Свойства германия и кремния. Методы электрофизической обработки

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

 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