Polovodičové prvky Si a Ge

Polovodiče

Za polovodiče považujeme látky ktoré z hľadiska vodivosti neradíme medzi vodiče ani izolanty. Niektoré črty majú polovodiče spoločné s vodičmi iné s izolantmi. Medzi polovodiče patrí veľké množstvo látok. Z chemických prvkov sú to najmä Si a Ge, ale aj mnoho ďalších ako Se, Te. Niektoré zlúčeniny B, C, P, As, Sn, Sb napr. Arzenit india, gália a aj organické zlúčeniny ako polyacetylén a aj cín v modifikácii alfa. Najdôležitejšou látkou z hľadiska dnešných technických aplikácii je Si a Ge.

Germánium

Je najrozšírenejší a najviac preštudovaný polovodič. Má názov podľa Nemecka kde bol po prvýkrát chemicky izolovaný v roku 1866. Germánia je v zemskej kôre málo, iba asi a je aj veľmi rozptýlené. Boli však nájdené spôsoby jeho výroby so surovín s nízkym obsahom tohto prvku napr. z elektrárenského popolčeka, ktorý ho obsahuje 1%. Germánium sa vyskytuje v niektorých nerastoch ako germanit, reinerit a argyrit v koncentrácii 5-7%. Z východiskovej suroviny sa získava chlorid germaničitý, pôsobením chlóru alebo chlorovodíka, vyčistí sa a hydrolýzou sa premení na oxid germaničitý, ktorý sa vodíkom redukuje na germániový prášok. Ak vyhotovený materiál nevyhovuje požiadavkám, čistí sa fyzikálnimy metódami. Ge kryštalizuje v kubickej sústave s plošne stredenou mriežkou, akú má diamant. Germánium, ktoré sa používa na výrobu polovodičových súčiastok nesmie obsahovať viac nečistôt ako %. Najrozšírenejšia metóda čistenia je zónová tavba.

Kremík

Kremík (po lat. silex, silicis) prvýkrát identifikoval Antoine Lavoisier v roku 1787, a neskôr ho Humphry Davy (1800) omylom považoval za zlúčeninu. V roku 1811 Gay Lussac a Thénard pravdepodobne pripravili amorfný a nečistý kremík redukciou fluoridu kremičitého draslíkom. V roku 1824 Berzelius pripravil amorfný kremík pomocou približne rovnakej metódy ako Lussac. Berzelius tiež kremík vyčistil opakovaným premývaním . Si je pomerne tvrdý polokov. Elementárny kremík je na vzduchu neobmedzene stály, v okolitej prírode sa s ním však stretávame prakticky iba vo forme zlúčenín, v ktorých sa vyskytuje iba s mocnosťou Si+4. Je po kyslíku druhým najrozšírenejším prvkom. Na Zemi je 28% kremíka. V prírode sa stretávame iba zo zlúčeninami kremíka. Kremík je po kyslíku druhým najviac zastúpeným prvkom v zemskej kôre. Podľa posledných dostupných údajov tvorí kremík 26 – 28 % zemskej kôry . V morskej vode je jeho koncentrácia pomerne nízka, ale vo vesmíre pripadá na jeden atóm kremíka približne 30 000 atómov vodíka. Kremík je najdôležitejší polovodičový materiál. Vďaka väčšej pohyblivosti majú súčiastky s germánia širšie využitie vo väčšom frekvenčnom rozsahu, ale súčiastky z kremíka môžu pracovať pri podstatne vyšších teplotách až 200 stupňov Celzia a sú podstatne lacnejšie. Štruktúra i použitie kremíka sú podobné ako u germánia. Je hlavnou surovinou na výrobu integrovaných obvodov. Kremík s tiež čistí ťažšie ako germánium lebo ma vyššiu teplotu tavenia a chemicky reaguje s nádobou v ktorej sa čistí.

Použitie

Pretože kremík (ang. silicon) je dôležitý prvok pre polovodiče a elektronické zariadenia, je región v Kalifornii, kde sú sústredené spoločnosti zaoberajúce sa vývojom takýchto zariadení, Silicon Valley (Kremíkové údolie), pomenovaný podľa tohto prvku. Ge a Si sa používajú na výrobu diód, tranzistorov, fotočlánkov, fotorezistorov, termistorov, termočlánkov, tyristorov a iných polovodičových súčiastok a integrovaných obvodov. Prvý integrovaný obvod bol vyrobený v roku 1958, keď na germániovej platničke boli umiestnené tranzistory, rezistory a kondenzátory pospájané do funkčnej jednotky. Do amfotérnych polovodičov sa pridávajú prímesi najviac: In, Ga, Zn, B, Al – ako akceptorové prímesi na vznik polovodiča typu N. Donorové prímesi: Li, P, As, Sb tvoria polovodiče typu P. Koncentrácia prímesových atómov je 1 prímesový atóm na atómov polovodiča. Ge (aj Si) sa používajú v monokryštalickom stave. Monokryštály sa vyrábajú prevažne Czochralsého metódou.