310 Shares 9497 views

Przykłady półprzewodników. Rodzaje, właściwości, zastosowania praktyczne

Najbardziej znany jest półprzewodnikowy krzem (Si). Ale oprócz niego istnieje wiele innych. Przykładami są naturalne, takie materiały półprzewodnikowe blendzie (ZnS), kupryt (CU2O), galeny (PbS) i wiele innych. Rodzina półprzewodników, w tym półprzewodnikach sporządzonym w laboratoriach, stanowi jeden z najbardziej różnorodnych klas materiałów znanych człowiekowi.

Charakterystyka półprzewodników

Od 104 elementów układu okresowego są metale 79, 25 – niemetale, z których 13 pierwiastki chemiczne posiadają właściwości półprzewodnikowych i 12 – dielektryczne. Główną cechą półprzewodnikowych polega na tym, że ich przewodność znacznie się zwiększa wraz ze wzrostem temperatury. Przy niskich temperaturach, zachowują się jak izolatory, a przy wysokiej – jak żył. Te półprzewodniki różnią się od metalu: opór metalu wzrasta proporcjonalnie do wzrostu temperatury.

Inną różnicą w porównaniu z metalu, półprzewodnika, że rezystancja półprzewodnika zmniejsza się pod wpływem światła, podczas gdy w drugim metal nie ulega zmianie. Ponadto przewodność półprzewodnikowych zależy po podaniu niewielkich ilości zanieczyszczeń.

Półprzewodniki są znaleźć wśród związków chemicznych o różnych strukturach krystalicznych. Mogą to być elementy, takie jak krzem i selen, lub podwójnego związków, takich jak arsenek galu. Wiele związków organicznych, takich jak poliacetylen, (CH) n-, – materiałów półprzewodnikowych. Niektóre półprzewodniki wykazują magnetycznego (CD 1 x Mn x TE) lub właściwości ferroelektryczne (PGIS). Inne stopu wystarczających stały nadprzewodników (Gete i SrTiO 3). Wiele z nowo odkrytych nadprzewodników wysokotemperaturowych mieć fazę metaliczną półprzewodnikowych. Na przykład, La 2 CuO 4 jest półprzewodnikiem, ale tworzenie stopu z Sr się sverhrovodnikom (La 1 x Sr X) 2 CuO 4.

podręczniki fizyki daje zdefiniowany jak w materiale półprzewodnikowym o rezystywności elektrycznej od 10 ~ 4 do 10 omów · 7 m. Być może alternatywą definicja. Szerokość pasma zabronionego półprzewodnika – od 0 do 3 eV. Metale i półmetale – materiał z zerową szczeliną energii, a substancją, w której przekracza on W eV zwane izolatorów. Istnieją wyjątki. Na przykład, diament półprzewodnikowego szeroki zabronione strefie 6 eV, półfabrykaty izolacyjnego GaAs – 1,5 eV. GaN, materiał dla urządzeń optoelektronicznych w regionie niebieskim, ma szerokość pasma zabronionego w 3,5 eV.

przerwa energetyczna

Walencyjne orbitale atomów w sieci krystalicznej są podzielone na dwie grupy poziomów energii – wolnego obszaru, usytuowanego na najwyższym poziomie, i określa się przewodność elektryczną półprzewodników, a zespół wartościowości poniżej. Poziomy te, w zależności od symetrii w strukturze sieci krystalicznej i węgla może się krzyżować lub może być w pewnej odległości od siebie. W tym ostatnim przypadku istnieje szczelina energii lub innymi słowy, pomiędzy strefami pasmo zakazane.

Położenie i poziom jest określony przez przewodzące właściwości materiału. Według tej substancji fabularny podzielony przez przewodów, izolatorów i półprzewodników. Szerokość pasma zabronionego zmienia półprzewodnika 0,01-3 eV przerwa energetyczna dielektryka niż 3 eV. Metale ze względu na nakładanie się poziomów braki energii nie są.

Półprzewodniki i izolatory, w przeciwieństwie do metali, elektrony są wypełnione pasma walencyjnego i najbliższą wolnego obszaru lub pasma przewodzenia energii wartościowość jest odgrodzony od pęknięcia – część zabronionych energii elektronów.

W dielektryków energia cieplna lub znikome pole elektryczne nie jest wystarczające, aby przechodzić przez to luki, elektrony nie podlegają pasma przewodnictwa. Nie są w stanie poruszać się w sieci krystalicznej i stają się nośnikami prądu elektrycznego.

Do zasilania przewodność elektryczną elektrony na poziomie wartościowości należy energię, które byłyby wystarczające do przezwyciężenia różnic energii. Tylko wtedy, gdy ilość energii pochłanianej jest nie mniejsza niż wartość energii szczeliny, przechodzą od poziomu elektronów wartościowości na poziomie przewodnictwa.

W tym przypadku, gdy szerokość szczeliny energii jest większy niż 4 eV, przewodnictwa półprzewodnikowego napromieniowanie lub ogrzewanie wzbudzenia jest praktycznie niemożliwe – energii wzbudzenia elektronów w temperaturze topnienia nie jest wystarczająca, aby przejść różnic energii przez strefę. Po podgrzaniu, kryształy topi się przed przewodnictwa elektronicznego. Takie substancje obejmują kwarc (de = 5,2 eV) diamentu (de = 5,1 eV), wiele soli.

Zewnętrznych i wewnętrznych przewodność półprzewodnikowy

Kryształy półprzewodnikowe siatce mają wewnętrzną przewodność. Takie półprzewodniki imion. Półprzewodnik samoistny zawiera równą liczbę dziur i elektronów swobodnych. Podczas ogrzewania wewnętrznej przewodności półprzewodników wzrasta. W stałej temperaturze, nie jest to stan równowagi dynamicznej ilości generowanych par elektron-dziura i liczby rekombinacyjna elektrony i dziury, które pozostają stałe w tych warunkach.

Obecność zanieczyszczeń ma istotny wpływ na przewodność elektryczną półprzewodników. Dodanie ich umożliwia znaczne zwiększenie liczby wolnych elektronów w małej ilości otworów i zwiększać liczbę otworów o małej liczby elektronów poziomu przewodzenia. Zanieczyszczeń półprzewodniki – przewody mające przewodność zanieczyszczeń.

Zanieczyszczenia są łatwo donorem elektronów są nazywane dawcy. Zanieczyszczenia te mogą okazać się pierwiastki chemiczne z atomami, do poziomu wartościowości, które zawierają więcej elektronów niż atomy materiału podstawowego. Na przykład, fosforu i bizmutu zanieczyszczeń – a dawców krzemu.

Energia wymagana do skok elektronu w regionie przewodzenia nazywa energii aktywacji. Zanieczyszczenie półprzewodników potrzebują dużo mniej, niż materiał bazowy. Z lekkim ogrzewaniem lub światła przeważnie uwalnia elektrony atomów półprzewodników domieszkowych. Umieszczanie po lewej stronie atomem wykonuje otwór elektronowego. Ale rekombinacji elektron dziura nie odbędzie. Przewodność otwór dawcy jest znikomy. To dlatego, że mała ilość atomów zanieczyszczeń nie pozwalają na swobodne elektrony często bliżej do otworu i trzymać go. Elektrony są dziury, ale nie są w stanie wypełnić je z powodu niewystarczającego poziomu energii.

Niewielkie dodatki dawcy zanieczyszczeń kilka rzędów zwiększa liczbę elektronów przewodnictwa w porównaniu z liczbą wolnych elektronów w wewnętrznej półprzewodnika. Elektrony tutaj – główne nośniki ładunków atomowych półprzewodników nieczystości. Substancje te należą do półprzewodnika typu n.

Zanieczyszczenia, które wiążą elektrony półprzewodnika, zwiększając liczbę otworów w nim, zwanych akceptorowego. Zanieczyszczenia akceptorowego pierwiastki chemiczne o mniejszej liczby elektronów na poziomie wartościowości w stosunku do podstawy półprzewodnika. Boru, galu, indu – akceptorowego zanieczyszczenia silikonem.

Charakterystyki półprzewodnika są zależne od jego wad strukturalnych monokryształu. Powoduje to konieczność rośnie niezwykle czystych kryształów. Parametry przewodnictwa półprzewodnikowego kontrolowane przez dodanie domieszek. kryształy krzemu z domieszką fosforu (V elementu podgrupy), który jest donorem do tworzenia kryształu krzemu typu n. Dla kryształu o P typu krzemu podawanego akceptora boru. Półprzewodniki skompensowany poziom Fermiego, aby przenieść go na środku pasmo wzbronione utworzonego w ten sposób.

Półprzewodniki jednoelementowych

Najczęstszym półprzewodnikowy jest oczywiście krzemu. Wraz z Niemiec, był prototypem dużej klasy półprzewodników, które mają podobne struktury krystaliczne.

Strukturę kryształu z Si i Ge są takie same, jak diament i a-cyny. To otaczać każdy atom węgla, który najbliższe 4 tworzą czworościan. Taka koordynacja nazywa się cztery razy. Kryształy tetradricheskoy stalowa podstawa wiązania dla przemysłu elektronicznego i odgrywają kluczową rolę w nowoczesnej technologii. Niektóre z elementów V i VI grupy układu okresowego tabeli również półprzewodników. Przykłady tego typu półprzewodników – fosforu (P) i siarka (S), selen (Se) i telluru (Te). Te półprzewodniki mogą być atomy potrójne (P), dipodstawionej grupy (S, Se, Te) albo cztery razy koordynacji. W związku z powyższym elementy mogą występować w różnych strukturach krystalicznych, a także wytwarzać w postaci szkła. Na przykład, Se hodowano w jednoskośnej i trójkątny struktur krystalicznych lub jako okno (które mogą być traktowane jako polimer).

– diament doskonałą przewodność cieplną, doskonałe właściwości mechaniczne i optyczne, wysoką wytrzymałość mechaniczną. Szerokość szczeliny energii – de = 5,47 eV.

– Krzem – półprzewodnikowe wykorzystywane w ogniwach słonecznych, i postać amorficzną, – zapewnienie cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Jest to najczęściej używane w półprzewodnikowych ogniw słonecznych, łatwe w produkcji, ma dobre właściwości elektryczne i mechaniczne. dE = 1,12 eV.

– german – półprzewodnikowe stosowane w spektroskopii gamma, wysoka wydajność ogniw słonecznych. Używany w pierwszych diod i tranzystorów. To wymaga mniej czyszczenia niż krzem. dE = 0,67 eV.

– selen – półprzewodnikowy, który jest stosowany w prostowników selenu mających wysoką odporność na promieniowanie oraz zdolność do samoleczenia.

Związki dwuelementowych

Własności półprzewodników uformowane elementy 3 i 4 układu okresowego grup tabel podobne do właściwości związków 4 grupy. Przejście z 4 grup elementów związki 3-4 gr. To sprawia, że komunikacja częściowo ponieważ jonowe elektrony transportu ładunków z atomu atomem 3 grupa 4 grupa. Jonowość zmienia właściwości półprzewodników. powoduje to wzrost energii i jonów jonowego oddziaływania przerwa energetyczna struktury pasmowej Coulombowskim elektronów. Przykład binarne związki tego typu – ind Antymonek, InSb, arsenku galu, GaAs, Antymonek GASB galu, fosforek indu InP aluminium Antymonek AlSb galu fosforek szczeliny.

Wzrost jonowość a jej wartość rośnie więcej grup w związkach 2-6 związki, takie jak selenek kadmu, siarczek cynku, siarczek kadmu, tellurek kadmu, selenek cynku. W efekcie, większość związków 2-6 grupami zabronione pasmo szersze niż 1 eV, z wyjątkiem związków rtęci. Rtęć Telluride – bez półprzewodnika przerwa energetyczna, pół-metalowe, takie jak a-cyny.

Półprzewodniki 2-6 grup o większej energii szczeliny znajdują zastosowanie w produkcji laserów i wyświetlaczy. grupy binarne 6 2- związek o zawężonym energii szczeliny odpowiedniej do odbiorników podczerwieni. Binarne związki pierwiastków z grup 1-7 (CuBr bromek miedzi, AGI jodku srebra, chlorek miedzi CuCI) ze względu na wysokie jonowość mieć szersze pasma zabronionego W eV. Robią naprawdę nie półprzewodniki i izolatory. Wzrost kryształów kotwienia energii dzięki kulombowskim interionic oddziaływania ułatwia atomy strukturyzujące sól z szóstego rzędu, zamiast współrzędnych kwadratowy. Związki 4-6 grupami – siarczek ołowiu tellurku cyny siarczkowych – w półprzewodnikach. Jonowość tych substancji promuje również koordynację formacji sześciokrotnie. Wiele jonowość nie wyklucza obecności mają bardzo wąskie pasma wzbronionego może być wykorzystywane do odbierania promieniowania podczerwonego. Azotku galu – grupy A Związek 3-5 z szeroką szczeliną energii znaleźć zastosowanie laserów półprzewodnikowych i emitujących światło diod działających w niebieskiej części widma.

– GaAs, arsenku galu – na żądanie po drugie półprzewodnikowe krzemu jest powszechnie stosowany jako substrat inne przewody, na przykład GaInNAs i InGaAs w setodiodah podczerwieni, tranzystory o wysokiej częstotliwości i układów, wysoko wydajnych ogniw słonecznych, diody laserowe, czujniki utwardzania jądrowego. dE = 1,43 eV, co poprawia urządzeń energetycznych w porównaniu z krzemem. Kruchy, zawiera więcej zanieczyszczeń trudnych do wykonania.

– ZnS, siarczek cynku – sól cynku siarkowodoru zakazanym strefach zespołu i 3.54 3.91 eV, stosowanych laserów oraz w fosfor.

– SNS siarczek cyny – półprzewodnikowe stosowane w fotorezystorach i fotodiody, DE = 1,3 i 10 eV.

tlenki

Tlenki metali są korzystnie doskonałe izolatory, ale istnieją wyjątki. Przykłady tego typu półprzewodników – tlenek niklu, tlenek miedzi, tlenków kobaltu, dwutlenku miedzi, tlenek żelaza, tlenek europu, tlenek cynku. Ponieważ dwutlenek miedź występuje jak kupryt mineralnej, jej właściwości badano intensywnie. Procedura dla uprawy tego typu półprzewodnika nie jest jeszcze do końca jasne, więc ich stosowanie jest nadal ograniczona. Wyjątkiem jest tlenek cynku (ZnO), grupy związków 2-6, stosowany jest jako przetwornik oraz do produkcji taśm samoprzylepnych i tynków.

Sytuacja zmieniły się po nadprzewodnictwo Odkryto wiele związków miedzi z tlenem. Pierwszy nadprzewodnik wysoka temperatura otwarcia Bednorz i Muller, był związek półprzewodnikowe oparte na La2 CuO 4, przerwa energetyczna 2 eV. Podstawiając dwuwartościowy trójwartościowego lantanu, baru lub strontu, wprowadzone do nośników ładunku półprzewodnikowy otworów. Niezbędny stężenie dołków sprawia La 2 CuO 4 nadprzewodnik. W tym czasie, najwyższa temperatura przejścia w stan nadprzewodzącego należy związek HgBaCa 2 Cu 3 O 8. Pod wysokim ciśnieniem, wówczas jej wartość wynosi 134 K.

ZnO, warystor tlenek cynku jest stosowany, niebieskie diody, czujniki gazu, czujniki biologiczne, powłoki okna, aby odbijać światło podczerwone, jako dyrygent w wyświetlaczach LCD i baterii słonecznych. dE = 3,37 eV.

kryształy warstwowe

Związki typu podwójnego dijodku jak ołów, galu selen i dwusiarczku molibdenu różnią się warstwową strukturę krystaliczną. Warstwy są wiązania kowalencyjne o znacznej sile, znacznie silniejsze niż van der Waalsa między samymi warstwami. Półprzewodnikowe typu przedstawione są interesujące, ponieważ elektrony zachowują warstwami quasi-dwuwymiarowej. Interakcja z warstw zmienia się przez wprowadzenie atomów zewnętrznej – interkalację.

MoS2, dwusiarczek molibdenu stosuje się detektory wysokiej częstotliwości, prostowników, MEMRYSTOR, tranzystory. dE = 1,23 i 1,8 eV.

półprzewodniki organiczne

Przykłady półprzewodników na bazie związków organicznych, – naftalenu poliacetylen (CH 2) n, antracen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. półprzewodniki organiczne mają przewagę nad nieorganiczne: są łatwo nadać pożądaną jakość. Substancje z wytworzeniem skoniugowanych wiązań C = C-C = posiadają znaczną optycznego nieliniowości, a ze względu na to, stosowanych w optoelektronice. Ponadto, pasmo wzbronione energii organiczną półprzewodnikowy związek o wzorze zmieniać zmianę, która jest znacznie łatwiejsze niż w przypadku konwencjonalnych półprzewodników. allotropes krystaliczne węglowe, fulereny, nanorurki grafenu – także półprzewodników.

– Fullerene posiada strukturę w postaci wypukłej zamkniętej politope z równej liczby atomów węgla. Doping fulerenu C60 z metalem alkalicznym przekształca go w nadprzewodnik.

– Graphene jest utworzony przez monatomiczną warstwę węglową połączoną z dwuwymiarową siatką sześciokątną. Ma rekordową przewodność cieplną i mobilność elektronów, wysoką sztywność

– Nanotuby są walcowane w rurkę płyt grafitowych o średnicy kilku nanometrów. Te formy węgla mają wielką perspektywę w nanoelektronice. W zależności od przyczepności mogą być wystawione właściwości metaliczne lub półprzewodnikowe.

Magnetyczne półprzewodniki

Związki z jonami magnetycznymi europu i manganu mają interesujące właściwości magnetyczne i półprzewodnikowe. Przykładami półprzewodników tego typu są siarczek europu, selenek europu i stałe roztwory, takie jak Cd 1-x Mn x Te. Zawartość jonów magnetycznych wpływa na sposób, w jaki właściwości magnetyczne, takie jak antyferromagrometyczny i ferromagnetyczny manifestują się w substancjach. Półprzewodnikowych półprzewodników są stałymi magnetycznymi roztworami półprzewodników zawierających jony magnetyczne w małych stężeniach. Takie stałe rozwiązania zwracają uwagę na ich perspektywy i ogromny potencjał możliwych zastosowań. Na przykład, w przeciwieństwie do niemagnetycznych półprzewodników, mogą one osiągnąć milion razy większą rotację Faradaya.

Silne efekty magnetooptyczne półprzewodników magnetycznych umożliwiają wykorzystanie ich do modulacji optycznej. Perovskites, podobnie jak Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, mają swoje właściwości ponad przechodzeniem półprzewodników metalowych, których bezpośrednia zależność od pola magnetycznego jest konsekwencją zjawiska olbrzymiej magnetooporności. Są one wykorzystywane w inżynierii radiowej, urządzeniach optycznych, które są kontrolowane przez pole magnetyczne, w falowodach urządzeń mikrofalowych.

Ferroelektryk półprzewodnikowy

Ten typ kryształu charakteryzuje się obecnością w nich elektrycznych momentów i pojawieniem się spontanicznej polaryzacji. Na przykład, takie właściwości są opatrywane przez ołów PbTiO3 tytanianowe półprzewodniki, tytanian baru BaTiO3, tellurid GeTe, sito SnTe, które mają właściwości ferroelektryczne w niskich temperaturach. Materiały te są stosowane w nielinearnych optycznych urządzeniach pamięciowych i czujnikach piezoelektrycznych.

Różnorodność materiałów półprzewodnikowych

Poza substancjami półprzewodnikowymi wymienionymi powyżej, istnieje wiele innych, które nie należą do żadnego z wymienionych rodzajów. Związki związków o wzorze 1-3-5 2 (AgGaS2) i 2-4-52 (ZnSiP2) tworzą kryształy w strukturze chalkopirytu. Wiązania związków są czteroczłonowe, analogiczne do 3-5 i 2-6 półprzewodników półprzewodnikowych o strukturze krystalicznej mieszanki cynku. Związki tworzące elementy półprzewodników grupy 5 i 6 (jak As 2 Se 3 ) są półprzewodnikami w postaci kryształu lub szkła. Chalcogenidy bizmutu i antymonu są stosowane w półprzewodnikowych generatorach termoelektrycznych. Właściwości półprzewodników tego typu są niezwykle interesujące, ale nie zyskały popularności z powodu ograniczonego zastosowania. Jednak fakt, że istnieją, potwierdza obecność nawet przed końcem niewykorzystanych obszarów fizyki półprzewodników.