Primjeri poluvodiča. Vrste, svojstva, praktične primjene

Najpoznatiji je poluvodički silicij (Si). No, osim njega, tu su i mnogi drugi. Primjeri su prirodni, kao što su poluvodički materijali izmiješan (ZnS), kuprit _(Cu2 O), galenit (PBS) i mnogi drugi. Obitelj poluvodiča, uključujući i poluvodiča pripremljene u laboratorijima, predstavlja jedan od najrazličitijih slojeva materijala poznatih čovjeku.

Karakterizacija poluvodiča

Od 104 elemenata periodnog sustava su metali 79, 25 - nemetala od kojih su 13 kemijski elementi posjeduju svojstva i poluvodički 12 - dielektrična. Glavni poluvodiča značajka sastoji se u tome njihova vodljivost znatno povećava s povećanjem temperature. Na niskim temperaturama, oni se ponašaju kao izolatori, te na visoke - kao vodiča. Te poluvodiči su različiti od metala: otpornost metal povećava proporcionalno s povećanjem temperature.

Još jedna razlika od poluvodiča metala je da je otpor poluvodiča smanjuje pod utjecajem svjetlosti, dok u potonjem ne utječe metal. Također vodljivost poluvodiča varira kada se daju male količine nečistoća.

Poluvodiči nalaze između kemijskih spojeva s različitim kristalnim strukturama. One mogu biti elementi kao što su silicij i selena, dvostruko ili spojeva kao što su galij arsenida. Mnogi organski spojevi, kao što je polyacetylene, (CH) _n, - poluvodičkih materijala. Određenim poluvodičima pokazuju magnetsko (CD _1-x Mn _x Te) ili feroelektrična svojstva (SbSI). Ostali dodaci sa dovoljnim postati supravodiča (Gete i SrTiO _3). Mnogi od novootkrivenih velike supravodiča imaju metalik poluvodičke fazu. Na primjer, La ₂ CuO ₄ je poluvodički, ali formiranje legure sa SR postaje sverhrovodnikom (La _{1 x x SR) 2} CuO _4.

Fizika udžbenika dobije značenje kao poluvodičkog materijala s električni otpor od 10 ^-4 10 ⁷ · ohma m. Možda alternativa definicija. Širina zabranjene vrpce poluvodiča - od 0 do 3 eV. Metali i polumetali - materijal s nula energije jaz, te tvari u kojoj prelazi W eV zove izolatora. Postoje iznimke. Na primjer, poluvodički dijamant ima široki pojas 6 zabranjen eV, polu-izolacijski GaAs - 1,5 eV. Ganu, materijal za optoelektronička uređaja u plavoj regiji, ima zabranjenu širinu trake od 3,5 eV.

energija jaz

Valence orbitale atoma u kristalnoj rešetci su podijeljeni u dvije skupine energetske razine - slobodne zone, koji se nalazi na najvišoj razini, a određuje električnu vodljivost poluvodiča i valentni pojas u nastavku. Te razine, ovisno o simetrije rešetkastu strukturu kristala i ugljika mogu se sijeku i međusobno razmaknute. U potonjem slučaju postoji energetski jaz, ili drugim riječima, između zabranjenim benda zona.

Položaj i razina punjenja je određena osobina provodljivosti materijala. Prema ovom igranom tvari podijeljena vodičima, izolatora i poluvodiča. Širina zabranjene vrpce poluvodiča varira 0.01-3 eV, energetski jaz dielektrična od 3 eV. Metali zbog preklapanja razina energije praznine nisu.

Poluvodiča i izolatora, za razliku od metala, elektroni su puni valentni pojas i najbliža slobodnu zonu ili vodljivi pojas, valencija energija ograđena od rupture - Dio zabranjenih energija elektrona.

U dielektrika toplinska energija ili zanemariv električno polje nije dovoljno da bi skočiti preko tog jaza, elektroni ne podliježu vodljivi pojas. Oni su u stanju kretati kroz kristalne rešetke i postaju nositelji električne struje.

Za napajanje električne vodljivosti, elektron u razini valentni treba dati energiju, što bi bilo dovoljno za prevladavanje energije jaz. Tek kad je količina apsorpcije energije nije manja od vrijednosti energije jaz, proći će od razine valentnog elektrona na razini provođenja.

U tom slučaju, ako je širina energetskog jaz prelazi 4 eV, vodljivost poluvodiča uzbude zračenje ili grijanje je gotovo nemoguće - uzbude energija elektrona na temperaturi taljenja nije dovoljno za skok energije jaz kroz zonu. Kada grije, kristal tali prije elektronske vodljivosti. Takve tvari uključuju kvarca (De = 5,2 eV), dijamant (DE = 5,1 eV), mnoge soli.

Vanjski i unutrašnji vodljivost poluvodiča

Neto poluvodički kristali imaju intrinzičnu provodljivost. Takve poluvodiči vlastitih imena. Poluvodič sadrži jednak broj rupa i slobodnih elektrona. Prilikom zagrijavanja pravi vodljivost poluvodiča povećava. Pri konstantnoj temperaturi, postoji uvjet dinamičke ravnoteže količine generirana elektrone otvora parova i broju rekombiniraju elektrona i rupa, koje ostaju konstantni pod tim uvjetima.

Prisutnost nečistoća značajno utječe na električnu vodljivost poluvodiča. Dodavanje im omogućuje znatno povećanje broja slobodnih elektrona u malim brojem rupa i povećati broj rupa s malim brojem elektrona u razini provođenja. Nečistoća poluvodiči - dirigenti imaju nečistoće provodljivost.

Nečistoće su jednostavno donirati elektrona nazivaju donator. Donora nečistoće mogu biti kemijski elementi s atomima, razina valencija koje sadrže više od elektrona atoma u osnovnom materijalu. Na primjer, fosfor i bizmuta - a silicij donatora nečistoća.

Potrebna za skok elektrona u vodljivi području energije, zove se aktivacijska energija. Nečistoća poluvodiča potrebno puno manje od toga od osnovnog materijala. Uz blago zagrijavanje ili svjetlo uglavnom oslobođeni elektrone atoma nečistoće poluvodiča. Postavite napustio atom uzima elektron rupu. Ali elektron rupa rekombinacije ne odvijaju. donor rupa vodljivost je zanemariva. To je zato što mala količina nečistoće atoma ne dopuštaju slobodni elektroni često bliži rupu i da ga drže. Elektroni su neke rupe, ali nisu u mogućnosti da ih ispunite zbog nedovoljne razine energije.

Lagani dodatak donator nečistoća nekoliko redova povećava broj provođenja elektrona u odnosu na broj slobodnih elektrona u poluvodič. Elektroni ovdje - glavni nositelji atomskih optužbi nečistoće poluvodiča. Te tvari spadaju u n-tipa poluvodiča.

Nečistoće koje vežu elektrone od poluvodiča, čime se povećava broj rupa u njemu, zove akceptor. Akceptorske nečistoće su kemijski elementi s manjim brojem elektrona u razini valentnog nego bazi poluvodiča. Bor, galij, indij - akceptor nečistoća silicijem.

Karakteristike poluvodičkog ovise o njegovom kristalnom strukturom nedostataka. To uzrokuje potrebu raste vrlo čiste kristale. Parametri poluvodiča provođenje kontrolira dodavanjem sredstva za dopiranje. Kristali silicij dopiranog s fosfor (V) podskupine elementa koji je donor izraditi silicijski n-tip. Za kristala s p-tipa silikon daje bor akceptora. Poluvodiči nadoknaditi Fermi razinu da ga presele u sredini pojas stvoren na takav način.

jednog elementa poluvodiči

Najčešći poluvodiča je, naravno, silicija. Zajedno s Njemačkom, bio je prototip velike skupine poluvodiča koji imaju slične kristalne strukture.

Kristalna struktura Si i Ge su isti kao i onaj od dijamanta i a-kositra. On okružuje svaki atom 4 najbliže atoma koji tvore tetraedar. Koordinacija se zove četiri puta. Kristali tetradricheskoy čelična vezu za elektroničku industriju i imaju ključnu ulogu u modernom tehnologijom. Neke od elemenata V i VI periodičkog skupine su poluvodiči. Primjeri ovog tipa poluvodiča - fosfor (P), sumpor (S), selen (Se) i telurij (Te). Ovi mogu poluvodiči trostrukih C (P), disupstituiran (S, Se, Te) ili četiri puta koordinacija a. Kao posljedica takvih elemenata mogu postojati u nekoliko različitih kristalnih struktura, a također se mogu pripraviti u obliku stakla. Na primjer, Se uzgaja u monoklinski i trostranih kristalne strukture ili prozor (koji se također može smatrati kao polimer).

- Dijamant ima izvrsnu toplinsku vodljivost, odlična mehanička i optička svojstva, visoku mehaničku čvrstoću. Širina energije jaz - de = 5,47 eV.

- Silicon - poluvodiča koristi u solarnim ćelijama i u amorfnom obliku, a - u tankoslojnih solarnih ćelija. To je najviše koristi u poluvodičkih solarnih ćelija, lako za proizvodnju, ima dobre električne i mehaničke osobine. dE = 1,12 eV.

- Germanij - poluvodiča koristi u gama-zrakama spektroskopiju, visokih performansi solarnih ćelija. Koristi se u prva dioda i tranzistora. To zahtijeva manje čišćenje od silicija. dE = 0,67 eV.

- Selen - poluvodič koji se koristi u selena ispravljači imaju visoku otpornost zračenja i sposobnost da se izliječi.

Dva elementa spojevi

Svojstva poluvodiča oblikovanih elemenata 3 i 4 periodičkog skupina nalikuju svojstva spojeva 4 skupine. Prijelaz iz 4 grupe elemenata na spojeve 3-4 gr. To čini komunikaciju dijelom zato ionski naboj transport elektrona iz atoma na atom 3 Skupina 4 grupe. Ionicity mijenja svojstva poluvodiča. To uzrokuje povećanje energije i ion-ion interakcije energija gap elektron band strukture Coulombovom. Primjer binarni spojevi ovog tipa - indij antimonid, InSb, galij arsenida GaAs, galij antimonid GaSb, indij fosfid INP, aluminij antimonid AlSb, galij fosfid praznina.

Ionicity povećava i njegova vrijednost raste više grupa u spojevima 2-6 spojevi, kao što su kadmij, cink selenid sulfid, kadmij sulfid, kadmij, cink Telluride selenid. Kao posljedica toga, većina spojeva 2-6 skupine zabranjen sastav širi od 1 eV osim živinih spojeva. Živin Telluride - bez zazora energije poluvodiča, polu-metala, kao što su a-kositra.

Poluvodiči 2-6 skupine s većim energije jaz uporabu naći u proizvodnji lasera i prikazuje. Binarni grupe 6 2- spoja sa suženim energijom međuprostora prikladan za infracrvenog prijemnika. Binarni spojevi elemenata skupina 1-7 (bakrov bromid CuBr, AGI srebrni jodid, bakreni klorid CuCl) zbog visoke ionicity imaju šire pojasni W eV. Oni zapravo ne poluvodiče i izolatore. Rast kristala sidrenje energije zbog interakcije Coulombovom interionic olakšava strukturiranja atoma sol s šestu, umjesto kvadratna koordinata. Spojevi 4-6 skupine - sulfida, olovo Telluride kositreni sulfid - kao poluvodičima. Ionicity tih tvari i pospješuje koordinaciju tvorbe šesterostruk. Mnogo ne ionicity isključuje prisutnost oni imaju vrlo uskom rasponu praznine, oni se mogu koristiti za primanje infracrveno zračenje. Galij nitrida - Spoj skupine 3-5 sa širokim energije jaz, nalaze primjenu kod poluvodičkih lasera i svjetlećih dioda koje rade u plavom dijelu spektra.

- GaAs, galij arsenida - na zahtjev nakon drugog silicija poluvodič obično koristi kao supstrat za druge vodiča, na primjer, GaInNAs i InGaAs u setodiodah infracrvenom, visoke frekvencije tranzistora i ICS, visoko učinkovitih solarnih ćelija, laserskih dioda, detektori nuklearne lijek. dE = 1,43 eV, što poboljšava snaga uređaja u odnosu na silicij. Krhki, sadrži više onečišćenja teško proizvesti.

- ZnS, cinkov sulfid - cinkova sol sumporovodika sa zabranjenim band zona i 3,54 3,91 eV koriste u laseri i kao fosfora.

- kositar SNS sulfida - poluvodiča koristi u photoresistors i fotodioda de = 1,3 i 10 eV.

oksidi

Metalni oksidi su ponajprije izvrsni izolatori, ali postoje iznimke. Primjeri ovog tipa poluvodiča - nikal oksid, bakreni oksid, kobaltov oksid, bakreni oksid, željezov oksid, europij oksid, cinkov oksid. Od bakra dioksid postoji kao mineralne kuprit, njegova svojstva su intenzivno proučavali. Postupak za uzgoj ove vrste poluvodiča još nije posve jasno, pa njihova primjena je još uvijek ograničena. Iznimka je cinkov oksid (ZnO), spoj 2-6 grupe, koristi se kao sonde, a za proizvodnju ljepljive trake i flastera.

Situacija se dramatično promijenila nakon supravodljivost je otkrivena u mnogim spojevima bakra s kisikom. Prvi visoke temperature supravodiča otvori Bednorz i Muller, je spoj poluvodič temelju La ₂ CuO _4, energetski razmak od 2 eV. Zamjenom dvovalentan trovalentni lantana, barij, stroncij ili uvodi u poluvodičku naboja rupa. Postizanje potrebnu koncentraciju rupa čini La ₂ CuO ₄ supravodiča. U ovom trenutku, najviša temperatura prijelaza u supravodljivo stanje pripada spoju HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Pod visokim tlakom, njegova vrijednost je 134 K.

ZnO, cink oksid otpornik koristi, plave svjetlosne diode, senzore plina, biološke senzore, obloge prozore, da bi odražavala infracrveno svjetlo, kao dirigent u LCD zaslonima i solarnih baterija. dE = 3,37 eV.

slojeviti kristali

Dvostruke spojevi kao što su olovo, galij dijodida selenid i molibden disulfida razlikuju slojevitu kristalnu strukturu. Slojevi su kovalentne veze znatne snage, puno jači od van der Waalsove veze između samih slojeva. Poluvodiči kao vrsta su zanimljivi jer se elektroni ponašaju u slojevima kvazi-dvodimenzionalni. Interakcija slojeva mijenja uvođenjem izvan atoma - interkalacijom.

MoS _2, molibden disulfida se koristi u visokofrekventnih detektora, ispravljači, memristor, tranzistora. dE = 1,23 i 1,8 eV.

organski poluvodiči

Primjeri poluvodiča na bazi organskih spojeva - naftalin, polyacetylene _{(CH2) n,} antracen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Organski poluvodiči imaju prednost u odnosu na ne-organski: oni su jednostavno dati željene kvalitete. Tvari s konjugiranim veze tvore -C = C-C = posjeduju značajnu optički nelinearnost i, zbog toga, u optoelektronici primjenjuju. Osim toga, energija pojas organski poluvodiča spoj formule varirati promjene koje mnogo lakše nego kod konvencionalnih poluvodiča. Kristalni allotropes ugljikovih fullerena, grafena, nanocjevčice - također poluvodičima.

- fulerena ima strukturu u obliku zatvorenog konveksnog poliedra ugleoroda i broj atoma. Dopinga fulerena C ₆₀ s alkalijskim metalom, pretvara u supravodič.

- grafit ugljik Monoatomsko sloj je formirana, je povezan na dvodimenzionalnu šesterokutnom rešetke. Snimanje ima vodljivost i pokretljivosti elektrona, visoke čvrstoće

- Nanocjevčice valjane cijevi u grafitne ploče, koji ima promjer od nekoliko nanometara. Ovi oblici ugljika, imaju veliku mogućnost Nanoelektronski. Ovisno o spojke mogu biti metalni ili poluvodički kvalitete.

magnetska poluvodiči

Spojevi s magnetskim iona mangana i europija su magnetska neobične i teme:. Primjeri ovog tipa poluvodiča - europij sulfida, selenid europij i čvrste otopine, kao CD _{1 x} Mn _x Te. Sadržaj magnetskih iona djeluje obje supstance pokazuju magnetska svojstva, kao što su i feromagnetizma antiferromagnetism. Polumagnetski poluvodiči - je tvrda magnetska Semiconductors otopine koje sadrže magnetne iona u niskoj koncentraciji. Takve čvrste otopine privući pažnju svoju perspektivu i veliki potencijal mogućih primjena. Na primjer, za razliku od ne-magnetskih poluvodiča, oni mogu doći do milijun puta veće Faradayev rotaciju.

Jaka magnetooptički učinci magnetskih poluvodiča dopustiti njihovo korištenje za optičku modulaciju. Perovskiti, kao Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, svojstvima superiorni u metal-poluvodičke prijelaza, koji usmjeravaju ovisnosti o magnetskog polja rezultate u fenomen div magnetno-otpora. Oni se koriste u radio, optičkih uređaja, koji kontrolira magnetsko polje, mikrovalna pećnica valovodu uređaja.

poluvodički feroelektrici

Ova vrsta kristala karakterizira prisutnost u svojim električnim trenucima i pojave spontane polarizacije. Na primjer, takva svojstva su poluvodiči dovesti titanovog PbTiO _3, barijev titanat BaTiO _3, germanij, Telluride Gete, kositar Telluride SnTe, pri niskim temperaturama koje imaju feroelektrični svojstva. Ovi materijali se koriste u nelinearni optički, piezoelektrični senzori i memorijskih uređaja.

Razne poluvodičkih materijala

Uz poluvodičkih materijala navedenih, postoje i mnogi drugi koje ne spadaju pod jedan od tih tipova. Spojevi formule (1-3-5 elemenata ₂ AgGaS ₂₎ i ₂ (2-4-5 ZnSiP ₂₎ tvore kalkopirita kristalnu strukturu. Kontakt tetrahedralnog spojeve analogne poluvodiče 3-5 i 2-6 grupe s cinkovim izmiješan kristalne strukture. Spojevi koji oblikuju poluvodičkih elemenata 5 i 6 skupina (slična kao ₂ Se _3), - poluvodiča u obliku kristala ili stakla. Chalcogenides od bizmuta i antimona se koriste u poluvodiča termoelektričnih generatora. Svojstva ovog tipa poluvodiča je vrlo zanimljivo, ali oni nisu stekli popularnost zbog ograničene primjene. Međutim, činjenica da oni postoje, potvrđuje prisutnost još nije u potpunosti istražen područje poluvodiča fizike.