકોન કાર્બાઇડ

પાવર લાઇન માટે વાલ્વ લિમિટર્સ સિલિકોન કાર્બાઇડથી બનેલા છે - એવા ઉપકરણો જે પાવર લાઇનને ઓવરવોલ્ટેજથી સુરક્ષિત કરે છે. તેમાં, બિન-રેખીય સેમિકન્ડક્ટર (સિલિકોન કાર્બાઇડ) ની બનેલી ડિસ્ક લાઇનમાં થતા ઉછાળા તરંગોની ક્રિયા હેઠળ જમીન પર પ્રવાહ પસાર કરે છે. પરિણામે, લાઇનની સામાન્ય કામગીરી પુનઃસ્થાપિત થાય છે. ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ પર, આ ડિસ્કના પ્રતિકારની રેખાઓ વધે છે અને લાઇનથી જમીન પર લિકેજ પ્રવાહ અટકે છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડનું ઉત્પાદન કૃત્રિમ રીતે થાય છે - ઉચ્ચ તાપમાન (2000 ° સે) પર કોલસા સાથે ક્વાર્ટઝ રેતીના મિશ્રણની હીટ ટ્રીટમેન્ટ દ્વારા.

રજૂ કરાયેલા ઉમેરણોના આધારે, બે મુખ્ય પ્રકારના સિલિકોન કાર્બાઇડ રચાય છે: લીલો અને કાળો.તેઓ વિદ્યુત વાહકતાના પ્રકારમાં એકબીજાથી અલગ પડે છે, એટલે કે: લીલો સિલિકોન કાર્બાઈડ એન-ટાઈપ વિદ્યુત વાહકતા ફેંકે છે, અને કાળો - પી-પ્રકાર વાહકતા સાથે.

માટે વાલ્વ પ્રતિબંધક સિલિકોન કાર્બાઈડનો ઉપયોગ 55 થી 150 મીમીના વ્યાસ અને 20 થી 60 મીમીની ઉંચાઈવાળી ડિસ્ક બનાવવા માટે થાય છે. વાલ્વ સ્ટોપમાં, સિલિકોન કાર્બાઇડ ડિસ્ક એકબીજા સાથે શ્રેણીમાં અને સ્પાર્ક ગેપ્સ સાથે જોડાયેલ છે. ડિસ્ક અને સ્પાર્ક પ્લગ ધરાવતી સિસ્ટમ કોઇલ સ્પ્રિંગ દ્વારા સંકુચિત થાય છે. બોલ્ટ સાથે, ધરપકડ કરનાર સાથે જોડાયેલ છે પાવર લાઇન વાહક, અને °C એરેસ્ટરની બીજી બાજુ જમીન સાથે વાયર દ્વારા જોડાયેલ છે. ફ્યુઝના તમામ ભાગો પોર્સેલિન કેસમાં મૂકવામાં આવે છે.

સામાન્ય ટ્રાન્સમિશન લાઇન વોલ્ટેજ પર, વાલ્વ લાઇન કરંટ પસાર કરતું નથી. વાતાવરણીય વીજળી અથવા આંતરિક ઉછાળો દ્વારા વધેલા વોલ્ટેજ (સર્જ) પર, સ્પાર્ક ગેપ્સ બનાવવામાં આવે છે અને વાલ્વ ડિસ્ક ઉચ્ચ વોલ્ટેજ હેઠળ હશે.

તેમનો પ્રતિકાર તીવ્રપણે ઘટશે, જે લાઇનથી જમીન પર વર્તમાન લિકેજને સુનિશ્ચિત કરશે. પસાર થતો ઉચ્ચ પ્રવાહ વોલ્ટેજને સામાન્ય બનાવશે અને વાલ્વ ડિસ્કમાં પ્રતિકાર વધશે. વાલ્વ બંધ થઈ જશે, એટલે કે, લાઇનનો ઓપરેટિંગ પ્રવાહ તેમને પ્રસારિત કરવામાં આવશે નહીં.

સિલિકોન કાર્બાઇડનો ઉપયોગ સેમિકન્ડક્ટર રેક્ટિફાયર્સમાં પણ થાય છે જે ઊંચા ઓપરેટિંગ તાપમાને (500 °C સુધી) કામ કરે છે.