Свойства германия и кремния. Методы электрофизической обработки
Министерство
образования
Учреждение
образования «Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники»
Факультет
заочного обучения
Специальность
ЭиОП
Контрольная
работа № 1
по
дисциплине «Производственные технологии»
Вариант
№ 39
Студента гр.101502
Макась М. А.
Минск
2014
Вариант 39
1.
Элементарные полупроводники (германий, кремний и др.). Свойства, получение,
применение. Эпитаксиальные структуры кремния
2.
Электрофизическая обработка (электроэрозионная, лазерная, электронно-лучевая,
плазменная).
.
Задача №48. Пленочный конденсатор, диэлектрик которого имеет ε
= 3 теряет
за 30 минут половину сообщенного ему заряда. Полагая, что утечка происходит
только через пленку диэлектрика, определите его удельное сопротивление
полупроводник германий
электрофизическая обработка
1. Элементарные полупроводники (германий,
кремний и др.). Свойства, получение, применение. Эпитаксиальные структуры
кремния
Полупроводники представляют особый класс
веществ, которые по удельному сопротивлению занимают промежуточное положение
между металлами и диэлектриками. Они обладают специфическими свойствами: при
повышении температуры увеличивают электропроводимость; при температуре, близкой
к абсолютному нулю, превращаются в диэлектрики; их свойства чувствительны к
наличию примесей и ионизирующих излучений. Условно полупроводниковые материалы
делят на элементарные и сложные.
Наиболее полно изучены и применяются в
полупроводниковой технике германий и кремний - кристаллические вещества с
решеткой типа алмаза. Химическая связь - ковалентная, имеет место
sp3-гибридизация. Каждый атом Si (Ge) обладает четырьмя валентными электронами
и образует с соседними атомами четыре равноценные валентные связи, которые
расположены в виде тетраэдра.
Основные свойства германия и
кремния
Свойства
|
Германий
|
Кремний
|
Период решетки, нм
|
0,566
|
0,542
|
Плотность при 20°С, Мг/м3
|
5,3
|
2,3
|
Температурный коэффициент линейного
расширения, K-l
|
6∙10-3
|
4,2∙10-5
|
Удельная теплопроводность Вт/(м∙К)
|
55
|
80
|
Удельная теплоемкость (0 - 100°С),
Дж/(кг∙К)
|
333
|
710
|
Температура плавления, °С
|
936
|
1414
|
Собственное удельное сопротивление при
20°С, Ом∙м
|
0,47
|
2∙103
|
Собственная концентрация носителей заряда, м-3
|
2,5∙1019
|
1016
|
Ширина запрещенной зоны, эВ: при 0 К
|
0,746
|
1,165
|
при 300 К
|
0,665
|
1,12
|
Подвижность электронов, м2/(В∙с)
|
0,39
|
0,14
|
Подвижность дырок, м2/(В∙с)
|
0,19
|
0,05
|
Работа выхода электронов, эВ
|
4,8
|
4,3
|
Диэлектрическая проницаемость
|
16
|
12,5
|
Германий - твёрдое вещество с металлическим
блеском, имеющее серо-белый цвет. Хотя цвет германия - это понятие довольно
относительное, здесь все зависит от обработки поверхности материала. Иногда он
может быть серым как сталь, иногда серебристым, а иногда и вовсе черным. Внешне
германий довольно близок к кремнию. Данные элементы не только похожи между
собой, но и обладают во многом одинаковыми полупроводниковыми свойствами.
Существенным их отличием является тот факт, что германий более чем в два раза
тяжелее кремния.
Содержание германия в земной коре невелико,
около 7 10-4%. В результате химической переработки исходного сырья образуется
тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в диоксид
германия (GeO2) - порошок белого цвета. Диоксид германия восстанавливается в
водородной печи при температуре 650-700 С до элементарного германия,
представляющего собой серый порошок. В некоторых случаях порошок германия
получают непосредственно из GeCl4 путем разложения этого соединения при высокой
температуре в атмосфере паров цинка. Порошок германия подвергают травлению в
смеси кислот и сплавляют в слитки. Слитки германия используют в качестве
исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки
или же для непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из
расплава ( метод Чохральского ).
Метод получения германия из минерала, который
использовал Винклер, довольно близок к одному из современных промышленных
методов выделения 32-го элемента. Сначала германий, который содержался в
аргароднте, перевели в двуокись. Затем полученный белый порошок нагревался до температуры
600-700 °C в водородной атмосфере. При этом реакция оказалась очевидной: GeO2 +
2H2 → Ge + 2H2О.
При переработке сульфида германия получают оксид
GeО2, при помощи водорода его восстанавливают до получения свободного германия.
В промышленном производстве германий добывается
в основном как побочный продукт в результате переработки руд цветных металлов
(цинковая обманка, цинково-медно-свинцовые полиметаллические концентраты,
содержащие 0,001-0,1% германия), золы от сжигания угля, некоторых продуктов
коксохимии.
Изначально из рассмотренных выше источников
выделяют германиевый концентрат (от 2% до 10% германия) различными способами,
выбор которых зависит от состава сырья. На переработке боксирующих углей
происходит частичное выпадение германия (от 5% до10%) в надсмольную воду и
смолу, от туда он извлекается в комплексе с танином, после он высушивается и
обжигается на температуре 400-500°С. В результате получается концентрат,
который содержит около 30-40% германия, из него германий выделяют в виде GeCl4.
Процесс извлечения германия из подобного концентрата, как правило, включает
одни и те же стадии:
) Осуществляется гидролиз GeCl4, продукты
гидролиза прокаливают вплоть до получения оксида GeO2.
) GeO восстанавливается водородом или аммиаком
до чистого металла.
При получении самого чистого германия, который
используется в полупроводниковых технических средствах, проводят зонную плавку
металла.
Четыреххлористый германий GeCl4. - это летучая
жидкость, которая закипает всего при 83,1°C. Поэтому она достаточно удобно
очищается дистилляцией и ректификацией (в кварцевых колоннах с насадкой).почти
нерастворим в соляной кислоте. Значит, для его очистки можно применять
растворение примесей HCl.
Очищенный четыреххлористый германий
обрабатывается водой, очищенной при помощи ионообменных смол. Признак нужной
чистоты - увеличение показателя удельного сопротивления воды до 15-20 млн
Ом·см.
Под действием воды происходит гидролиз GeCl4:
GeCl4 + 2H2O → GeO2 + 4HCl.
После идет восстановление GeO2 при помощи
очищенного водорода:
GeO2 + 2 Н2O → Ge + 2 Н2O.
В итоге получают порошкообразный германий,
который сплавляется, а затем очищается способом зонной плавки. Данный метод
очистки был разработан еще в 1952 г. специально для очистки германия.
Необходимые для придания германию того или иного
типа проводимости примеси вводятся на завершающих стадиях производства, а
именно при зонной плавке, а также во время выращивания монокристалла.
Применение германия
Германий является полупроводниковым материалом,
применяемым в электронике и технике при производстве микросхем и транзисторов.
Тончайшие пленки германия наносятся на стекло, применяют как сопротивление в
радарных установках. Сплавы германия с различными металлами используют при
производстве детекторов и датчиков. Диоксид германия широко используется в
производстве стекол, имеющих свойство пропускать инфракрасное излучение.
Теллурид германия уже очень давно служит
стабильным термоэлектрическим материалом, а также как компонент
термоэлектрических сплавов. Исключительно стратегическую роль играет германий
сверхвысокой чистоты в изготовлении призм и линз инфракрасной оптики.
Крупнейшим потребителем германия является именно инфракрасная оптика, которую
используют в компьютерной технике, системах прицела и наведения ракет, приборах
ночного видения, картографировании и исследовании поверхности земли со
спутников. Германий также широко используется в оптоволоконных системах
(добавка тетрафторида германия в состав стекловолокно), а также в
полупроводниковых диодах.
Диоды на основе германия и триоды стали широко
использоваться в телевизорах и радиоприемниках , в самой разной измерительной
аппаратуре и счетно-решающих устройствах.
Применяется германий также и в других особо
важных областях современной техники: при измерении низких температур, при
обнаружении инфракрасного излучения и др.
Для использования метла во всех этих областях
требуется германий очень высокой химической и физической чистоты. Химическая
чистота - это такая чистота, при которой количество вредных примесей не должно
составлять более чем одну десятимиллионную процента (10-7%). Физическая чистота
означает минимум дислокаций, минимум нарушений кристаллической структуры
вещества. Для ее достижения специально выращивается монокристаллический
германий. В данном случае весь слиток металла представляет собой всего один
кристалл.
Для этого на поверхность расплавленного германия
помещается германиевый кристалл - «затравка», который постепенно поднимается
при помощи автоматического устройства, при этом температура расплава немного
превышает температуру плавления германия (составляет 937 °C). «Затравка»
вращается, чтобы монокристалл, как говорится, «обрастал мясом» со всех
равномерно сторон. Необходимо отметить, что во время подобного роста происходит
то же, что и в процессе зонной плавки, т.е. в твердую фазу переходит
практически один лишь германий, а все примеси остаются в расплаве.
Кремний
Содержание кремния в земной коре
<#"793843.files/image001.gif">
При этом образуется бурый порошок
аморфного кремния»[4]
<#"793843.files/image002.gif">q1
найти
Решение
1)
|
Электрическое
сопротивление проводника прямо пропорционально произведению удельного
сопротивления материала, из которого сделан проводник на его длину, и обратно
пропорционально его сечению
|
2)
|
|
3)
|
Закон
Ома
|
4)
|
|
5)
|
Сила
тока ( I )- равна отношению заряда q , прошедшего через поперечное сечение
проводника, к промежутку времени t , в течение которого шел ток.
|
6)
|
5
подставили в 4 и 2
|
7)
|
Электроемкость
двух проводников - это отношение заряда одного из проводников к разности
потенциалов между ними
|
8)
|
|
9)
|
|
10)
|
Из
условия получаем
|
11)
|
|
12)
|
Электроемкость
конденсатора прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна
расстоянию между обкладками
|
13)
|
При
введении диэлектрика между обкладками конденсатора его электроемкость
увеличивается в раз. Подставим 13 в 11
|
14)
|
Подставим
14 в 6
|
15)
|
|
Ответ
|
Ом×м
|