Примери на полупроводници. Видове, имоти, практически приложения

Най-известният е полупроводникови силиций (Si). Но освен него, има много други. Примери за това са естествени, такива полупроводникови материали, сфалерит (ZnS), куприт (Си _2О), галенит (PBS) и много други. Семейството на полупроводници, включително полупроводници, приготвени в лаборатории, представлява един от най-различни класове на материали, познати на човека.

Характеристика на полупроводници

От 104 елементи на периодичната таблица са метали 79, 25 - неметали, от които 13 химични елементи имат полупроводникови свойства и 12 - диелектрик. Главна особеност на полупроводници се състои в това, че тяхната проводимост се увеличава значително с увеличаване на температурата. При ниски температури, те се държат като изолатори, а при висока - като проводници. Тези полупроводници са различни от метал: метал съпротивление се увеличава пропорционално с увеличаването на температурата.

Друга разлика от метал полупроводниковата е, че съпротивлението на полупроводника намалява под влиянието на светлина, докато във втория метал не е засегната. Също проводимостта на полупроводници варира, когато се прилага малко количество примеси.

Полупроводници се намират между химични съединения с различни кристални структури. Те могат да бъдат елементи като силиций и селен, или двойни съединения като галиев арсенид. Много органични съединения, като polyacetylene, (СН) _п, - полупроводникови материали. Някои полупроводници проявяват магнитен (Cd _1-х Мп _х Te) или фероелектрични свойства (SbSI). Други легиращи с достатъчно стават свръхпроводници (Гете и SrTiO _3). Много от новооткритите високо свръхпроводници имат метален полупроводников фаза. Например, La ₂ CuO ₄ е полупроводник, но образуването на сплавта с Sr става sverhrovodnikom (La _1-х Sr _{х) 2} CuO _4.

учебници физика дават определение като полупроводников материал с електрическо съпротивление от 10 до 10 ^{-4 7} ома · m. Може алтернативно определение. Ширината на забранена лента на полупроводника - от 0 до 3 ЕГ. Метали и полуметали - материал с нула енергия празнина и веществото, в която надвишава W ЕГ наричат изолатори. Има изключения. Така например, полупроводников диамант има широк забранена зона 6 ЕГ, полу-изолационни GaAs - 1,5 ЕГ. Ган, материал за оптоелектронни устройства в синьо региона, има една забранена ширина на честотния обхват от 3,5 ЕГ.

разликата енергия

Valence орбитали атоми в кристалната решетка са разделени на две групи от енергийните нива - свободна зона, разположена най-високо ниво, и определя електропроводимостта на полупроводници и валентната зона, по-долу. Тези нива, в зависимост от симетрията на решетка кристалната структура и атоми могат да се пресичат или се на разстояние един от друг. В последния случай съществува липса на енергия, или с други думи, между забранените лента зони.

Местоположението и нивото на запълване се определя от проводими свойства на материала. Според тази функция вещество разделен от проводници, изолатори и полупроводници. Ширината на забранената групата на полупроводника варира 0,01-3 ЕГ, енергийната разликата на диелектрика от 3 ЕГ. Метали поради припокриването на енергийните нива пропуски не са.

Полупроводници и изолатори, за разлика от метали, електроните са пълни валентност лента и най-близката свободна зона, или проводимата зона енергия валентност е ограден от руптура - част от забранени енергии на електроните.

В диелектрици топлинна енергия или с незначителен електрическо поле не е достатъчно, за да направи скок през тази празнина, електроните не са обект на проводимата зона. Те не са в състояние да се движат през кристалната решетка и да станат носители на електрическия ток.

За да мотивира електропроводимостта, електрон в нивото на валентност трябва да се обърне на енергията, което би било достатъчно, за да се преодолее пропастта енергия. Само когато размерът на поглъщане на енергия е не по-малка от стойността на енергията празнина, ще премине от нивото на валентност електрон от нивото на проводимост.

В този случай, ако ширината на междината енергия надвишава 4 ЕГ, проводимост полупроводникови възбуждане облъчване или нагряване е практически невъзможно - възбуждане енергия на електроните в температурата на топене не е достатъчно, за да скочи разликата енергия през зоната. При нагряване, кристалът се топи преди електронната проводимост. Такива вещества включват кварцов (DE = 5,2 ЕГ), диамант (DE = 5,1 ЕГ), много соли.

Външния и вътрешния полупроводников проводимост

Net кристали полупроводникови имат присъща проводимост. Такива полупроводници собствени имена. Присъщи полупроводникови съдържа еднакъв брой дупки и свободни електрони. При загряване вътрешна проводимост на полупроводници увеличава. При постоянна температура, е състояние на динамично равновесие количество генерирани електрон-дупка двойки и броя на рекомбиниращите електрони и дупки, които остават постоянни при тези условия.

Наличието на примеси оказва значително влияние върху електропроводимостта на полупроводници. Добавянето им позволява значително увеличаване на броя на свободните електрони в малък брой дупки и увеличаване на броя на дупки с малък брой електрони в нивото на проводимост. Онечиствания полупроводници - проводниците имащи примес проводимост.

Замърсяванията лесно се даряват електрони се наричат донор. Донорни примеси могат да бъдат химически елементи с атомите, нивата на валентните електрони, които съдържат повече от атомите на основния материал. Например, фосфор и бисмут - силициев донори примеси.

Времето, необходимо за скока на електрон в района на провеждане енергия, се нарича активиране на енергия. Примес на полупроводници се нуждаят от много по-малко от него, отколкото основния материал. С леко загряване или светлина предимно остави електрони на атома на полупроводници примеси. Поставете лявата атома отнема дупки. Но рекомбинацията на дупки не се проведе. донор отвор проводимост е незначително. Това е така, защото на малко количество примеси атоми не позволяват свободни електрони често по-близо до дупката и да я държи. Електроните са някои дупки, но не са в състояние да ги попълните, поради недостатъчно ниво на енергия.

Леко добавка донор примес няколко поръчки увеличава броя на проводникова електрони в сравнение с броя на свободни електрони в присъщата полупроводника. Електроните тук - основните носители на атомни обвинения за примеси полупроводници. Тези вещества принадлежат на полупроводници п-тип.

Примеси, които се свързват електрони на полупроводника, увеличаване на броя на отвори в нея, наречени акцептор. Акцептор примеси са химични елементи с по-малък брой на електроните в ниво валентност от основата на полупроводника. Бор, галий, индий - акцептор примес в силиций.

Характеристиките на полупроводника са зависими от неговите кристална структура дефекти. Това води до необходимостта от отглеждане на изключително чисти кристали. Параметрите на провеждане на полупроводници, контролирани от добавянето на добавки. Силиконовата кристали, легирани с фосфорен (V подгрупа елемент), който е донор за създаване на кристал силиций п-тип. За кристал с р-тип силиций прилага борен акцептор. Полупроводници компенсирани ниво Fermi да го премести в средата на забранената зона, създадена по този начин.

един елемент полупроводници

Най-често срещаният полупроводника е, разбира се, силиций. Заедно с Германия, той е прототип на голям клас полупроводници, които имат сходни кристални структури.

Структура кристал Si и Ge са същите като тази на диамант и α-калай. Това обграждат всеки атом 4 близките атоми, които образуват тетраедър. Тази координация се нарича четири пъти. Кристали tetradricheskoy стомана базови връзка за производството на електроника и играят ключова роля в съвременната технология. Някои от елементи V и VI от периодичната таблица групата също са полупроводници. Примери за този тип на полупроводници - фосфор (Р), сяра (S), селен (SE) и телур (Te). Тези полупроводници могат да бъдат тройни атома (Р), дизаместен (S, Se, Te) или четирикратно координация. В резултат на тези елементи могат да съществуват в няколко различни кристални структури, а също така да се получат под формата на стъкло. Например, Se отглеждат в моноклинни и триъгълни кристални структури или като прозорец (който може да се разглежда като полимер).

- Diamond има отлична термична проводимост, отлични механични и оптични свойства, висока механична якост. Ширината на разликата енергия - DE = 5,47 ЕГ.

- Силиконовата - полупроводникови използва в слънчеви клетки, и аморфна форма, - в слънчеви клетки тънкослойни. Това е най-използвани в слънчеви клетки полупроводникови, лесен за производство, има добри електрически и механични свойства. DE = 1,12 ЕГ.

- германий - полупроводникови използвани в гама-спектроскопия на, висока производителност слънчеви клетки. Използва се в първите транзистори и диоди. Това изисква по-малко почистване от силиций. DE = 0,67 ЕГ.

- Селен - полупроводник, който се използва в изправители на селен с висока устойчивост радиация и способността да се излекува.

Две елемент съединения

Свойства на полупроводници оформени елементи 3 и 4 на Периодичната таблица групи наподобяват свойства на съединения 4 групи. Преходът от 4 групи от елементи на съединения 3-4 гр. Това прави комуникация отчасти защото йонни заряд транспортни електрони от един атом атом 3 Група 4 Група. Ionicity променя свойствата на полупроводници. Това води до увеличаване на енергия и йон-йонна взаимодействие енергия празнина електрон лента структурата на Кулон. Пример двоични съединения от този тип - индий Antimonide, INSB, галиев арсенид GaAs, галий Antimonide GaSb, индий фосфид INP, алуминий Antimonide AlSb, галий фосфид празнина.

Ionicity увеличава и стойността му нараства повече групи в съединения 2-6 съединения, като кадмий селенид, цинков сулфид, кадмиев сулфид, кадмиев телурид, цинков селенид. В резултат на по-голямата част от съединения 2-6 групи забранени лента широка от 1 ЕГ, с изключение на живачни съединения. Mercury телурид - без полупроводникови енергия празнина, полу-метал, като α-калай.

Полупроводници 2-6 групи с по-голяма енергия празнина използване находка в производството на лазери и дисплеи. Бинарните групи 6 2- съединение със стеснен енергия пролука подходящ за инфрачервени приемници. Бинарните съединения на елементи от групи 1-7 (меден бромид CuBr, с Agl сребърен йодид, меден хлорид CuCl), поради високата ionicity имат широк Bandgap W ЕГ. Те всъщност не полупроводници и изолатори. кристален растеж закотвяне енергия поради Кулон interionic взаимодействие улеснява структуриране атома сол с шестия ред, вместо квадратичен координира. Съединения 4-6 групи - сулфид, оловен телурид, калаен сулфид - като полупроводници. Ionicity на тези вещества също така насърчава координацията на образуване шест пъти. Голяма част не ionicity изключва наличието те имат много тесни забранени зони, те могат да бъдат използвани за получаване на инфрачервеното излъчване. Галиев нитрид - съединение групи 3-5 с широк процеп енергия, да намери приложение в полупроводникови лазери и светодиоди, работещи в синята част на спектъра.

- GaAs, галиев арсенид - по желание след втората силициев полупроводника обикновено се използват като субстрат за други проводници, например, GaInNAs и InGaAs, в setodiodah инфрачервена, високочестотни транзистори и интегрални схеми, високоефективни слънчеви клетки, лазерни диоди, детектори на ядрената лечение. DE = 1,43 ЕГ, което подобрява захранващите устройства, в сравнение със силикон. Чуплива, съдържа повече примеси трудни за производство.

- ZnS, цинков сулфид - цинкова сол на сероводород с забранени лента зони и 3.54 3.91 ЕГ, използвани в лазери и като фосфор.

- SNS, калаен сулфид - полупроводникови използва в фоторезистори и фотодиоди, DE = 1,3 и 10 еВ.

оксиди

Металните оксиди за предпочитане са отлични изолатори, но има и изключения. Примери за този тип на полупроводници - никелов оксид, меден оксид, кобалтов оксид, меден диоксид, железен оксид, европий оксид, цинков оксид. Тъй като съществува мед диоксид като минералната куприт, неговите свойства се изследват интензивно. Процедурата за отглеждането на този вид полупроводници все още не е напълно ясно, така че използването им е все още ограничен. Изключение е цинков оксид (ZnO), съединение 2-6 групи, се използва като сондата и в производството на самозалепващи ленти и мазилки.

Ситуацията се променя значително след свръхпроводимост е открит в много съединения от мед с кислород. Първият висока температура свръхпроводника отворите Bednorz и Muller, е съединение на базата на полупроводникови La ₂ CuO _4, енергийната разликата на 2 EV. Заместването на двувалентно тривалентна лантан, бариев или стронций, въведен в полупроводникови носители на заряд на дупки в. Постигането на необходимата концентрация дупка прави La ₂ CuO ₄ свръхпроводник. По това време, най-високата температура на преход към състояние на свръхпроводящ принадлежи съединение HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. При високо налягане, неговата стойност е 134 К.

ZnO, цинков оксид варистора се използва, сини светодиоди, газови сензори, сензори биологични, покрития прозорци, за да отрази инфрачервена светлина, като проводник на LCD дисплея и слънчеви батерии. DE = 3.37 ЕГ.

слоести кристали

Двойни съединения като дийодид олово, галий селенид и молибденов дисулфид различават пластове кристална структура. Слоевете са ковалентни връзки на значителна сила, много по-силни от ван дер Ваалс облигации между самите слоеве. Полупроводници такъв тип са интересни, защото електроните се държат в слоя от квази-двуизмерен. Взаимодействие на слоя се променя чрез въвеждането извън атома - вмъкване.

Морски магистрали _2, молибден дисулфид се използва при висока честота детектори, изправители, мемристор, транзистори. DE = 1,23 и 1,8 ЕГ.

органични полупроводници

Примери на полупроводници на основата на органични съединения - нафтален, polyacetylene _{(СН2) п,} антрацен, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Органични полупроводници имат предимство пред небиологични: те са лесни за придаване на желаното качество. Вещества с конюгирани връзки образуват -С = С-С = притежават значителна оптичен нелинейност и поради това, в оптоелектрониката прилагат. Освен това, енергията забранена зона органичен полупроводников съединението с формула варира промяна, че много по-лесно от това на конвенционалните полупроводници. Кристални алотропия на въглеродни фулерени графен, нанотръби - и полупроводници.

- Фуллеренът има структура под формата на изпъкнал затворен политоп от четен брой въглеродни атоми. Допингът на фулерен С _{60 с} алкален метал го превръща в свръхпроводник.

- Графенът се формира от моноатомен въглероден слой, свързан с двумерна шестоъгълна решетка. Има рекордна топлопроводимост и мобилност на електроните, висока твърдост

- Нанотръбите се търкалят в тръба от графитни пластини с диаметър няколко нанометра. Тези форми на въглерод имат голяма перспектива за наноелектроника. В зависимост от сцеплението могат да бъдат изложени метални или полупроводникови качества.

Магнитни полупроводници

Съединенията с магнитни йони от европий и манган притежават интересни магнитни и полупроводникови свойства. Примери за полупроводници от този тип са европиев сулфид, европейски селенид и твърди разтвори като Cd _1-x Mn _x Te. Съдържанието на магнитни йони влияе върху начина, по който магнитни свойства като антиферомагнетизъм и феромагнетизъм се проявяват в вещества. Полумагнитните полупроводници са твърди магнитни разтвори на полупроводници, които съдържат магнитни йони в малка концентрация. Такива солидни решения привличат вниманието от перспективите си и големия потенциал за евентуални приложения. Например, за разлика от немагнитните полупроводници, те могат да постигнат милион пъти по-голяма ротация на Фарадей.

Силните магнито-оптични ефекти на магнитните полупроводници правят възможно използването им за оптична модулация. Перовскитите, като Mn _0.7 Ca _0.3 O _{3, имат} своите свойства _{, които са} по-добри от метало-полупроводниковия преход, чиято пряка зависимост от магнитното поле е следствие от явлението гигантско магнитно съпротивление. Те се използват в радиотехниката, оптичните устройства, които се управляват от магнитно поле, във вълноводи на микровълнови устройства.

Полупроводникови фероелектрици

Този тип кристал се характеризира с наличието на електрически моменти в тях и появата на спонтанна поляризация. Например, PbTiO ₃ оловни титанатни полупроводници, BaTiO ₃ бариев титанат, GeTe телурид, SnTe телурид, които имат фероелектрични свойства при ниски температури, имат такива свойства. Тези материали се използват в нелинейни оптични устройства, памети и пиезоелектрични сензори.

Разнообразие от полупроводникови материали

В допълнение към упоменатите по-горе полупроводникови вещества има много други, които не попадат в нито един от изброените типове. Съединенията на елементите с формула 1-3-5 ₂ (AgGaS ₂ ) и 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂ ) образуват кристали в структурата на халкопирит. Връзките на съединенията са четиристранни, аналогични на 3-5 и полупроводникови полупроводникови полупроводници с кристална структура от цинкова смес. Съединенията, които образуват елементи от полупроводници от група 5 и 6 (като As ₂ Se ₃ ) са полупроводникови под формата на кристал или стъкло. Халкогенидите от бисмут и антимон се използват в полупроводникови термоелектрически генератори. Свойствата на полупроводниците от този тип са изключително интересни, но те не са придобили популярност поради ограниченото им приложение. Фактът, че те съществуват обаче, потвърждава наличието на още преди края на неизследваните области на физиката на полупроводниците.