Primeri polprevodnike. Vrste, lastnosti, praktične aplikacije

Najbolj znana je polprevodniški silicij (Si). Toda poleg njega, obstaja še veliko drugih. Primeri so naravni, taki polprevodniški materiali kot blende (ZNS), cuprite (Cu ₂ O), galenita (PBS) in mnogi drugi. Družina polprevodnikov, vključno polprevodnikov, pripravljenih v laboratorijih, eden izmed najbolj različnih razredov snovi je znano, da človek.

Lastnosti polprevodnikov

Od 104 elementov periodnega sistema so kovine 79, 25 - nekovine, iz katerega 13 kemijskih elementov posedujejo polprevodniških lastnosti in 12 - dielektričnih. Glavna polprevodniški element sestavljen s tem, da je njihova prevodnost znatno povečuje z naraščajočo temperaturo. Pri nizkih temperaturah, se obnašajo kot izolatorji, in na visoko - kot vodniki. Ti polprevodniki se razlikujejo od kovin: upornost kovinske sorazmerno poveča s povečanjem temperature.

Druga razlika iz polprevodniškega kovine je, da je upornost polprevodnika zmanjša pod vplivom svetlobe, medtem ko je slednja kovina ne vpliva. Tudi prevodnost polprevodnikov spreminja, kadar ga dajemo v manjši količini nečistoče.

Polprevodniki najdemo med kemičnih spojin z različnimi kristalnimi strukturami. To so lahko elementi, kot so silicij in selen ali dvojnimi spojinami, kot galijevega arzenida. Mnoge organske spojine, kot polyacetylene, (CH) _n-, - polprevodniški materiali. Nekateri polprevodniki kažejo magnetno (CD _1-x Mn _x TE) ali feroelektričnih lastnostih (SbSI). Drugi legiranje z zadostnimi postale superprevodnikov (Gete in SrTiO _3). Veliko na novo odkritih visokotemperaturnih superprevodnikov imajo kovinski polprevodniški fazo. Na primer, La ₂ CuO ₄ je polprevodniški, ampak tvorba zlitine s Sr postane sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Physics učbenikov dobimo definicijo kot polprevodniškega materiala z električno upornost od 10 ^-4 do 10 ⁷ ohmov · m. Morda alternativa opredelitev. Širina prepovedanega pasu polprevodnika - od 0 do 3 eV. Kovine in polkovin - material z ničelno vrzel energije in snovi, v kateri ga presega W eV imenovane izolatorjev. Obstajajo izjeme. Na primer, polprevodniški diamant ima širok prepovedana cona 6 eV,-polprikolice izolacijski GaAs - 1,5 eV. GaN, material za optoelektronske naprave v modrem območju, je prepovedano pasovni širini 3,5 eV.

vrzel energija

Valence orbitale atomov v kristalni mreži so razdeljeni v dve skupini lupin - prosto cono, ki se nahaja na najvišji stopnji, in določa električne prevodnosti polprevodnikov ter valenčno pas, spodaj. Te stopnje glede na simetrijsko kristalno strukturo rešetke in atomi lahko križajo ali se med seboj razmaknjene. V zadnjem primeru je reža energije, ali z drugimi besedami, med prepovedani pasu območjih.

Lokacija in nivo polnjenja opredeljujejo prevodne lastnosti materiala. Glede na to funkcijo snovi deljena z dirigenti, izolatorjev in polprevodnikov. Širina prepovedanega pasu polprevodnika spreminja 0,01-3 eV vrzel energije dielektrično kakor 3 eV. Kovine zaradi prekrivanja ravni vrzeli energije niso.

Polprevodniki in izolatorji, v nasprotju s kovinami, so elektroni napolnjeni valenčno pas in najbližjo prosto cono ali prevodni pas, je valenca energija ograjene iz rupture - odsek nedovoljeno energij elektronov.

V dielektrikih toplotna energija ali zanemarljiva električno polje ni dovolj, da bi skok preko te vrzeli, elektroni niso predmet prevodnem pasu. Oni se ne morejo premikati skozi kristalne rešetke in postali nosilci električnega toka.

Za energijo v električno prevodnost, mora elektronov v ravni valentno dati energijo, kar bi bilo dovolj za premagovanje vrzeli energije. Šele, ko je količina absorpcije energije ni manjša od vrednosti energetske vrzeli, bo minilo od ravni valentno elektronov na ravni prevajanja.

V tem primeru, če je širina reže energije presega 4 eV, prevodnost polprevodnikov vzbujanje obsevanje ali ogrevanje je praktično nemogoče - vzbujanje energija elektronov pri temperaturi tališča se ne zadostujejo za skok vrzeli energije skozi cono. Pri segrevanju, kristalno topi pred elektronsko prevodnost. Take snovi vključujejo kremen (DE = 5,2 eV), diamant (DE = 5,1 eV), veliko soli.

Zunanjih in notranjih prevodnost polprevodnikov

Čisti polprevodniške kristali imajo intrinzično prevodnost. Takšne polprevodniki lastna imena. Notranja polprevodniški vsebuje enako število lukenj in prostih elektronov. Pri ogrevanju intrinzično prevodnost semiconductors povečuje. Pri konstantni temperaturi, je pogoj dinamičnem ravnovesju količino generiranih elektronov luknjami parih in številom rekombinirajo elektronov in lukenj, ki ostanejo nespremenjena pri teh pogojih.

Prisotnost nečistoč znatno vpliva na električno prevodnost polprevodnikov. jih dodate omogoča znatno povečanje števila prostih elektronov na majhno število lukenj in povečati število lukenj z majhnim številom elektronov v ravni prevajanja. Nečistoče polprevodniki - vodniki imajo nečistoče prevodnost.

Nečistoče se lahko darujejo elektroni se imenujejo darovalec. Darovalcu nečistoče lahko kemični elementi z atomi, na ravni valenčnih ki vsebujejo več elektronov od atomi osnovnega materiala. Na primer, fosfor in bizmut - a nečistot silicij dajalca.

Zahtevana za skok elektrona v prevodni regiji energije, se imenuje aktivacijsko energijo. Nečistoča polprevodnikov potrebujejo veliko manj od tega od osnovnega materiala. Z rahlim segrevanjem ali svetlobe pretežno sprosti elektrone iz atomov nečistote polprevodnikov. Postavite levo atom traja elektronov luknjo. Toda elektronska vrzel rekombinacijo ne poteka. luknja donator prevodnost je zanemarljiva. To je zato, ker je majhna količina nečistih atomov ne omogočajo proste elektrone pogosto bližje luknjo in ga držite. Elektroni so nekatere luknje, vendar niso mogli izpolniti zaradi nezadostne ravni energije.

Rahlo Aditiv donator nečistoča več naročil povečuje število prevodnih elektronov v primerjavi s številom prostih elektronov v notranjo polprevodnika. Elektroni tukaj - glavni nosilci atomskih obtožb nečistoče polprevodnikov. Te snovi sodijo v polprevodnikov na n-tipa.

Nečistoče, ki se vežejo elektrone iz polprevodnikov, ki povečujejo število lukenj v njej, ki se imenuje akceptor. Akceptor nečistoče so kemični elementi z manjšim številom elektronov v ravni valentno kot osnove polprevodnika. Bor, galija, indija - akceptor nečistoča v silicija.

Značilnosti polprevodniških so odvisni od njene kristalne strukture napak. To povzroča nujnost raste zelo čiste kristale. Parametri polprevodniškega prevodnost krmili dodatkom dopantov. Silicijevi kristali dopirani s fosforjevim (V podskupini elementa), ki je donor za ustvarjanje kristalov silicija n-tipa. Za kristalno s p-tipa silicij dajemo borovega akceptorja. Polprevodniki nadomestiti raven Fermi, da jo premakne v sredino reže pasu ustvarjene na ta način.

polprevodniki enim elementov

Najpogostejši polprevodnikov je seveda silicija. Skupaj z Nemčijo, je bil prototip velikega razreda polprevodnikov, ki imajo podobne kristalne strukture.

Kristalna struktura Si in Ge so enaki kot pri diamanta in a-kositra. To obkrožajo vsak atom 4 najbližjih atomi, ki tvorijo tetraeder. Takšno usklajevanje se imenuje štirikrat. Kristali tetradricheskoy vez jekla baza za elektronsko industrijo in igrajo ključno vlogo v sodobni tehnologiji. Vsaka od elementov V in VI periodnega sistema skupine so tudi polprevodniki. Primeri te vrste polprevodnikov - fosforja (P), žvepla (S), selen (Se) in telur (Te). Ti polprevodniki lahko trojne atomi (P), disubstituiran (S, Se, Te) ali štirikrat usklajevanje. Zato lahko obstajajo taki elementi v različnih kristalnih struktur, in jih pripravimo tudi v obliki kozarca. Na primer, Se goji v monoklinsko in trigonalne kristalnih strukturah ali kot okno (ki se lahko šteje kot polimer).

- Diamond ima odlično toplotno prevodnost, odlične mehanske in optične lastnosti, visoko mehansko trdnost. Širina reže energije - DE = 5,47 eV.

- Silikonska - polprevodnik uporablja v sončnih celic in amorfni obliki, - v tankoplastnih sončnih celic. To je najbolj uporabljena v polprevodniških sončne celice, enostavna za izdelavo, ima dobre električne in mehanske lastnosti. DE = 1,12 eV.

- germanija - polprevodnik uporablja v gama spektroskopijo, visoko zmogljivost sončnih celic. Uporablja se v prvih diod in tranzistorjev. To zahteva manj čiščenje kot silicij. DE = 0,67 eV.

- selen - polprevodniška, ki se uporablja v selena usmernikov imajo visoko odpornost sevanja in sposobnost, da se pozdravi.

Dvodelne spojine

Lastnosti polprevodnikov oblikovanih elementov 3 in 4 periodnega skupin spominjajo na lastnosti spojin 4 skupine. Prehod od 4 skupine elementov na spojino 3-4 gr. To omogoča komunikacijo delno zaradi ionskega naboja transportne elektroni iz atoma atoma 3 Skupina 4 Skupina. Ionicity spremeni lastnosti polprevodnikov. To povzroči povečanje energije in ionsko-ionsko interakcijo z energijo reže strukturo elektronov pasu Coulombov. Primer binarne spojine te vrste - indij antimonide, InSb galijev arzenid GaAs, galija antimonide GaSb, indija fosfid INP, aluminij antimonide AlSb galijev fosfid vrzel.

Ionicity poveča in njegova vrednost raste več skupin v spojinah 2-6 spojine, kot je kadmij selenida, cinkov sulfid, kadmija sulfid, kadmijev telurid, cinkovega selenida. Zato je večina spojin, 2-6 skupinami prepovedano pas širši kot 1 eV, razen spojin živega srebra. Živega srebra Telluride - brez energije reže polprevodnikov, polkovina, kot so a-kositra.

Polprevodniki 2-6 skupine z večjo energetsko vrzel uporabo znajdejo v proizvodnji laserjev in zaslonov. Binarni skupine 6 2- Spojina s zoženega energije reže, primernim za infrardeče sprejemnikov. Binarni spojine elementov iz skupin 1-7 (bakrov bromid Čubr, AGI srebro jodida, bakrovega klorida CuCI) zaradi visoke ionicity imajo večjo energijsko špranjo W eV. Oni dejansko ne polprevodnike in izolatorje. rast kristalov sidranje energije zaradi Coulombov interionic interakcij omogoča strukturiranje atomi sol s šestim naročilo, namesto kvadratna koordinata. Spojine 4-6 skupinami - sulfide, svinca telurida, kositer sulfidne - kot polprevodnike. Ionicity teh snovi spodbuja tudi usklajevanje nastanek šestkrat. Veliko ne ionicity izključuje prisotnost Imajo zelo ozek pas vrzeli, se lahko uporabijo za sprejem infrardečega sevanja. Galij nitrid - spojina skupine 3-5 z energijsko režo široko, našli uporabo v polprevodniških laserjev in svetlečimi diodami, ki delujejo v modrem delu spektra.

- GaAs, galijev arzenid - na zahtevo po drugem silicijevega polprevodnika se običajno uporablja kot substrat za druge vodnike, na primer, GaInNAs in InGaAs v setodiodah IR, visokofrekvenčni tranzistorje in IC, visoko učinkovitih sončnih celic, laserske diode, detektorji jedrskega zdraviti. DE = 1,43 eV, ki izboljša napajalne naprave v primerjavi s silicijem. Krhki, vsebuje več nečistoč težko proizvajati.

- ZnS, cinkov sulfid - cinkova sol vodikovega sulfida z območji prepovedanih pasu in 3,54 3,91 eV, ki se uporabljajo laserji in kot fosfor.

- SNS, kositer sulfidne - polprevodniški uporabljajo v fotouporih in fotodiod, DE = 1,3 in 10 eV.

oksidi

Kovinski oksidi prednostno so odlični izolatorji, vendar so tudi izjeme. Primeri tovrstnih polprevodniki - nikljevega oksida, bakrovega oksida, kobaltov oksid, bakrov dioksid, železov oksid, evropij oksid, cinkov oksid. Ker baker dioksid obstaja kot mineral cuprite, so njene lastnosti preučevali intenzivno. Postopek za gojenje te vrste polprevodniških še ni povsem jasen, zato je njihova uporaba še vedno omejena. Izjema je cinkov oksid (ZnO), sestavljene skupine 2-6, uporabimo kot pretvornika in v proizvodnji lepilnih trakov in ometov.

Položaj dramatično spremenilo, ko je superprevodnost odkrili v številnih spojin bakra s kisikom. Prvi visoka temperatura Supraprevodna Odpri Bednorz in Muller, je spojina polprevodniški osnovi kj ₂ CuO _4, vrzel energetski 2 eV. S substitucijo dvovalentno trivalentni lantana barija ali stroncij, uveden v nosilcev polprevodnikov napajanja lukenj. Doseganje potrebne koncentracije luknjo naredi La ₂ CuO ₄ supraprevodnik. V tem trenutku je najvišja temperatura prehoda v stanje superprevodne pripada spojino HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Pri visokem tlaku, njegova vrednost je 134 K.

ZnO, uporabimo Varistor cinkov oksid, modre svetleče diode, plinske senzorje, bioloških senzorji, premazih okna odraža infrardečo svetlobo, kot prevodnik v LCD zaslonov in solarnih akumulatorjev. DE = 3,37 eV.

plastne kristale

Dvojne spojine kot dijodida svinca, galijevega selenida in molibden disulfida razlikujejo plastovito kristalno strukturo. Plasti so kovalentne vezi z veliko moč, veliko močnejši od Waalsove vezi van der med plastmi samih. Polprevodniki kot tipa so zanimive, ker se elektroni obnašajo plasti kvazi-dvodimenzionalna. Interakcija plasti se spremeni z uvedbo zunaj ogljika - intercalation.

MoS _2, se molibden disulfida uporablja v detektorjev visoke frekvence usmerniki, memristor, tranzistorjev. DE = 1,23 in 1,8 eV.

organski polprevodniki

Primeri polprevodnikov na osnovi organskih spojin - naftalena, polyacetylene _{(CH2) n,} antracen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Organski polprevodniki imajo prednost pred neorganske: so lahko dajejo želeno kakovost. Snovi z konjugiranih vezi tvorita -C = C-C = imajo znatno optični nelinearnost in zaradi tega v opto uporabljajo. Poleg tega reža energija glasbenega organsko polprevodniško spojina s formulo razlikujejo spremembo, da je veliko lažje kot pri konvencionalnih polprevodnikov. Kristalni alotropov Ogljikovi fulerenov, Graphene, nanocevke - tudi polprevodnike.

- fulerenom ima strukturo v obliki zaprtega konveksnega poliedra ugleoroda celo število atomov. Dopiranje fulerenom C ₆₀ z alkalijsko kovino jo spremeni v pretvornik.

- grafitni ogljik monoatomskega sloj tvorjen, priključena na dvodimenzionalni heksagonalno mrežo. Snemanje je prevodnost in gibljivost, visoko togost

- nanocevke zvit v tulec grafitnega plošče s premerom več nanometrov. Te oblike ogljika, ki imajo veliko obetajo na področju nanoelektronike. Glede na sklopki lahko kovinski ali polprevodniških kakovosti.

magnetni polprevodniki

Spojine z magnetnimi ioni evropija in mangana imajo radovednih magnetne in polprevodniških lastnosti. Primeri tovrstnih polprevodniki - evropija sulfid, selenid evropijem in trdnih raztopin, kot Cd _1-x Mn _x TE. Vsebnost magnetnih ionov vpliva obeh učinkovin magnetnih lastnosti, kot so feromagnetizma in antiferromagnetism. Semimagnetic polprevodniki - je trdna magnetna polprevodniki raztopine, ki vsebujejo magnetne ione v nizki koncentraciji. Takšne trdne rešitve pritegnili pozornost vaše možnosti in velik potencial možnih aplikacij. Na primer, v nasprotju z nemagnetnih polprevodnikov, ki jih lahko dosežejo milijon krat večja Faradayevega efekta rotacijo.

Močni magnetooptičnih učinki magnetnih polprevodnikov omogoči njihova uporaba za optično modulacijo. Perovskiti, kot Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, njegove lastnosti so boljše od kovinskih polprevodnikov prehoda, ki neposredno odvisnost od rezultatov magnetnega polja v pojavu velikanski magneto-upornosti. Uporabljajo se v radijskih, optičnih naprav, ki so pod nadzorom z magnetnim poljem, a mikrovalovna valovodne naprave.

polprevodniški feroelektrici

Ta vrsta kristale je značilna prisotnost v svojih električnih trenutkih in spontane polarizacije. Na primer, take lastnosti so polprevodniki svinčevega titanata PbTiO _3, barijev titanat BaTiO _3, germanij telurida, Gete, kositer telurid SnTe, ki pri nizkih temperaturah imajo feroelektričnih lastnostih. Ti materiali se uporabljajo v nelinearnih optičnih, piezoelektrični senzorji in pomnilniških naprav.

Različne polprevodniških materialov

Poleg polprevodniških materialov zgoraj omenjenih, obstaja še veliko drugih, ki ne spadajo v eno od teh vrst. Spojine s formulo 1-3-5 elementi ₂ (AgGaS ₂₎ in 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ tvori chalcopyrite kristalno strukturo. Kontakt Tetraedarski spojin analognih polprevodnike 3-5 in 2-6 skupinami s cinkovim blende kristalne strukture. Spojine, ki tvorijo polprevodniški elementi 5 in 6 skupin (podobno kot ₂ Se _3), - polprevodnikov v obliki kristalov ali stekla. Halkogenidov bizmuta in antimona se uporabljajo v polprevodniški termoelektrični generator. Lastnosti te vrste polprevodniških je zelo zanimiva, vendar niso pridobili popularnost zaradi omejene uporabe. Vendar pa je dejstvo, da obstajajo, potrjuje prisotnost še ni v celoti raziskana področja polprevodniških fizike.