Exemple de semiconductori. Tipuri, proprietăți, aplicații practice

Cel mai renumit este semiconductor de siliciu (Si). Dar, în afară de el, există multe altele. Exemple sunt, astfel de materiale semiconductoare naturale ca blendă (ZnS), cuprita (Cu ₂ O), galena (PbS) și multe altele. Familia de semiconductori, inclusiv semiconductori preparate în laboratoare, reprezintă una dintre cele mai diverse clase de materiale cunoscute de om.

Caracterizarea semiconductori

Dintre cele 104 elemente ale tabelului periodic sunt metale 79, 25 - nemetale din care cele 13 elemente chimice posedă proprietăți semiconducting și 12 - dielectrice. caracteristică semiconductor principal constă în aceea că conductivitatea crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii. La temperaturi scăzute, se comportă ca izolatori, și la ridicat - ca conductori. Acești semiconductori sunt diferite din metal: rezistența de metal crește proporțional cu creșterea temperaturii.

O altă diferență față de metalul semiconductor este că rezistența semiconductorului scade sub influența luminii, în timp ce în al doilea caz metalul nu este afectată. De asemenea, conductivitatea semiconductorilor variază atunci când este administrat la o cantitate mică de impurități.

Semiconductors se găsesc printre compuși chimici cu diferite structuri cristaline. Acestea pot fi elemente, cum ar fi siliciu și seleniu, sau compuși, cum ar fi dublu arseniura de galiu. Mulți compuși organici, cum ar fi polyacetylene, (CH) _n, - materiale semiconductoare. Anumite semiconductori prezintă magnetice (Cd _{1 x} Mn _x Te) sau proprietăți feroelectrice (SbSI). Alte alierea cu devin supraconductoare suficiente (Gete și SrTiO _3). Multe dintre nou descoperite supraconductori de temperatură ridicată au fază metalic semiconductor. De exemplu, La ₂ CuO ₄ este un semiconductor, dar formarea aliajului cu Sr devine sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

manuale de fizica dau definiție ca material semiconductor cu o rezistivitate electrică de la 10 până la 10 ^{-4 7} ohmi · m. Poate că o definiție alternativă. Lățimea benzii interzise a semiconductorului - la 0 la 3 eV. Metale și semimetale - un material cu decalaj zero, energie, iar substanța în care aceasta depășește W eV numit izolatori. Există excepții. De exemplu, un diamant semiconductor are o zonă de 6 eV interzise larg, o semi-izolatoare GaAs - 1,5 eV. GaN, un material pentru dispozitivele optoelectronice în regiunea albastră, are o lățime de bandă interzisă de 3,5 eV.

diferența de energie

orbitali valența atomilor în rețeaua cristalină sunt împărțite în două grupe de niveluri de energie - o zonă liberă, situate la cel mai înalt nivel, și determină conductivitatea electrică a semiconductorilor, iar banda de valență, de mai jos. Aceste niveluri, în funcție de simetria structurii rețelei cristaline și atomii se pot intersecta sau să fie distanțate una față de cealaltă. În acest din urmă caz, există o diferență de energie, sau cu alte cuvinte, între zonele de bandă interzise.

Localizarea și nivelul de umplere este determinat de proprietățile conductive ale materialului. Conform acestei substanțe caracteristică împărțită de conductori, izolatori, semiconductori. Lățimea benzii interzise a semiconductorului variază 0,01-3 eV, diferența de energie a dielectricului decât 3 eV. Metale datorită suprapunerii nivelurilor de energie nu sunt decalaje.

Semiconductorilor și izolatorilor, spre deosebire de metale, electronii sunt umplute banda de valență și cea mai apropiată zonă liberă, sau banda de conducție, energia valență este împrejmuită de la ruptura - porțiunea de energii interzise de electroni.

În dielectrici energie termică sau câmp electric neglijabil nu este suficient pentru a face saltul prin acest decalaj, electronii nu sunt supuse banda de conducție. Acestea nu sunt în măsură să se deplaseze prin rețeaua cristalină și să devină purtători ai curentului electric.

Pentru a energiza conductivitatea electrică, un electron în nivelul de valență trebuie să li se dea energia, ceea ce ar fi suficient pentru a depăși decalajul de energie. Numai în cazul în care cantitatea de absorbție a energiei nu este mai mică decât valoarea de decalaj de energie, va trece de la nivelul de electroni de valență la nivel de conducere.

În acest caz, dacă lățimea diferenței de energie este mai mare de 4 eV, conductivitate semiconductor excitație iradiere sau încălzire este practic imposibilă - energia de excitare a electronilor la temperatura de topire nu este suficientă pentru a sări decalajul de energie prin zona. Când este încălzit, cristalul se topește conductivitatea electronică. Astfel de substanțe includ cuarț (dE = eV 5,2), diamant (dE = eV 5,1), multe săruri.

Extrinsecă și intrinsecă semiconductor conductivitate

Cristale nete semiconductoare au o conductivitate intrinsecă. Astfel de semiconductori numele proprii. semiconductor intrinseca conține un număr egal de găuri și electroni liberi. Când încălzirea conductibilitate intrinsecă de semiconductori crește. La temperatură constantă, există o condiție de echilibru dinamic cantitatea de perechi electron-gol generate și numărul de electroni și găuri recombining, care rămân constante în aceste condiții.

Prezența impurităților afectează în mod semnificativ conductivitatea electrică a semiconductorilor. Adăugarea le permite creșterea foarte mult numărul de electroni liberi, la un număr mic de găuri și crește numărul de găuri cu un număr mic de electroni în nivelul de conducere. semiconductori impurității - conductorii având conductivitatea de impurități.

Impuritățile sunt ușor doneaza electroni se numesc donator. impurități donoare pot fi elemente chimice cu atomii, nivelele de valență care conțin mai mulți electroni decât atomii din materialul de bază. De exemplu, fosfor și bismut - un donor de siliciu impurități.

Energia necesară pentru saltul unui electron în regiunea de conducere, se numește energie de activare. Impuritatea semiconductoare au nevoie de mult mai puțin de ea decât materialul de bază. Cu o ușoară încălzire sau lumină eliberată predominant electronii atomilor de semiconductori de impurități. Se pune părăsit atomul ia o gaură de electroni. Dar recombinarea gaura de electroni nu are loc. gaura donator conductivitate este neglijabilă. Acest lucru se datorează faptului că o cantitate mică de atomi de impuritate nu permit electroni liberi de multe ori mai aproape de gaura și să-l dețină. Electronii sunt niște găuri, dar nu sunt în măsură să le umple din cauza nivelului insuficient de energie.

Un aditiv ușor donor de impuritate mai multe comenzi crește numărul de electroni de conducție în comparație cu numărul de electroni liberi în semiconductorul intrinsec. Electronii aici - principalii purtători ai tarifelor atomice de semiconductori impurități. Aceste substanțe fac parte din semiconductori de tip n.

Impuritatile care se leaga electronii de semiconductoare, creșterea numărului de găuri în ea, numit acceptor. impurități acceptoare sunt elemente chimice, cu un număr mai mic de electroni nivel valență decât baza semiconductorului. Bor, galiu, indiu - acceptor de impuritate în siliciu.

Caracteristicile semiconductoare sunt dependente de defectele de structură cristalină. Acest lucru determină necesitatea tot mai mare de cristale extrem de pure. Parametrii conducția semiconductor controlat prin adăugarea de dopanți. cristale de siliciu dopate cu fosfor (elementul subgrupă V), care este un donator pentru a crea siliciu de cristal de tip n. Pentru cristal cu un acceptor de bor siliciu de tip p administrat. Semiconductori compensat nivelul Fermi pentru al muta în mijlocul diferenței de bandă creată în acest mod.

semiconductori cu un singur element de

Cel mai frecvent semiconductor este, desigur, siliciu. Împreună cu Germania, el a fost prototipul unei clase mari de semiconductori, care au structuri cristaline similare.

Structura de cristal Si și Ge sunt aceleași ca și cea a diamant și α-staniu. Acesta înconjoară fiecare atom de 4 atomi care formează cel mai apropiat tetraedru. O astfel de coordonare este numit de patru ori. Cristale tetradricheskoy de bază din oțel de obligațiuni pentru industria electronică și joacă un rol-cheie în tehnologia modernă. Unele dintre elementele V și VI ale grupului tabelul periodic sunt, de asemenea, semiconductori. Exemple de acest tip de semiconductori - fosfor (P), sulf (S), seleniu (Se) și telur (Te). Acești semiconductori pot fi atomi triple (P), disubstituită (S, Se, Te) sau o coordonare de patru ori. Ca rezultat astfel de elemente pot exista în mai multe structuri cristaline diferite, și de asemenea să fie preparate sub formă de sticlă. De exemplu, Se crescute în structurile cristaline monoclinice și trigonale sau ca o fereastră (care poate fi privit ca un polimer).

- Diamond are o conductivitate termică excelentă, proprietăți mecanice și optice excelente, rezistență mecanică ridicată. Lățimea a diferenței de energie - dE = 5,47 eV.

- Silicon - semiconductor utilizat in celule solare, și sub formă amorfă, - într-un strat subțire de film celule solare. Acesta este cel mai utilizat în celulele solare semiconductoare, ușor de fabricat, are proprietăți electrice și mecanice bune. dE = 1,12 eV.

- germaniu - semiconductor utilizat în spectroscopie de raze gama, celule solare de inalta performanta. Folosit în primele diode și tranzistoare. Este nevoie de mai puțin de curățare decât siliciu. dE = 0,67 eV.

- Seleniu - un semiconductor, care este utilizat în redresoarele seleniu având o rezistență ridicată la radiații și capacitatea de a se vindeca.

Compușii din doua elemente

Proprietățile Semiconductori elemente 3 și 4 din grupele de masă periodice formate se aseamănă cu proprietățile compușilor 4 grupe. Tranziția de la cele 4 grupe de elemente la compușii 3-4 gr. Se face comunicarea în parte pentru că electronii de transport de la taxa ionice un atom la atom 3 Grupa 4 Grupa. Ionicity modifică proprietățile semiconductoare. Aceasta determină o creștere a energiei și interacțiunea ion-ion decalaj de energie structura de bandă de electroni Coulomb. Compușii binari EXEMPLU de acest tip - indiu antimonid, InSb, GaAs arseniură de galiu, galiu antimonid GASB, indiu fosfură InP, antimonid aluminiu AlSb, fofid GaP.

crește Ionicity și valoarea ei crește în mai multe grupe de compuși 2-6 compuși, cum ar fi seleniura de cadmiu, sulfură de zinc, sulfură de cadmiu, cadmiu-telur, seleniură de zinc. Ca rezultat, majoritatea compușilor 2-6 grupări interzise de bandă mai lată decât 1 eV, cu excepția compușilor de mercur. Mercury Telluride - fără semiconductor decalaj de energie, semi-metal, cum ar fi α-staniu.

Semiconductori 2-6 grupe cu o utilizare mai mare descoperire decalaj de energie în producția de lasere și display-uri. grupări binare 6 2- compus cu o energie decalaj redus adecvat pentru receptoare în infraroșu. Compușii binari ai elementelor din grupele 1-7 (CuBr cupros bromură, iodură de argint AgI, clorură de cupru CuCl) datorită ionicity ridicate au mai larg bandgap W eV. Ei nu de fapt, semiconductori și izolatori. Creșterea cristalului de ancorare a energiei datorită interacțiunii interionic Coulomb facilitează atomii de structurare sare cu scopul de a șasea, în loc de a coordona pătratică. Compuși 4-6 grupuri - sulfide, telur plumb, staniu sulfuroase - ca semiconductori. Ionicity acestor substanțe promovează coordonarea formării de șase ori. O mare parte nu ionicity exclude prezența ei au o lacune de bandă foarte înguste, ele pot fi folosite pentru a primi radiații infraroșii. Gallium nitrură - un compus 3-5 grupe cu un decalaj de energie largă, găsi aplicarea în lasere semiconductoare și diode emițătoare de lumină care funcționează în partea albastră a spectrului.

- GaAs, arseniură de galiu - la cerere, după al doilea semiconductor de siliciu este de obicei folosit ca substrat pentru alte conductoare, de exemplu, GaInNAs și InGaAs, în infraroșii setodiodah, tranzistori de înaltă frecvență și de circuite integrate, celule solare foarte eficiente, diode laser, detectori de cura nuclear. dE = 1,43 eV, care îmbunătățește dispozitivele de putere în comparație cu siliciu. Friabil, conține mai multe impurități greu de fabricat.

- ZnS, sulfură de zinc - sare de zinc a hidrogenului sulfurat cu zonele de bandă interzisă și 3,54 3,91 eV, utilizate în lasere și ca fosfor.

- RSO staniu sulfuroase - semiconductoare utilizate în fotorezistoare și fotodiode, dE = 1,3 și 10 eV.

oxizi

Oxizii metalici, de preferință, sunt izolatoare excelente, dar există și excepții. Exemple de acest tip de semiconductori - oxid de nichel, oxid de cupru, oxid de cobalt, dioxid de cupru, oxid de fier, oxid de europiu, oxid de zinc. Deoarece există dioxid de cupru ca cuprita mineral, proprietățile sale au fost studiate intens. Procedura pentru cultivarea acestui tip de semiconductoare nu este încă în mod clar, astfel încât utilizarea lor este încă limitată. O excepție este oxid de zinc (ZnO), grupe compuse 2-6, este folosit ca traductor și în producerea de benzi adezive și tencuieli.

Situația sa schimbat dramatic după superconductivitatea a fost descoperit în mulți compuși ai cuprului cu oxigen. Prima supraconductor temperatură ridicată deschide Bednorz și Muller, a fost semiconductor compus bazat pe La ₂ CuO _4, diferența de energie de 2 eV. Substituind bivalent trivalent lantan, bariu sau stronțiu, introduse în purtătorii de sarcină semiconductoare de găuri. Realizarea concentrării gaura necesară face La ₂ CuO ₄ supraconductor. În acest moment, cea mai mare temperatura de tranziție la starea supraconductoare aparține compusului HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. La presiune ridicată, valoarea sa este de 134 K.

ZnO, se utilizează varistor oxid de zinc, albastru diode emițătoare de lumină, senzori de gaze, senzori biologici, acoperiri ferestre pentru a reflecta lumina infrarosie, ca un conductor în display-uri LCD și baterii solare. dE = 3,37 eV.

cristale stratificate

Compuși duble, cum ar fi plumb diiodura, Seleniură galiu și disulfură de molibden diferă în structură cristalină stratificată. Straturile sunt legături covalente de rezistență considerabilă, mult mai puternice decât legăturile van der Waals între straturile în sine. Semiconductori un astfel de tip sunt interesante, deoarece electronii se comportă în straturi de o cvasi-bidimensional. Interacțiunea dintre straturi este modificat prin introducerea atomilor în afara - intercalare.

_MoS2, bisulfura de molibden este utilizat în detectori de înaltă frecvență, redresoare, memristor, tranzistori. dE = 1,23 și 1,8 eV.

semiconductori organici

Exemple de semiconductori pe baza compușilor organici - naftalină, polyacetylene _{(CH2) n,} antracen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. semiconductori organici au un avantaj față de non-organice: acestea sunt ușor de a conferi calitatea dorită. Substanțe cu legături conjugate formează -C = C-C = posedă optică neliniaritate substanțială și, datorită acestui fapt, în optoelectronică aplicate. Mai mult decât atât, decalajul banda de energie compus din semiconductor organic cu formula variază schimbare mult mai ușoară decât cea a semiconductorilor convenționale. forme alotropice cristaline ale fullerene de carbon, grafen, nanotuburi - de asemenea, semiconductori.

- fullerene are o structură sub forma unui închis ugleoroda poliedru convex chiar număr de atomi. Un dopaj fullerene C ₆₀ cu un metal alcalin se transformă într - un supraconductor.

- strat monoatomic grafit de carbon este format, este conectat într-o rețea hexagonală bidimensional. Înregistrarea are o conductivitate și mobilitatea electronilor, rigiditate mare

- Nanotuburile sunt laminate într-o placă de tub de grafit cu un diametru de câțiva nanometri. Aceste forme de carbon au o mare promisiune in nanoelectronica. În funcție de cuplare poate fi de calitate metalic sau semiconductoare.

semiconductori magnetice

Compușii cu ioni magnetici ai europiu și mangan au proprietăți magnetice și semiconducting curios. Exemple de acest tip de semiconductori - sulfura europiu, europiu Seleniură solide și soluții, cum Cd _{1 x} Mn _x Te. Conținutul ionilor magnetici afectează ambele substanțe prezintă proprietăți magnetice, cum ar fi feromagnetism și antiferomagnetismul. semiconductori Semimagnetic - este un hard soluții semiconductori magnetice care conțin ioni magnetici în concentrație scăzută. Astfel de soluții solide atrag atenția perspectiva dumneavoastră și un mare potențial de aplicații posibile. De exemplu, în contrast cu semiconductori non-magnetice, ele pot ajunge la un milion de ori mai mare Faraday rotație.

Efectele magneto puternice ale semiconductori magnetici permit utilizarea lor pentru modularea optică. Perovskiti, cum ar fi Mn _{0,7 0,3} Ca O _3, proprietățile sale sunt superioare tranziție metal semiconductor, care dependența directă de rezultatele câmpului magnetic în fenomenul gigant magneto-rezistivității. Ele sunt folosite în radio, dispozitive optice, care sunt controlate de un câmp magnetic, un dispozitive cu microunde waveguide.

feroelectricilor semiconductoare

Aceste cristale de tip se caracterizează prin prezența în momentele lor electrice și apariția polarizării spontane. De exemplu, astfel de proprietăți sunt semiconductori plumb titanatul PbTiO _3, titanat de bariu BaTiO _3, telurură germaniu, Gete, staniu telurură SnTe, care la temperaturi scăzute au proprietăți feroelectrice. Aceste materiale sunt folosite în senzori optice neliniare, piezoelectrice și dispozitive de memorie.

O varietate de materiale semiconductoare

În plus față de materialele semiconductoare menționate mai sus, există multe altele care nu se încadrează în una dintre aceste tipuri. Compușii cu formula 1-3-5 elemente2 (AgGaS ₂₎ și 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ formează o structură cristalină calcopirita. Compuși de contact tetraedrice semiconductori analogi 3-5 și 2-6 grupe cu zinc structură cristalină blendă. Compușii care formează elemente semiconductoare 5 și 6 grupuri (similar As ₂ Se _3), - semiconductorul sub formă de cristal sau sticla. Chalcogenides de bismut și antimoniu sunt folosite în generatoarele termoelectrice semiconductoare. Proprietățile acestui tip de semiconductoare este extrem de interesantă, dar ei nu au câștigat popularitate din cauza cererii limitate. Cu toate acestea, faptul că ele există, confirmă prezența nu a fost încă pe deplin investigate domeniul fizicii semiconductoare.