Полупроводниковые свойства германия и кремния

Проводимость полупроводниковых материалов лежит между проводимостью изоляторов и проводников. Чистыми полупроводниковыми элементами являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si). Наиболее подходят для применения в электронике германий и кремний.

Германий – это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 году. Порошкообразную двуокись германия получают из золы некоторых сортов угля. Из этого порошка получают твердый чистый германий.

Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распространен в земной коре в виде белого или иногда бесцветного соединения – двуокиси кремния. Двуокисью кремния богат песок, кварц, агат и кремний. Из двуокиси кремния получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Атомная структура кремния и германия

Полупроводниковый материал после получения должен быть модифицирован, чтобы он приобрел качества, необходимые для полупроводниковых устройств. Внешняя или валентная орбита кремния содержит 4 электрона. Валентность – это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны, она определяет электрические и химические свойства атома.

Полупроводниковые материалы имеют наполовину заполненные валентные оболочки.

Материалы, которым необходимы электроны для заполнения их валентной оболочки, являются нестабильными и относятся к активным материалам. Для приобретения стабильности, активные материалы должны добавить электроны в свои валентные оболочки. Атомы кремния способны объединить свои электроны с другими атомами кремния с помощью процесса, который называется ковалентной связью. Ковалентная связь – это процесс совместного использования валентных электронов различными атомами, приводящий к образованию кристалла.

Каждый атом в такой кристаллической структуре имеет 4 своих собственных электрона и 4 совместно используемых электрона от 4-х других атомов, а всего – 8 валентных электронов. Ковалентная связь ввиду своей стабильности не может поддерживать электрическую активность.

При комнатной температуре кристаллы чистого кремния являются плохими проводниками. Они ведут себя как изоляторы. Однако если кристаллу сообщить тепловую энергию, то некоторые электроны получат эту энергию и переместятся на более высокую орбиту, нарушая ковалентную связь. Это позволяет кристаллу проводить ток.

Кремний, подобно другим полупроводникам, имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, потому что при повышении температуры его сопротивление уменьшается. Сопротивление кремния падает в 2 раза при каждом повышении температуры на 6 градусов Цельсия.

Как и кремний, германий имеет 4 валентных электрона и может образовывать кристаллическую структуру. Сопротивление германия падает в 2 раза при каждом повышении температуры на 10 градусов Цельсия. Т.о., германий является более стабильным по отношению к изменениям температуры, чем кремний. Однако германий требует меньше тепловой энергии для освобождения электронов, чем кремний. При комнатной температуре кремний имеет в 1000 раз больше сопротивление, чем германий.

Тепло при работе с полупроводниками является потенциальным источником трудностей, который нелегко подается контролю.

Дата добавления: 2014-12-08