Contoh semikonduktor. Jenis, ciri, aplikasi praktikal

Yang paling terkenal adalah silikon semikonduktor (Si). Tetapi selain daripada beliau, terdapat lain-lain lagi. Contohnya adalah semula jadi, bahan-bahan semikonduktor seperti blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PBS) dan lain-lain lagi. Keluarga semikonduktor, termasuk semikonduktor disediakan di makmal, merupakan salah satu yang paling pelbagai kelas bahan-bahan yang diketahui oleh manusia.

Pencirian semikonduktor

Daripada 104 unsur-unsur dalam jadual berkala adalah logam 79, 25 - bukan logam dari mana 13 unsur-unsur kimia memiliki sifat-sifat semikonduktor dan 12 - dielektrik. ciri semikonduktor utama terdiri dalam bahawa kekonduksian mereka meningkatkan dengan ketara dengan peningkatan suhu. Pada suhu yang rendah, mereka berkelakuan seperti penebat, dan pada tinggi - sebagai konduktor. Ini semikonduktor adalah berbeza daripada logam: rintangan logam meningkatkan berkadaran dengan peningkatan suhu.

Satu lagi perbezaan dari logam semikonduktor adalah bahawa rintangan semikonduktor berkurangan di bawah pengaruh cahaya, manakala di kedua logam tidak terjejas. Juga kekonduksian semikonduktor berbeza apabila diberikan kepada sejumlah kecil berhadas.

Semiconductors ditemui di kalangan sebatian kimia yang mempunyai struktur kristal yang berbeza. Ini mungkin unsur-unsur seperti silikon dan selenium, atau sebatian double seperti galium arsenida. Banyak sebatian organik, seperti polyacetylene, (CH) _n, - bahan semikonduktor. semikonduktor tertentu mempamerkan magnet (Cd _1-x Mn _x Te) atau sifat-sifat ferroelektrik (SBSI). pengaloian lain dengan menjadi superkonduktor yang mencukupi (Gete dan SrTiO _3). Banyak daripada superkonduktor suhu tinggi baru ditemui mempunyai fasa logam semikonduktor. Sebagai contoh, La ₂ CuO ₄ adalah semikonduktor, tetapi pembentukan aloi dengan Sr menjadi sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

buku teks fizik memberi definisi sebagai bahan semikonduktor dengan kerintangan elektrik dari 10 ^-4 hingga 10 ⁷ ohm · m. Mungkin definisi alternatif. Lebar jalur yang dilarang semikonduktor - dari 0 ke 3 eV. Logam dan semimetals - bahan dengan jurang tenaga sifar, dan bahan di mana ia melebihi W eV dipanggil penebat. Terdapat pengecualian. Sebagai contoh, berlian semikonduktor mempunyai dilarang seluruh zon 6 eV, separuh penebat GaAs - 1,5 eV. Gan, bahan untuk peranti optoelektronik di rantau ini biru, mempunyai lebar band terlarang 3.5 eV.

jurang tenaga

Valence orbital atom dalam kekisi hablur dibahagikan kepada dua kumpulan tahap tenaga - zon bebas, yang terletak di peringkat tertinggi, dan menentukan kekonduksian elektrik semikonduktor, dan jalur valens, di bawah. tahap ini, bergantung kepada simetri struktur kekisi kristal dan atom boleh bersilang atau dijarakkan antara satu sama lain. Dalam kes kedua terdapat jurang tenaga, atau dalam erti kata lain, di antara zon band dilarang.

Lokasi dan tahap pengisian ditentukan oleh sifat-sifat konduktif bahan. Menurut ini bahan ciri dibahagikan dengan konduktor, penebat, dan semikonduktor. Lebar jalur yang dilarang semikonduktor berbeza 0,01-3 eV, jurang tenaga dielektrik daripada 3 eV. Logam disebabkan oleh pertindihan jurang tenaga tahap tidak.

Semikonduktor dan penebat, berbeza dengan logam, elektron dipenuhi jalur valens dan zon bebas yang terdekat, atau jalur konduksi, tenaga valens adalah pagar luar dari pecah - bahagian tenaga dilarang elektron.

Dalam dielektrik tenaga haba atau medan elektrik diabaikan tidak cukup untuk membuat melompat melalui jurang ini, elektron tidak tertakluk kepada jalur konduksi. Mereka tidak dapat bergerak melalui kekisi kristal dan menjadi pembawa arus elektrik.

Untuk memberi tenaga kepada kekonduksian elektrik, elektron dalam tahap valens perlu diberi tenaga, yang akan menjadi cukup untuk mengatasi jurang tenaga. Hanya apabila jumlah penyerapan tenaga tidak lebih kecil daripada nilai jurang tenaga, akan lulus dari tahap elektron valens pada tahap pengaliran.

Dalam kes itu, jika lebar jurang tenaga melebihi 4 eV, kekonduksian semikonduktor pengujaan penyinaran atau pemanasan adalah hampir mustahil - tenaga pengujaan elektron pada suhu lebur tidak mencukupi untuk melompat jurang tenaga melalui zon. Apabila dipanaskan, kristal cair sebelum kekonduksian elektronik. bahan-bahan tersebut termasuk kuarza (dE = 5.2 eV), berlian (dE = 5,1 eV), banyak garam.

Ekstrinsik dan intrinsik semikonduktor kekonduksian

kristal semikonduktor bersih mempunyai kekonduksian intrinsik. semikonduktor seperti nama-nama yang tetap. semikonduktor intrinsik mengandungi jumlah yang sama lubang dan elektron bebas. Apabila pemanasan kekonduksian intrinsik semikonduktor meningkat. Pada suhu malar, terdapat syarat jumlah keseimbangan dinamik dijana pasangan elektron-lubang dan bilangan recombining elektron dan lubang, yang masih berterusan di bawah syarat-syarat ini.

Kehadiran kekotoran ketara memberi kesan kepada kekonduksian elektrik semikonduktor. Menambah mereka membolehkan sangat meningkatkan bilangan elektron bebas pada sebilangan kecil lubang dan meningkatkan bilangan lubang dengan sebilangan kecil elektron dalam tahap pengaliran. semikonduktor junub - konduktor mempunyai kekonduksian bendasing.

Kekotoran mudah elektron dipanggil penderma. kekotoran penderma boleh menjadi elemen kimia dengan atom, tahap valens yang mengandungi lebih elektron daripada atom bahan asas. Sebagai contoh, fosforus dan bismut - a kekotoran silikon penderma.

Tenaga yang diperlukan untuk melompat elektron di rantau konduksi, dipanggil tenaga pengaktifan. semikonduktor berhadas perlu banyak kurang dari itu daripada bahan asas. Dengan pemanasan sedikit atau cahaya kebanyakannya dibebaskan elektron atom daripada semikonduktor junub. Place meninggalkan atom mengambil lubang elektron. Tetapi penggabungan semula lubang elektron tidak berlaku. lubang penderma kekonduksian diabaikan. Ini kerana sejumlah kecil atom bendasing tidak membenarkan elektron bebas sering lebih dekat dengan lubang dan untuk memegang. Elektron adalah beberapa lubang, tetapi tidak mampu untuk mengisi mereka disebabkan tahap tenaga tidak mencukupi.

Satu bahan sedikit penderma junub beberapa arahan meningkatkan bilangan elektron konduksi dalam perbandingan dengan jumlah elektron bebas dalam semikonduktor intrinsik. Elektron di sini - pembawa utama caj atom semikonduktor junub. bahan-bahan ini adalah kepunyaan n-jenis semikonduktor.

Kekotoran yang mengikat elektron semikonduktor, meningkatkan bilangan lubang di dalamnya, dikenali sebagai penerima. kekotoran penerima adalah unsur-unsur kimia dengan nombor yang lebih kecil elektron dalam tahap valens daripada asas semikonduktor. Boron, galium, indium - penerima junub dalam silikon.

Ciri-ciri semikonduktor adalah bergantung kepada kecacatan struktur kristal. Ini menyebabkan keperluan untuk berkembang kristal sangat tulen. Parameter pengaliran semikonduktor dikawal dengan penambahan bahan dop. kristal silikon didopkan dengan fosforus (unsur subkumpulan V) yang merupakan penderma untuk mewujudkan kristal silikon jenis-n. Untuk kristal dengan penerima boron p-jenis silikon ditadbir. Semiconductors pampasan tahap Fermi untuk bergerak ke tengah-tengah jurang jalur yang diwujudkan dengan cara ini.

semikonduktor single-unsur

Semikonduktor yang paling biasa adalah, sudah tentu, silikon. Bersama-sama dengan Jerman, beliau merupakan prototaip kelas besar semikonduktor yang mempunyai struktur kristal yang sama.

Struktur kristal Si dan Ge adalah sama dengan berlian dan α-tin. Ia mengelilingi setiap atom 4 atom terdekat yang membentuk tetrahedron. penyelarasan itu disebut empat kali. Kristal tetradricheskoy keluli asas bon bagi industri elektronik dan memainkan peranan utama dalam teknologi moden. Sebahagian V unsur-unsur dan VI kumpulan jadual berkala juga semikonduktor. Contoh jenis ini semikonduktor - fosforus (P), sulfur (S), selenium (Se) dan telurium (Te). Ini semikonduktor boleh jadi atom triple (P), disubstituted (S, Se, Te) atau penyelarasan empat kali ganda. Akibatnya unsur-unsur seperti boleh wujud dalam beberapa struktur kristal yang berbeza, dan juga disediakan dalam bentuk kaca. Sebagai contoh, Se berkembang dalam struktur kristal monoklinik dan trigonal atau sebagai tetingkap (yang juga boleh dianggap sebagai polimer).

- Diamond mempunyai kekonduksian haba yang baik, sifat mekanik dan optik sangat baik, kekuatan mekanikal yang tinggi. Lebar jurang tenaga - dE = 5,47 eV.

- Silicon - semikonduktor yang digunakan dalam sel solar, dan bentuk amorfus, - dalam filem nipis sel solar. Ia adalah yang paling digunakan dalam sel solar semikonduktor, mudah untuk mengeluarkan, mempunyai ciri-ciri elektrik dan mekanikal yang baik. dE = 1,12 eV.

- Germanium - semikonduktor yang digunakan dalam spektroskopi gamma-ray, berprestasi tinggi sel solar. Digunakan dalam diod pertama dan transistor. Ia memerlukan pembersihan kurang daripada silikon. dE = 0,67 eV.

- Selenium - semikonduktor, yang digunakan dalam penerus selenium mempunyai rintangan sinaran yang tinggi dan keupayaan untuk pulih dengan sendirinya.

sebatian dua unsur

Sifat-sifat Semiconductors membentuk elemen 3 dan 4 kumpulan jadual berkala menyerupai sifat sebatian 4 kumpulan. Peralihan dari 4 kumpulan unsur-unsur untuk sebatian 3-4 gr. Ia menjadikan komunikasi sebahagiannya kerana elektron pengangkutan caj ionik dari atom ke atom 3 Kumpulan 4 Kumpulan. Ionicity perubahan sifat-sifat semikonduktor. Ia menyebabkan peningkatan dalam Coulomb tenaga dan ion-ion interaksi jurang tenaga struktur jalur elektron. CONTOH sebatian binari jenis ini - indium antimonide, INSB, GaAs galium arsenida, galium antimonide GASB, indium phosphide InP, Aluminium antimonida AlSb, galium phosphide Jurang.

Ionicity bertambah dan nilai tumbuh lebih kumpulan sebatian 2-6 sebatian, seperti selenide kadmium, sulfida zink, kadmium sulfida, kadmium Telluride, zink selenida. Akibatnya, majoriti sebatian 2-6 kumpulan dilarang band yang lebih luas daripada 1 eV, kecuali sebatian merkuri. Mercury Telluride - tanpa semikonduktor jurang tenaga, semi-logam, seperti α-tin.

Semiconductors 2-6 kumpulan dengan jurang tenaga penggunaan find lebih besar dalam pengeluaran laser dan paparan. kumpulan binari 6 2- kompaun dengan tenaga jurang mengecil sesuai untuk penerima inframerah. sebatian binari unsur-unsur kumpulan 1-7 (bromida CuBr cuprous, agi perak iodida, tembaga klorida CuCl) kerana ionicity yang tinggi mempunyai lebih luas memberikan nilai jurang W eV. Mereka sebenarnya tidak semikonduktor, dan penebat. pertumbuhan kristal berlabuh tenaga kerana interaksi interionic Coulomb memudahkan atom penstrukturan garam perintah keenam, bukannya kuadratik koordinat. Sebatian 4-6 kumpulan - sulfida, telluride plumbum, timah sulfida - semikonduktor. Ionicity bahan-bahan ini juga menggalakkan penyelarasan pembentukan enam kali ganda itu. Banyak tidak ionicity menghalang kehadiran mereka mempunyai jurang jalur yang sangat sempit, ia boleh digunakan untuk menerima sinaran inframerah. Galium nitrida - satu kumpulan sebatian 3-5 dengan jurang tenaga yang luas, mendapati permohonan dalam laser semikonduktor dan diod pemancar cahaya yang beroperasi di bahagian biru spektrum.

- GaAs, galium arsenida - atas permintaan selepas semikonduktor silikon kedua biasanya digunakan sebagai substrat untuk konduktor lain, sebagai contoh, GaInNAs dan InGaAs, dalam inframerah setodiodah, transistor frekuensi tinggi dan IC, sel-sel solar yang sangat berkesan, diod laser, pengesan untuk sembuh nuklear. dE = 1,43 eV, yang meningkatkan peranti kuasa berbanding dengan silikon. Rapuh, mengandungi lebih kekotoran sukar untuk mengeluarkan.

- ZnS, zink sulfida - garam zink hidrogen sulfida dengan zon band terlarang dan 3.54 3.91 eV, yang digunakan dalam laser dan sebagai fosfor.

- SnS, sulfida timah - semikonduktor yang digunakan dalam photoresistors dan fotodiod, dE = 1,3 dan 10 eV.

oksida

Oksida logam sebaik-baiknya adalah penebat yang sangat baik, tetapi terdapat pengecualian. Contoh jenis ini semikonduktor - oksida nikel, tembaga oksida, oksida kobalt, tembaga dioksida, oksida besi, europium oksida, zink oksida. Sejak tembaga dioksida wujud sebagai cuprite mineral, sifat-sifatnya telah dikaji secara intensif. Prosedur untuk penanaman jenis semikonduktor belum sepenuhnya jelas, jadi penggunaannya masih terhad. Satu pengecualian ialah zink oksida (ZnO), kumpulan sebatian 2-6, digunakan sebagai transduser dan dalam pengeluaran pita pelekat dan plaster.

Keadaan ini berubah secara dramatik selepas kesuperkonduksian ditemui pada banyak sebatian tembaga dengan oksigen. Pertama superkonduktor suhu tinggi membuka Bednorz dan Muller, telah semikonduktor sebatian berdasarkan La ₂ CuO _4, jurang tenaga 2 eV. Menggantikan divalent trivalen lanthanum, barium atau strontium, diperkenalkan ke dalam pembawa cas semikonduktor lubang. Mencapai kepekatan lubang perlu menjadikan La ₂ CuO ₄ superkonduktor. Pada masa ini, suhu tertinggi peralihan kepada negeri superkonduktor tergolong mengkompaun HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Pada tekanan tinggi, nilainya ialah 134 K.

ZnO, zink oksida varistor digunakan, diod pemancar cahaya biru, sensor gas, sensor biologi, lapisan tingkap untuk memantulkan cahaya inframerah, sebagai konduktor dalam paparan LCD dan Bateri solar. dE = 3.37 eV.

kristal berlapis

sebatian Double seperti plumbum diiodide, galium selenide dan molibdenum disulfida berbeza struktur kristal berlapis. Yang lapisan adalah ikatan kovalen kekuatan yang besar, lebih kuat daripada van der Waals bon antara lapisan diri mereka sendiri. Semikonduktor jenis tersebut adalah menarik kerana elektron bertindak dalam lapisan seakan-dua dimensi. Interaksi lapisan ditukar dengan memperkenalkan atom luar - interkalasi.

MOS _2, molibdenum disulfida digunakan dalam pengesan frekuensi tinggi, penerus, memristor, transistor. dE = 1.23 dan 1.8 eV.

semikonduktor organik

Contoh semikonduktor berdasarkan sebatian organik - naftalena, polyacetylene (CH _{2) n,} anthracene, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. semikonduktor organik mempunyai kelebihan berbanding bukan organik: mereka mudah untuk memberikan kualiti yang dikehendaki. Bahan dengan bon konjugat Borang -C = C-C = mempunyai besar optik bukan kelinearan dan, kerana ini, optoelektronik digunakan. Selain itu, band jurang tenaga sebatian semikonduktor organik formula berbeza perubahan yang lebih mudah daripada itu semikonduktor konvensional. alotrop kristal fullerenes karbon, graphene, nanotube - juga semikonduktor.

- Fullerene mempunyai struktur dalam bentuk tertutup cembung polihedron ugleoroda walaupun bilangan atom. A doping Fullerene C ₆₀ dengan logam alkali berubah menjadi superkonduktor.

- lapisan grafit karbon monoatomic terbentuk, ada hubungan dalam kekisi heksagon dua dimensi. Rekod mempunyai kekonduksian dan mobiliti elektron, ketegaran yang tinggi

- Nanotiub sedang bergolek ke dalam plat tiub grafit mempunyai diameter beberapa nanometer. Bentuk-bentuk karbon mempunyai harapan besar dalam nanoelektronik. Bergantung kepada gandingan mungkin kualiti logam atau semikonduktor.

semikonduktor magnet

Sebatian dengan ion magnet europium dan mangan mempunyai sifat-sifat magnet dan semiconducting ingin tahu. Contoh jenis ini semikonduktor - sulfida europium, selenide europium dan larutan pepejal, seperti Cd _1-x Mn _x Te. Kandungan ion magnetik memberi kesan kepada kedua-dua bahan-bahan yang mempamerkan sifat-sifat magnet seperti ferromagnetism dan antiferromagnetism. semikonduktor Semimagnetic - adalah keras magnet penyelesaian semikonduktor yang mengandungi ion magnet dalam kepekatan yang rendah. penyelesaian pepejal seperti menarik perhatian prospek anda dan potensi yang besar aplikasi mungkin. Sebagai contoh, dalam Berbeza dengan semikonduktor bukan magnet, mereka boleh mencapai satu juta kali lebih besar putaran Faraday.

kesan magnetooptical kuat semikonduktor magnet membenarkan penggunaannya untuk modulasi optik. Perovskites, seperti Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, sifat-sifatnya adalah lebih kepada peralihan logam semikonduktor, yang pergantungan langsung kepada keputusan medan magnet dalam fenomena gergasi magneto-kerintangan. Ia digunakan dalam, peranti optik radio, yang dikawal oleh medan magnet, peranti gelombang mikro pandu gelombang.

ferroelectrics semikonduktor

jenis kristal dicirikan oleh kehadiran di saat-saat elektrik mereka dan berlakunya polarisasi spontan. Sebagai contoh, harta tersebut merupakan semikonduktor membawa titanate PbTiO _3, barium titanat BaTiO _3, telluride germanium, Gete, timah telluride SnTe, yang pada suhu rendah mempunyai ciri-ciri feroelektrik. Bahan-bahan ini digunakan dalam tak linear optik, sensor piezoelektrik dan peranti ingatan.

Pelbagai bahan semikonduktor

Selain bahan-bahan semikonduktor yang disebutkan di atas, terdapat banyak orang lain yang tidak termasuk di salah satu daripada jenis-jenis ini. Sebatian formula 1-3-5 elemen ₂ (AgGaS ₂₎ dan 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ membentuk struktur kristal kalkopirit. Hubungi sebatian tetrahedral semikonduktor analog 3-5 dan 2-6 kumpulan dengan struktur kristal blende zink. Sebatian yang membentuk unsur-unsur semikonduktor 5 dan 6 kumpulan (sama dengan As ₂ Se _3), - semikonduktor dalam bentuk kristal atau kaca. Chalcogenides bismut dan antimoni digunakan dalam penjana termoelektrik semikonduktor. Sifat-sifat ini jenis semikonduktor adalah amat menarik, tetapi mereka tidak mendapat populariti kerana permohonan terhad. Walau bagaimanapun, hakikat bahawa mereka wujud, mengesahkan kehadiran belum disiasat sepenuhnya bidang fizik semikonduktor.