Полупроводниковые химические соединения (бинарные соединения)

Полупроводниковыми свойствами обладают не только простые полупроводники (германий, кремний), но и целый ряд химических соединений. Среди них наибольшее распространение получили двойные (бинарные) соединения А^IIIВ^V, А^IIB^VI, А^IVB^IV и др.

Соединения А^IIIВ^V являются ближайшими аналогами кремния и германия. Они образуются в результате взаимодействия элементов III подгруппы таблицы Менделеева (бор, алюминий, галлий, индий) с элементами

V подгруппы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма), которые соответственно называются нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Среди соединений А^IIIВ^V особое положение занимает арсенид галлия (GaAs). У него ширина запрещенной зоны превышает ширину запрещенной зоны германия и кремния, но ещё не очень велика (1,43 эВ). Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по частотному пределу превосходят германиевые, а по максимальной рабочей температуре (до 450 ^оС) – кремниевые.

Соединения А^IIB^VI образуются в результате взаимодействия элементов II подгруппы (цинк, кадмий, ртуть, медь, висмут) с элементами VI подгруппы (сера, селен, теллур, кислород), которые соответственно называются сульфиды, селениды, теллуриды, оксиды. Технология изготовления полупроводниковых соединений А^IIB^VI разработана гораздо менее полно. Это связано с тем, что они обладают высокими температурами плавления. Обычно их выращивают в запаянных кварцевых ампулах.

К этой же группе относится оксид цинка ZnO, имеющий ΔW = 3,2 эВ, который широко используется в ограничителях перенапряжения. Но о нём подробнее будет рассказано в разделе «Керамические полупроводники».

Карбид кремния (SiC) является единственным бинарным соединением, образованным элементами IV подгруппы (А^IVB^IV) и относящихся к полупроводникам. Этот полупроводниковый материал с большой шириной запрещённой зоны (ΔW = 2,8–3,1 эВ) применяется для изготовления полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах (до 700 ^оС). Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив к окислению до температуры свыше 1 400 ^оС.

Полупроводниковые материалы сложного состава (полупроводниковые комплексы)

Полупроводниковые комплексы находят применение для изготовления термоэлементов, термогенераторов, холодильных устройств и т. д. К таким материалам относятся, например, тройные сплавы: Вi-Sb-Zn (висмут-сурьма-цинк), Bi-Te-Se (висмут-теллур-селен) и т. д.

К этой же группе относятся керамические полупроводники, которые нашли применение в качестве резисторов вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений. Вентильные разрядники [7] используются для защиты изоляции электрооборудования подстанций от волн, бегущих с линий. Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток и резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Основу нелинейного резистора вентильного разрядника составляет порошок из зёрен карборунда (SiC). В вентильных разрядниках нелинейные резисторы изготавливают из вилита и тервита.

Вольтамперная характеристика нелинейного резистора в логарифмических координатах хорошо аппроксимируется двумя отрезками прямых (рис.11). Для каждого отрезка действительна зависимость

lgU = lgA + α·lgI,

где А – постоянная, α – коэффициент нелинейности (α = tgF).

Чем меньше коэффициент α₂, тем шире диапазон токов, для которых на вентильном разряднике напряжение безопасно для изоляции.

Рис. 11. Вольтамперная характеристика разрядника в логарифмических

координатах

Вилит получают из зёрен карборунда и эмульсии мела в жидком стекле путем обжига при температуре 380 ^оС. Коэффициенты нелинейности вилита α₁ = 0,28–0,30 и α₂ = 0,11–0,20.

Тервит получают из карборунда и эмульсии глинозёма в жидком стекле путём обжига при температуре 1 280–1 300 ^оС, при этом часть окиси кремния выгорает, что повышает пропускную способность по сравнению с вилитом (с 300 до 1 500 А), но уменьшается степень нелинейности (у тервита α₁ = 0,35–0,38 и α₂ = 0,15–0,25).

Разработанные в 70-е годы в СССР и за рубежом резисторы на основе окиси цинка (ZnO) обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Оксидно-цинковая керамика – это нелинейный материал, получаемый в результате высокотемпературного обжига (до 1 300 ^оС) смеси, состоящей из оксида цинка (ZnO) и некоторого количества оксида другого металла: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т. п. (масса самой весомой из добавок составляет менее 4 % массы оксида цинка). Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики составляет

α = 0,02–0,1 и зависит от сочетания добавок к оксиду цинка и от температуры обжига материала.

Такая высокая нелинейность обуславливает прохождение при рабочем напряжении через нелинейные резисторы тока порядка доли миллиампера, что позволило исключить искровой промежуток и подключить резистор ОПН непосредственно к сети.