Примери полупроводника. Врсте, својства, практична примена

Најпознатији је полупроводник силицијум (Си). Али, поред њега, постоје и многи други. Примери су природне, такви полупроводнички материјали као бленде (ЗНС), куприт (Цу ₂ О), галена (ПБС) и многи други. Породица полупроводника, укључујући и полупроводника припремају у лабораторијама, представља једну од најразноврснијих класа материјала познатих човеку.

Карактеризација полупроводника

Од 104 елемената периодног система су метали 79, 25 - неметали из којих 13 хемијски елементи располажу полупроводним својства и 12 - диелектрична. Главни полупроводника функција састоји се у томе њихова проводљивост значајно расте са порастом температуре. На ниским температурама, они се понашају као изолатора, и на високо - као проводник. Ове полупроводници се разликују од метала: Отпорност метал пропорционално расте са повећањем температуре.

Још једна разлика у полупроводника метала је да отпор полупроводника смањује под утицајем светлости, док се у другом метал не утиче. Такође проводљивост полупроводника варира када се примењује на малом количином нечистоће.

Полупроводници се налазе међу хемијских једињења са различитим кристалним структурама. То могу бити елементи као што су силицијум и селен, или двоструко једињењима као што галијум арсенида. Многа органска једињења, као што полиацетилен, (ЦХ) _н, - полупроводнички материјали. Одређени полупроводници показују магнетног (ЦД _{1-к Мн к} Те) или фероелектричних својства (СБСИ). Отхер легирање са довољним постане суперцондуцторс (Гете и СрТиО _3). Многи од новооткривених високо-суправодичи имају фазу металик полупроводна. На пример, Ла ₂ ЦуО ₄ је полупроводнички, већ формирање легуре Ср постаје сверхроводником (Ла _{1-к Ср к) 2} ЦуО _4.

Пхисицс уџбеници дају дефиницију као полупроводнички материјал са електричном отпорношћу од 10 ^-4 до 10 ⁷ ома · м. Можда алтернативну дефиницију. Ширина забрањене траци полупроводника - од 0 до 3 ЕВ. Метали и семиметалс - материјал са нула енергетског процепа, и супстанце у којем превазилази В еВ називају изолатори. Постоје изузеци. На пример, полупроводнички дијамант има широку забрањена зона 6 ЕВ, полу-изолациони ГаАс - 1,5 еВ. ГаН, а материјал за оптоелектронских уређаја у плавом региону, има забрањену ширину опсега од 3.5 еВ.

енергија јаз

Валенце орбиталс атома у кристалној решетки су подељени у две групе нивоа енергије - слободне зоне, смештен на највишем нивоу, и одређује електричну проводљивост полупроводника, и валентну бенд, испод. Ови нивои, у зависности од симетрије кристалне решетке структуре и атома може се укрштати или бити размакнути један од другог. У овом другом случају постоји енергија јаз, или другим речима, између забрањених бенд зоне.

Локација и ниво пуњења одређује проводних особина материјала. Према Ова функција супстанце подељена проводника, изолатора, и полупроводника. Ширина забрањене траци полупроводника варира 0.01-3 еВ, енергетски јаз диелектричног од 3 ЕВ. Метали због преклапања нивоа енергије празнине нису.

Полупроводници и изолатори, за разлику од метала, електрони су пуни валентну бенд и најближу слободну зону, или проводни бенд, енергија валенце ограђена је услед руптуре - порција забрањених енергија електрона.

У диелектрика топлотна енергија или занемарљиво електрично поље није довољно да би се скок преко овог јаза, електрони нису предмет проводљивости бенда. Они су у стању да се креће кроз кристалну решетку и постају носиоци електричне струје.

Да би енергију у електричну проводљивост, електрон у нивоу валентне треба дати енергију, што би било довољно да се превазиђе јаз енергије. Тек када је количина апсорпције енергије није мања од вредности енергетског јаза, проћи ће од Валентност нивоа електрона на нивоу проводљивости.

У том случају, ако ширина енергетског процепа прелази 4 ЕВ, проводљивости полупроводника екцитатион зрачење или грејања је немогуће - побуда енергија електрона на температури топљења није довољан да прескоче енергетског процепа кроз зону. Када се загреје, кристал топи пред електронске проводљивости. Такве супстанце укључују кварц (ДЕ = 5,2 еВ), диамонд (ДЕ = 5,1 еВ), много соли.

Спољашњи и унутрашњи проводљивост полупроводника

Нето полупроводничке кристали имају унутрашњу проводљивост. Такви полупроводници властитих имена. Суштинска Семицондуцтор садржи једнак број рупа и слободних електрона. Када грејања суштинску проводљивост полупроводника повећава. На константној температури, постоји стање динамичког количине равнотежне остварених електрон-рупа парова и броја комбинујући електрона и шупљина, који остају константни под овим условима.

Присуство нечистоћа битно утиче на електричну проводљивост полупроводника. их додати омогућава знатно повећање броја слободних електрона у малом броју рупа и повећати број рупа са малим бројем електрона у нивоу проводљивости. Нечистоћа полупроводници - проводници који имају нечистоћа проводљивост.

Нечистоће се лако донира електроне се називају донатора. Донаторски нечистоће могу бити хемијски елементи са атомима, нивоа валентних који садрже више електрона од атома основног материјала. На пример, фосфор и бизмута - силиконско донатора нечистоћа.

Енергија потребна за скок једног електрона у проводне региону, назива енергију активације. Нечистоћа Семицондуцтор треба много мање од тога од основног материјала. Уз благи грејања или светлости превасходно проузроковала електрона атома нечистоће полупроводника. Поставите лево атом заузима електронски рупу. Али електрон рупа рекомбинација не одвија. донатор рупа проводљивост је занемарљив. То је зато што мала количина нечистоћа атома не дозвољавају слободни електрони често ближе рупу и да га држи. Електрони су неке рупе, али нису у стању да их попуни због недовољног нивоа енергије.

Благи адитив донатор нечистоће неколико редова повећава број проводљивости електрона у односу на број слободних електрона у унутрашњој полупроводника. Електрони овде - главни носиоци атомских оптужби нечистоће полупроводника. Ове супстанце припадају н-типа полупроводника у.

Нечистоће које се везују електрона полупроводника, повећање броја рупа у њему, зове акцептор. АЦЦЕПТОР нечистоће су хемијски елементи са мањим бројем електрона у нивоу валентног него дну полупроводника. Бор, галијума, индијума - акцептор нечистоћа у силицијуму.

Карактеристике полупроводника зависе његовим кристалне структуре дефеката. То изазива потребу гајења изузетно чисте кристале. Параметри полупроводника провођења контролише додавањем примеса. Силицијум кристали допирани са фосфор (В подгрупе елемент) која је донатор створи кристала Силицон Н-типе. За кристала са п-типа силицијум администрира борон акцептора. Полупроводници компензовати Ферми ниво да се крене у средини бенда јаз створен на овај начин.

једноелементну полупроводници

Најчешћи полупроводника је, наравно, силицијум. Заједно са Немачком, он је био прототип великог класе полупроводника који имају сличне кристалне структуре.

Структуру кристала Си и Ге су исти као дијаманта и а-калаја. Она окружују сваки атом 4 близини угљеника, који формирају тетраедар. Таква координација се зове четири пута. Кристали тетрадрицхескои челика базе веза за електронску индустрију и играју кључну улогу у модерном технологијом. Неки од елемената В и ВИ периодног система групе су полупроводници. Примери овог типа полупроводника - фосфор (П), сумпора (С), селена (Се) и телур (Те). Ови полупроводници могу бити трокреветне атома (п), ди-супституисан (С, Се, Те) или четири пута координација. Као резултат таквих елемената могу постојати у неколико различитих кристалним структурама, а такође добити у облику стакла. На пример, Се расле у моноклини и тригонално кристалним структурама или као прозор (који се такође може сматрати полимера).

- Дијамант има одличну топлотну проводљивост, одличне механичке и оптичке особине, високу механичку снагу. Ширина енергетског процепа - ДЕ = 5,47 еВ.

- Силицон - полупроводника користи у соларним ћелијама, и аморфном облику, - у танког филма соларних ћелија. То је највише користи у производњи полупроводника соларних ћелија, лако за производњу, има добре електричне и механичке особине. дЕ = 1,12 еВ.

- Германијум - полупроводника користи у гама-зрака спектроскопијом, соларних ћелија високих перформанси. Користи се у првих диода и транзистора. То захтева мање чишћења од силицијума. ДЕ = 0,67 еВ.

- Селен - полупроводнички, која се користи у селена исправљачима имају високу отпорност зрачења и могућност да се лече.

Тво-елемент једињења

Особине полупроводника формираних елемената 3 и 4 периодног система групе подсећају на особине једињења 4 групе. Прелаз из 4 групе елемената на једињења 3-4 гр. То чини комуникацију делимично због јонске цхарге транспорт електрона од атома до атом 3 Група 4 Група. Ионицити мења својства полупроводника. Он изазива пораст Цоуломб енергије и јонско-ион интеракције енергетског процепа електрона банд структуре. ПРИМЕР бинарне једињења овог типа - ИНДИЈУМ АНТИМОНИД, ИнСб, галијум арсенид ГаАс, ГАЛИЈУМ АНТИМОНД ГАСБ, индијум фосфид ИНП, алуминијум антимонд АлСб, галијум-фосфид ГаП.

Ионицити повећава и његова вредност расте више група у једињењима 2-6 једињења, као што су кадмијум селенид, цинк сулфида, кадмијум сулфид, кадмијум Теллуриде, цинк селенида. Као резултат тога, већина једињења 2-6 група забрањена бенд шири од 1 еВ, осим Једињења живе. Мерцури Теллуриде - без енергетског процепа полупроводника, полу-метала, као а-калаја.

Полупроводници 2-6 групе са већим енергија празнина употребу наћи у производњи ласера и дисплеја. Бинарни група 6 2- једињење са суженим јаза енергију погодног за инфрацрвене пријемнике. Бинарне једињења елемената група 1-7 (бакар бромид ЦуБр, АГИ сребро јодид, бакар хлорид ЦуЦИ) због високих ионицити имати шири бандгап В еВ. Они заправо не полупроводника и изолатора. Цристал гровтх анкерисање енергију због Цоуломб интериониц интеракцији олакшава структурирање угљеника соли са шестог реда, уместо квадратни координата. Цомпоундс 4-6 групе - сулфида, Олово Телурид, калај сулфида - ас полупроводника. Ионицити ових супстанци такође промовише координацију формирање шест пута. Много не ионицити искључује присуство они имају врло уском празнине, могу се користити за пријем инфрацрвеног зрачења. Галијум нитрид - Једињење група 3-5 са широким енергетског процепа, наћи примену у полупроводничких ласера и лаким диоде делују у плавом делу спектра.

- ГаАс, галијум арсенид - на захтев после другог силиконском полупроводника се обично користи као супстрат за друге проводницима, на пример, ГаИнНАс и ИнГаАс у сетодиодах инфрацрвеној, високофреквентне транзистора и интегрисаних кола, веома ефикасних соларних ћелија, ласерских диода, детектори нуклеарне очвршћавања. ДЕ = 1,43 еВ, што побољшава уређаје напајања у поређењу са силицијум. Крт, садржи више нечистоће тешке за производњу.

- ЗнС, цинк сулфид - цинк соли хидроген сулфида са забрањеним бенду зонама и 3.54 3,91 еВ, користе у ласера и као фосфора.

- СнС, калај сулфида - полупроводничке користе у пхоторесисторс и фотодиодама, дЕ = 1,3 и 10 еВ.

оксиди

Метални оксиди преферирано су одлични изолатори, али постоје изузеци. Примери овог типа полупроводника - никла оксид, бакар оксид, кобалт оксид, бакар диоксида, гвожђе оксид, еуропиум оксида, цинк оксид. Пошто бакра диоксида постоји као минерала куприт, његова својства су интензивно проучавали. Поступак за узгој ове врсте полупроводника још увек није сасвим јасно, тако да њихова употреба је и даље ограничена. Изузетак је цинк оксид (ЗнО), једињење група 2-6, се користи као сонде иу производњи лепљиве траке и малтера.

Ситуација се драматично променила након суперпроводљивост је откривен у многим једињењима бакра са кисеоником. Први високе температуре суперпроводљив отварање Беднорз и Муллер, је заснована једињење полупроводника основу Ла ₂ ЦуО _{4, енергетском} јаз од 2 еВ. Заменом двовалентни тривалентног лантан, баријум или стронцијум, уведен у носилаца полупроводника набоја рупа. Постизање неопходне концентрације отвора чини ла ₂ ЦуО ₄ Суперцондуцтор. У овом тренутку, највиша температура преласка у суперпроводљивог држава припада уједињење ХгБаЦа ₂ Цу ₃ О _8. Под високим притиском, њена вредност је 134 К.

ЗнО, цинк оксид варистор се користи, плава диоде светлосне, гаса сензоре, биолошке сензоре, облоге прозоре да одражавају инфрацрвену светлост, као диригент у ЛЦД дисплејима и соларних батерија. дЕ = 3.37 еВ.

слојевити цристалс

Доубле једињења као што дијодид олова, галијум селенида и молибден дисулфид разликују слојевиту кристалну структуру. Слојеви су ковалентне везе на велики снаге, много јачи од Ван дер Ваалс веза између самих слојева. Полупроводници Таква врста су занимљиве јер електрони се понашају у слојевима квази-дводимензионални. Интеракција слојева мијења увођењем изван атома - интерцалатион.

МоС _{2, молибден} дисулфид се користи у детектора високе фреквенције, исправљачи, мемристор, транзистора. ДЕ = 1,23 и 1,8 еВ.

органски полупроводници

Примери полупроводника на бази органских једињења - нафталена, полиацетилен _{(ЦХ2) н,} антрацен, полидиацетилене, фталотсианиди, поливинилцарбазоле. Органски полупроводници имају предност у односу на не-органска: они су лако да пренесе жељени квалитет. Супстанце са коњуговане везе формирају -Ц = Ц-Ц = поседују знатну оптичку нелинеарност и због тога, у Оптоелецтроницс примењених. Штавише, енергија група јаз органско полупроводника једињење формуле варира промену толико лакше него код конвенционалних полупроводника. Кристални аллотропес угљеником фулерена, графене, наноцеви - такође полупроводника.

- Фуллерене има структуру у облику затвореног конвексног Полихедрон углеорода паран број атома. Допинг Фуллерене Ц ₆₀ са алкалним металом га трансформише у суперпроводнику.

- графит царбон једноатомског слој је формиран, је повезан у дводимензионалном шестоуглом решетке. Снимање је проводљивости и мобилности електрона, висока крутост

- Нанотубес ваљањем се преводе у цеви графитне плоче пречника неколико нанометара. Ови облици угљеника имају велики потенцијал у наноелектронике. Зависно спојници могу бити метални или полупроводника квалитета.

магнетни полупроводници

Једињења са магнетним јона европијума и мангана имају необичне магнетне и полупроводнички својства. Примери овог типа полупроводника - еуропијума сулфида, селенид Европиума и чврстих раствора, што Цд _{1-к Мн к} Те. Садржај магнетних јона утиче обе супстанце показују магнетне особине попут Ферромагнетизм и антиферромагнетисм. Семимагнетиц полупроводници - ис а хард магнетни полупроводници раствори који садрже магнетне јона у ниској концентрацији. Такви чврсти раствори привући пажњу вашег изгледе и велики потенцијал могућих апликација. На пример, за разлику од не-магнетних полупроводника, могу достићи милион пута веће Фарадејев ротацију.

Јаке магнетооптицал ефекти магнетног полупроводника дозвољавају њихову употребу за оптичке модулације. Перовскита као Мн _0,7 Ца _0,3 О _{3, његова} својства су супериорнији у односу на метал-полупроводника транзиције, који усмеравају зависности магнетног поља доводи до феномена гиганта магнето-отпорности. Они се користе у радио, оптичким уређајима, који су под контролом магнетског поља, микроталасној таласовода уређаја.

полупроводничке Ферроелецтрицс

Ова тип кристали карактерише присуством у њиховим електричним моментима и појава спонтаног поларизације. На пример, таква својства су полупроводници олово титанат ПбТиО _{3, баријум} титанат БаТиО _{3, германијум} Теллуриде, Гете, Калај-Телурид СНТ који на ниским температурама имати фероелектричних својства. Ови материјали се користе у нелинеарних оптичких, пиезоелецтриц сензора и меморијских уређаја.

Мноштво полупроводничких материјала

Поред полупроводничких материјала наведених, постоје и многи други који не спадају у једну од ових типова. Једињења формуле 1-3-5 елементи ₂ (АгГаС ₂₎ и 2-4-5 ₂ (ЗнСиП _{2) формирају} цхалцопирите кристалну структуру. Обратите тетраедарске Једињења аналогна полупроводника 3-5 и 2-6 група са цинк бленде кристалне структуре. Једињења која формирају полупроводничке елементе 5 и 6 група (слично као ₂ Се _{3), - полупроводника} у виду кристала или стакла. Цхалцогенидес за бизмута и антимона се користе у полупроводника термо генератора. Особине овог типа полупроводника је изузетно занимљив, али они нису стекли популарност због ограниченог апликације. Међутим, чињеница да они постоје, потврђује присуство још није у потпуности истражена област полупроводника физике.