Примери за полупроводници. Видови, својства, практични апликации

Најпознат е полупроводници силициум (Si). Но, за разлика од него, постојат многу други. Примери за тоа се природни, како полупроводнички материјали како blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), галенит (PBS) и многу други. Семејството на полупроводници, вклучувајќи полупроводници подготвени во лаборатории, претставува една од повеќето различни класи на материјали познати на човекот.

Карактеризација на полупроводници

Од 104 елементи од периодниот систем се метали 79, 25 - неметали од кои 13 хемиски елементи поседуваат semiconducting својства и 12 - диелектрик. Главната полупроводнички функција се состои во тоа што нивниот спроводливост значително се зголемува со зголемување на температурата. На ниски температури, тие се однесуваат како изолатори, и на високи - како проводници. Овие полупроводници се различни од метал: метал отпор се зголемува пропорционално со зголемување на температурата.

Друга разлика од метал за полупроводници е дека отпорот на полупроводници се намали под влијание на светлината, а во вториот метал не е засегната. Исто така проводноста на полупроводници варира кога се администрира на мала количина на нечистотија.

Полупроводници се наоѓаат меѓу хемиски соединенија со различни кристални структури. Овие може да биде елементи како што се силициум и селен, или двојно соединенија, како што галиум арсенид. Многу органски соединенија, како што полиацетиленот (CH) _n, - полупроводнички материјали. Одредени полупроводници покажуваат магнетни (CD _1-x Mn _x Te) или ferroelectric својства (SbSI). Други легирање со доволно стане суперспроводници (GeTe и SrTiO _3). Многу од новооткриените висока температура суперпроводник имаат метални semiconducting фаза. На пример, Ла ₂ CuO ₄ полупроводничка, но формирањето на легура со СР станува sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

учебници физика даде дефиниција како што е на полупроводници материјал со електрична отпорност од 10 ^-4 до 10 ⁷ оми · m. Можеби алтернативна дефиниција. На ширина на забранета зона на полупроводници - од 0 до 3 eV. Метали и semimetals - материјал со нула енергија јаз, и суштината на кој ја надминува W eV наречен изолатори. Постојат исклучоци. На пример, полупроводнички дијамант има широк забранета зона 6 eV, полу-изолациски GaAs - 1,5 eV. Ган, материјал за оптоелектронски уреди во сино регионот, е забранета бенд ширина од 3,5 eV.

енергетската јаз

Valence орбитали на атомите во кристално решетки се поделени во две групи на нивото на енергија - слободна зона, која се наоѓа на највисоко ниво, а ја одредува електричната спроводливост на полупроводници, и бендот валентни, подолу. Овие нивоа, во зависност од симетријата на решетка кристалната структура и атомите може да се сечат или да бидат распоредени едни од други. Во вториот случај постои јаз енергија, или со други зборови, помеѓу забранета зона зони.

На локацијата и нивото на полнење е утврдена од страна на проводен својства на материјалот. Според оваа функција супстанција поделена од страна на проводници, изолатори, и полупроводници. На ширина на забранета зона на полупроводничка компонента која се движи 0,01-3 eV, енергијата празнината на диелектрична од 3 eV. Метали поради преклопување на нивото на енергија недостатоците не се.

Полупроводници и изолатори, за разлика од метали, електроните се полни валентни бенд и најблискиот слободна зона или спроведување бенд, енергија валентни е оградена од прскање - дел од забрането енергии на електрони.

Во диелектрици топлинска енергија или незначителна електрично поле не е доволно да се направи скок во текот на овој јаз, електроните не се предмет на спроведување бенд. Тие не можат да се движат низ кристално решетки и да станат носители на електрична струја.

За да стимулирам електричната спроводливост, еден електрон во нивото на валентни треба да се даде на енергија, што ќе биде доволно за да се премости јазот енергија. Само кога износот на апсорпција на енергија не е помала од вредноста на енергија јаз, ќе помине од ниво валентни електрони, на ниво на спроводливост.

Во тој случај, ако ширината на јазот енергија надминува 4 eV, спроводливост полупроводници побудување зрачење или греење е речиси невозможно - побудување енергија на електроните на температура на топење не е доволно да скокаат енергетската јаз преку зона. Кога ќе се загреат, кристално топи пред електронската спроводливост. Таквите материи вклучуваат кварц (Д = 5,2 eV), дијамантски (Д = 5,1 eV), многу соли.

Надворешен и внатрешен спроводливост полупроводници

Нето полупроводници кристали имаат вродена спроводливост. Таквите полупроводници личните имиња. Внатрешна полупроводничка компонента која содржи еднаков број на дупки и слободни електрони. При загревање вродена спроводливост на полупроводници се зголемува. На константна температура, постои состојба на динамичка рамнотежа количество на создаден електрон-дупка парови, а бројот на рекомбинирачките електрони и дупки, кои остануваат постојано под овие услови.

Присуство на нечистотии значително влијае на електричната спроводливост на полупроводници. додавање на нив им овозможува значително зголемување на бројот на слободни електрони во еден мал број на дупки и да се зголеми бројот на дупки со мал број на електрони во ниво на спроводливост. Нечистотија полупроводници - проводниците што ја има нечистотија спроводливост.

Нечистотии лесно се донираат електрони се нарекува донатор. Број на нечистотии може да биде хемиски елементи со атомите, нивоата на валентни електрони кои содржат повеќе од атоми на база на материјал. На пример, фосфор и бизмут - силиконски донатор нечистотии.

Времето потребно за скок на еден електрон во регионот на спроводливост на енергија, се нарекува активација енергија. Нечистотија полупроводничка компонента која се потребни многу помалку од тоа од база на материјал. Со мало греење или светло претежно ослободен електрони од атоми на полупроводници нечистотија. Место напушти атом зема електрони дупка. Но рекомбинација електрони дупка не се случува. Број на дупка спроводливост е занемарлива. Тоа е затоа што на мала количина на нечистотија атоми не дозволуваат слободни електрони се блиски до дупката и да се одржи. Електроните се некои дупки, но не се во можност да ги пополни поради недоволното ниво на енергија.

А мало додаток Број на нечистотија неколку редови се зголемува бројот на спроводливост електрони во споредба со бројот на слободни електрони во внатрешната полупроводници. Електроните тука - главни носители на атомска обвиненијата за нечистотија полупроводници. Овие супстанции припаѓаат на полупроводници n-тип.

Нечистотии кои се врзуваат електроните на полупроводници, зголемување на бројот на дупки во неа, наречена акцептор. Одобрувачот нечистотии се хемиски елементи со помал број на електрони во ниво валентна од база на полупроводници. Бор, галиум, индиум - акцептор нечистотија во силикон.

Карактеристиките на полупроводници се зависи од неговата кристална структура дефекти. Ова предизвикува потребата од растечката исклучително чиста кристали. Параметрите на спроведување на полупроводнички контролира со додавање на dopants. Силиконската кристали смешан со фосфор (V подгрупа елемент) кој е донатор да се создаде кристално силикон n-тип. За кристално со p-тип на силикон администрира бор акцептор. Полупроводници компензира ниво Ферми да ја преместите во средината на јазот бендот создадени во овој начин.

еден елемент полупроводници

Најчестите полупроводници е, се разбира, силикон. Заедно со Германија, тој беше прототип на голема класа на полупроводници кои имаат слични кристално структури.

Структура кристално Si и Ge се исти како и дека на дијамант и α-калај. Го опкружуваат секој атом 4 најблискиот атоми кои го формираат тетраедар. Таквото усогласување се нарекува четири пати. Кристали tetradricheskoy челик база на обврзници за електроника индустрија и да игра клучна улога во модерната технологија. Некои елементи на V и VI од периодниот систем група, исто така, полупроводници. Примери за овој вид на полупроводници - фосфор (P), сулфур (S), селен (СЕ) и tellurium (Te). Овие полупроводници може да биде тројна атоми (P), дисупституиран (Ѕ, Ѕе, Te) или четири пати координација. Како резултат на таквите елементи, може да постои во повеќе различни кристални структури, како и да бидат подготвени во форма на стакло. На пример, Se одгледува во monoclinic и trigonal кристални структури или како прозорец (кој исто така може да се смета како полимер).

- Diamond има одлична термичка спроводливост, одлична механичка и оптички својства, висока механичка сила. Ширината на енергетската јаз - DE = 5,47 eV.

- силикон - полупроводничка компонента која се користи во соларни ќелии, и аморфна форма, - со еден соларни ќелии тенок филм. Тоа е најмногу се користи во соларни ќелии полупроводници, лесен за производство, има добри електрични и механички својства. dE = 1,12 eV.

- Германиум - полупроводничка компонента која се користи во гама-зраци спектроскопија на високи перформанси соларни ќелии. Се користи во првата диоди и транзистори. Се бара помалку чистење од силикон. dE = 0,67 eV.

- Селен - полупроводник кој се користи во исправувачи на селен има висока отпорност на зрачење, како и способноста да се лекува.

Две елемент соединенија

Својства на полупроводници формирани елементи 3 и 4 на периодична табела групи личат на својства на соединенија со 4 групи. На преминот од 4 групи на елементи за да се соединенија 3-4 гр. Тоа го прави комуникација делумно поради јонски задолжен за транспорт на електрони од еден атом на Atom 3 Група 4 Група. Ionicity менува својствата на полупроводници. Тоа предизвикува зголемување на енергија и јон-јонски интеракција енергија јазот електрони бенд структура на Кулон. ПРИМЕР бинарни соединенија од овој тип - индиум antimonide, InSb, галиум арсенид GaAs, галиум antimonide GaSb, индиум фосфид INP, алуминиум antimonide AlSb, галиум фосфид празнина.

Ionicity се зголемува и неговата вредност расте повеќе групи во соединенијата со 2-6 соединенија, како што се кадмиум selenide, цинк сулфид, кадмиум сулфид, кадмиум Telluride, цинк selenide. Како резултат на тоа, поголемиот дел од соединенија 2-6 групи забранета зона, поширок од 1 eV, освен соединенија на жива. Меркур Telluride - без полупроводничка компонента која се енергија јаз, полу-метал, како α-калај.

Полупроводници 2-6 групи со поголема енергетска празнина употреба откритие во производството на ласери и дисплеи. Бинарни групи 6 2- соединение со стеснет енергија јаз погоден за инфрацрвена приемници. Бинарни соединенија со елементи на групи 1-7 (меден бромид CuBr, АГИ сребро јодид, бакар хлорид CuCl) се должи на висок ionicity имаат поширок bandgap W eV. Тие не се всушност полупроводници, протекторат и изолатори. кристално раст закотвување енергија поради Кулон interionic интеракција олеснува структурирање атоми сол со шестиот ред, наместо на квадратната координираат. Соединенија 4-6 групи - сулфид, олово Telluride, калај сулфид - како полупроводници. Ionicity на овие супстанции, исто така, промовира координацијата формирање шестократно. Многу не ionicity исклучува присуството тие имаат многу тесен простор бенд, тие може да се користи за добивање на инфрацрвено зрачење. Галиум нитрид - соединение групи 3-5 со широк енергија јаз, најдат примена во полупроводнички ласери и светодиоди работат во синиот дел од спектарот.

- GaAs, галиум арсенид - на побарувачката по втор силикон полупроводнички најчесто се користи како подлога за други проводници, на пример, GaInNAs и InGaAs, во setodiodah инфраред, висока фреквенција транзистори и шеми, високо ефикасни соларни ќелии, ласерски диоди, детектори на нуклеарната лек. dE = 1,43 eV, кој ја подобрува моќ уреди во споредба со силикон. Кршливи, содржи повеќе нечистотии тешко да се произведуваат.

- ZnS, цинк сулфид - цинк сол на водород сулфид со забранета зона зони и 3.54 3.91 eV, што се користи во ласери и како фосфор.

- СНС, калај сулфид - полупроводничка компонента која се користи во фоторезистори и фотодиоди, DE = 1,3 и 10 eV.

оксиди

На метални оксиди по можност се одлични изолатори, но има и исклучоци. Примери за овој вид на полупроводници - никел оксид, бакар оксид, кобалт оксид, бакар диоксид, железен оксид, europium оксид, цинк оксид. Бидејќи постои бакар диоксид како минералните cuprite, нејзините својства се изучуваат интензивно. Постапката за одгледување на овој вид на полупроводници се уште не е целосно јасно, па нивната употреба се уште е ограничен. Еден исклучок е цинк оксид (ZnO), соединение групи 2-6, се користи како конвертор и во производството на лепило ленти и малтери.

Ситуацијата драматично се промени по суперспроводливост беше откриена во многу соединенија на бакар со кислород. Првиот висока температура суперпроводници отвори Bednorz и Милер, беше соединение полупроводнички врз основа на Ла ₂ CuO _4, енергетскиот јаз од 2 eV. Замена двовалентна тривалентниот лантан, бариум и стронциум, воведен во полупроводнички задолжен превозници на дупки. Остварување на потребни концентрација дупка прави Ла ₂ CuO ₄ суперпроводници. Во тоа време, што е највисока температура на премин кон државата на суперкомпјутери припаѓа сложена HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Висок притисок, неговата вредност е 134 К.

ZnO, цинк оксид varistor се користи, сини диоди кои емитуваат светлина, гас сензори, сензори биолошки, лакови прозорци за да ја одрази инфрацрвена светлина, како диригент во LCD дисплеи и соларни батерии. dE = 3,37 eV.

слоевит кристали

Двоен соединенија како дијодид олово, gallium selenide и молибден дисулфид разликуваат слоевит кристална структура. Слоевите се ковалентни врски на значителна сила, многу посилна од ван дер Валсов обврзници меѓу самите слоеви. Полупроводници таков вид се интересни, бидејќи електроните се однесуваат во слоеви на квази-две-димензионална. Интеракцијата на слоеви се менува со воведување на надвор атоми - вместване.

Mos _2, молибден дисулфид се користи во висока фреквенција детектори, исправувачи, memristor, транзистори. dE = 1,23 и 1,8 eV.

органски полупроводници

Примери на полупроводници врз основа на органски соединенија - нафталин, полиацетиленот _{(CH2) n,} антрацен, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Органски полупроводници имаат предност во однос на неоргански: тие се лесно да се пренесат на саканиот квалитет. Супстанции со конјугирана обврзници формираат -C = C-C = поседуваат значителни оптички нелинеарност и, како резултат на ова, во оптоелектроника применуваат. Покрај тоа, енергетската јаз бенд органски полупроводници соединението со формула разликуваат промена која многу полесно од онаа на конвенционалните полупроводници. Кристален алотропи на јаглеродот фулерените, графин, наноцевки - исто така полупроводници.

- Fullerene има структура во форма на затворен конвексен полиедар ugleoroda дури и бројот на атоми. Допинг fullerene C ₆₀ со алкален метал се трансформира во форма суперпроводници.

- е формирана графит јаглерод monoatomic слој, е поврзан во две-димензионална шестоаголна решетки. Рекорд спроводливост и мобилност на електрони, висока цврстина

- наноцевки се стркала во цевката графит плоча има дијаметар од неколку нанометри. Овие форми на јаглерод имаат големо ветување во наноелектрониката. Во зависност од спојка може да биде метален или полупроводнички квалитет.

магнетни полупроводници

Соединенија со магнетни јони на europium и манган имаат љубопитни магнетни и semiconducting својства. Примери за овој вид на полупроводници - europium сулфид, selenide europium и цврсти решенија, како Cd _{1-x x} Mn Те. Содржината на магнетни јони влијае и супстанции покажуваат магнетните својства, како што се ferromagnetism и antiferromagnetism. Semimagnetic полупроводници - е тешко магнетни полупроводници решенија кои содржат магнетни јони во ниска концентрација. Таквите цврсти решенија привлече вниманието на вашата замисла и големиот потенцијал на можни апликации. На пример, за разлика од не-магнетен полупроводници, тие може да достигне еден милион пати поголема Фарадеј ротација.

Силен magnetooptical ефекти на магнетни полупроводници овозможи нивна употреба за оптички модулација. Perovskites, како Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, нејзините својства се супериорни во однос на Метал-полупроводник транзиција, која директна зависност магнетно поле, резултира со појава на гигант магнетно отпорност. Тие се користат во радио, оптички уреди, кои се контролирани од страна на магнетно поле, микробранова брановодни уреди.

полупроводнички ferroelectrics

Овој тип кристали се карактеризира со присуство на нивните електрични моменти и појава на спонтани поларизација. На пример, како својства се полупроводници доведе titanate PbTiO _3, бариум titanate BaTiO _3, германиум Telluride, GeTe, калај Telluride SNTE, која при ниски температури имаат ferroelectric својства. Овие материјали се користат во нелинеарни оптички, Пиезоелектрични сензори и мемориски уреди.

А сорта на полупроводнички материјали

Во прилог на полупроводнички материјали што споменавме погоре, постојат многу други кои не спаѓаат во една од овие типови. Соединенија со формулата 1-3-5 елементи ₂ (AgGaS ₂₎ и 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ формираат калцопирит кристална структура. Контактирајте tetrahedral соединенија аналогно полупроводници 3-5 и 2-6 групи со цинк blende кристално структура. Соединенија кои се формираат полупроводничка компонента која се елементи 5 и 6 групи (слични како ₂ Se _3), - полупроводници во форма на кристал или стакло. Chalcogenides на бизмут антимон се користат во полупроводнички термоелектрични генератори. Својствата на овој тип на полупроводници е исклучително интересни, но тие не имаат стекнато популарност се должи на ограничена примена. Сепак, фактот дека тие постојат, се потврдува присуството на уште не се целосно истражени од областа на полупроводници физика.