Примери за полупроводници. Видове, свойства, практическо приложение

Най-известният полупроводник е силиций (Si). Но, освен него, има много други. Пример за това са естествените полупроводникови материали като цинкова смес (ZnS), купит (Cu₂

Характеристики на полупроводниците

От 104 елемента на периодичната таблица 79 са метали, 25 са неметални, от които 13 химични елементи имат полупроводникови свойства и 12-диелектрични свойства. Основната разлика между полупроводниците е, че тяхната електрическа проводимост се увеличава значително при повишаване на температурата. При ниски температури те се държат като диелектрици, а при високи температури се държат като проводници. Тези полупроводници се различават от металите: устойчивостта на метала се увеличава пропорционално на повишаването на температурата.

Друга разлика между един полупроводник и един метал е, че съпротивлението на полупроводника пада под действието на светлината, докато последната не се влияе от метала. Проводимостта на полупроводниците също се променя с въвеждането на малко количество примес.

Полупроводниците се намират сред химичните съединения с различни кристални структури. То може да бъде елементи като силиций и селен, или двойни съединения, като например галиев арсенид. Много органични съединения, например полиацетилен (СН)_п, Полупроводникови материали. Някои полупроводници показват магнитна (Cd_1-хMn_хTe) или фероелектрични свойства (SbSI). Други с достатъчно допинг стават свръхпроводници (GeTe и SrTiO₃). Много от наскоро откритите високотемпературни свръхпроводници имат неметални полупроводникови фази. Например La₂CuO₄ е полупроводник, но когато сплав със Sr образува свръхпроводник (La_1-хSr_х)₂CuO₄.

Физика учебници дават полупроводникова дефиниция като материал с електрическо съпротивление от 10^-4 до 10⁷ Ommiddot тата. Алтернативно определение също е възможно. Ширината на забранената лента на полупроводниците е от 0 до 3 eV. Металите и полуметалите са материали с нулева енергийна пауза, а веществата, в които надвишава 3 eV, се наричат ​​изолатори. Има изключения. Например, полупроводников диамант има забранена ивица с ширина 6 eV, полу-изолационна GaAs - 1.5 eV. GaN, материалът за оптоелектронни устройства в синия район има забранена зона с ширина 3,5 eV.

Енергийна разлика

Valence орбитали атоми в кристалната решетка са разделени на две групи от енергийните нива - свободна зона, разположена най-високо ниво, и определя електропроводимостта на полупроводници и валентната зона, по-долу. Тези нива, в зависимост от симетрията на кристалната решетка и състава на атомите, могат да се пресичат или да се отдалечат един от друг. В последния случай между зоните има енергийна пропаст, или с други думи, забранена зона.

Местоположението и пълненето на нивата определят качествата на проводимостта на веществото. На тази основа веществата са разделени на проводници, изолатори и полупроводници. Широчината на забранената лента на полупроводника варира в диапазона от 0.01-3 eV, диелектричната енергийна разлика надвишава 3 eV. Металите не се дължат на припокриващи се нива на енергийни пропуски.

Полупроводници и изолатори, за разлика от метали, електроните са пълни валентност лента и най-близката свободна зона, или проводимата зона енергия валентност е ограден от руптура - част от забранени енергии на електроните.

В диелектриците на топлинната енергия или на малко електрическо поле не е достатъчно да се направи скок през тази празнина, електроните не навлизат в проводната лента. Те не са в състояние да се движат около кристалната решетка и да станат носители на електрически ток.

За да се възбуди електрическата проводимост, на електрона на нивото на валентността трябва да се даде енергия, която би била достатъчна за преодоляване на енергийния пропуск. Само чрез абсорбиране на енергия, не по-малка от величината на енергийната разлика, електрона ще излезе от нивото на валентност до нивото на проводимост.

В този случай, ако ширината на междината енергия надвишава 4 ЕГ, проводимост полупроводникови възбуждане облъчване или нагряване е практически невъзможно - възбуждане енергия на електроните в температурата на топене не е достатъчно, за да скочи разликата енергия през зоната. При нагряване кристалът се топи преди появата на електронно проводимост. Такива вещества включват кварц (dE = 5.2 eV), диамант (dE = 5.1 eV), много соли.

Нечистота и вътрешна проводимост на полупроводниците

Чисто полупроводникови кристали имат вътрешна проводимост. Такива полупроводници се наричат ​​патентовани. Вътрешният полупроводник съдържа равен брой отвори и свободни електрони. Когато се загрява, вътрешната проводимост на полупроводниците се увеличава. При постоянна температура възниква състояние на динамично равновесие между броя на образуваните двойки електрон-дупки и броя на рекомбинираните електрони и дупките, които остават постоянни при дадените условия.

Наличието на примеси оказва значително влияние върху електрическата проводимост на полупроводниците. Добавянето им дава възможност да се увеличи значително броят на свободните електрони с малък брой отвори и да се увеличи броят на отворите с малък брой електрони на нивото на проводимост. Замърсяващите полупроводници са проводници, които имат проводимост на примесите.

Примесите, които лесно отделят електрони, се наричат ​​донори. Примесите на донорите могат да бъдат химически елементи с атоми, чиито нива на валентност съдържат повече електрони, отколкото атомите на основния материал. Например, фосфорът и бисмутът са примеси на донор от силиций.

Енергията, необходима на електрона за нахлуване в проводимия регион, се нарича енергия на активиране. Негативните полупроводници се нуждаят от много по-малко от това от основното вещество. При леко нагряване или осветяване се освобождават главно електрони от примеси от полупроводникови атоми. Мястото на електрона, който напусна атома, заема дупка. Но на практика няма рекомбинация на електрони в дупки. Проводимостта на дупката на донора е незначителна. Това е така, защото малък брой примеси не позволяват на свободните електрони да се приближават често до дупката и да я заемат. Електроните са близо до дупките, но те не могат да ги запълнят поради недостатъчното енергийно ниво.

Незначителното добавяне на примесите на донора с няколко порядъка увеличава броя на проводимите електрони в сравнение с броя на свободните електрони в присъщия полупроводник. Електроните тук са основните носители на зарядите на атомите от полупроводниците на примесите. Тези вещества са класифицирани като полупроводници тип "н".

Примесите, които свързват електроните на полупроводник, увеличавайки броя на дупките в него, се наричат ​​акцепторни. Приемните примеси са химически елементи с по-малък брой електрони при нивото на валентност, отколкото основния полупроводник. Бор, галий, индий са акцепторни примеси за силиций.

Характеристиките на полупроводника са зависими от дефектите на неговата кристална структура. Това е причината за необходимостта от израстване на изключително чисти кристали. Параметрите на проводимост на полупроводника се контролират чрез добавяне на легиращи добавки. Силиконовите кристали се допират с фосфор (елемент V на подгрупата), който е донор за създаване на силициев кристал тип п. За да се получи кристал с проводимост на дупката, в силиций се въвежда борен акцептор. По подобен начин се създават полупроводници с компенсирано ниво на Fermi, за да се премести в средата на забранената лента.

Едноелементни полупроводници

Най-често срещаният полупроводник е, разбира се, силиций. Заедно с германия той се превръща в прототип на широк клас полупроводници с подобни кристални структури.

Структурата на Si и Ge кристали е същата като тази на диамантите и алфа - калай. В него всеки атом е заобиколен от 4 най-близки атома, които образуват един тетраедър. Тази координация се нарича четирикратно. Кристалите с тетрадична връзка стават основни за електронната индустрия и играят ключова роля в съвременната технология. Някои елементи от групите V и VI на периодичната таблица също са полупроводници. Примери за полупроводници от този тип са фосфор (Р), сяра (S), селен (Se) и телур (Te). В тези полупроводници, атомите могат да имат тройна (Р), двойна (S, Se, Te) или четворна координация. В резултат на това такива елементи могат да съществуват в няколко различни кристални структури и също така могат да бъдат получени под формата на стъкло. Например, Se се отглежда в моноклинични и тригонални кристални структури или във формата на стъкло (което също може да се счита за полимер).

- Диамантът има отлична топлопроводимост, отлични механични и оптични характеристики, висока механична якост. Широчината на енергийната разлика е dE = 5,47 eV.

- Силиконът е полупроводник, използван в слънчеви батерии и в аморфна форма - в тънкослойни слънчеви клетки. Той е най-използваният полупроводник в фотоклетките, лесен за производство, има добри електрически и механични свойства. dE = 1.12 eV.

- Германиумът е полупроводник, използван в гама спектроскопия, високоефективни фотоклетки. Използва се в първите диоди и транзистори. Изисква по-малко почистване от силиций. dE = 0.67 eV.

- Селенът е полупроводник, който се използва в селенови изправители, които имат висока радиационна устойчивост и способност за саморегулиране.

Двукомпонентни връзки

Свойствата на полупроводниците, образувани от елементи от групи 3 и 4 на периодичната таблица напомнят свойствата на веществата 4 групи. Преход от 4 групи елементи към връзки 3-4 гр. прави връзките частично йонни поради трансфера на електронен заряд от атома от група 3 към атома от група 4. Йонността променя свойствата на полупроводниците. Това е причината за увеличаването на взаимодействието между Coulomb и енергията на енергийното прекъсване на структурата на електронната лента. Пример двоични съединения от този тип - индий Antimonide, INSB, галиев арсенид GaAs, галий Antimonide GaSb, индий фосфид INP, алуминий Antimonide AlSb, галий фосфид празнина.

Ionicity увеличава и стойността му нараства повече групи в съединения 2-6 съединения, като кадмий селенид, цинков сулфид, кадмиев сулфид, кадмиев телурид, цинков селенид. В резултат на по-голямата част от съединения 2-6 групи забранени лента широка от 1 ЕГ, с изключение на живачни съединения. Mercury телурид - без полупроводникови енергия празнина, полу-метал, като алфа - калай.

Полупроводници от 2-6 групи с голяма енергийна пропаст намира приложение в производството на лазери и дисплеи. Бинарни съединения от 2-6 групи със стеснена енергийна междина са подходящи за инфрачервени приемници. Бинарните съединения на елементи от групи 1-7 (меден бромид CuBr, с Agl сребърен йодид, меден хлорид CuCl), поради високата ionicity имат широк Bandgap W ЕГ. Те всъщност не са полупроводници, а изолатори. Разрастването на енергията на свързване на кристала, дължащо се на взаимодействието на Кулумб, поощрява структурирането на атомите каменна сол с шесткратна, а не квадратична координация. Съединения от 4-6 групи - оловен сулфид и оловен телурид, калаен сулфид - също са полупроводници. Степента на йоничност на тези вещества също допринася за формирането на шесткратна координация. Значителната йоничност не пречи на наличието на много тесни забранени ивици, което им позволява да се използват за получаване на инфрачервено лъчение. Галиев нитрид - съединение от 3-5 групи с широка енергийна пролука, намерено приложение полупроводникови лазери и светодиоди, работещи в синята част на спектъра.

- GaAs, галиев арсенид - при поискване след втората силициев полупроводника обикновено се използва като субстрат за други проводници, например, GaInNAs и InGaAs, в setodiodah инфрачервена, високочестотни транзистори и интегрални схеми, високоефективни слънчеви клетки, лазерни диоди, детектори на ядрената лечение. dE = 1.43 eV, което позволява да се увеличи мощността на инструментите в сравнение със силиций. Крехката, съдържа повече примеси, е сложна в производството.

- ZnS, цинков сулфид - цинкова сол на сероводород с интервал от 3.54 и 3.91 eV, се използва в лазери и като фосфор.

- SnS, калаеният сулфид е полупроводник, използван във фоторезистори и фотодиоди, dE = 1,3 и 10 eV.

оксиди

Металните оксиди са предимно отлични изолатори, но има и изключения. Примери за полупроводници от този тип са никелов оксид, меден оксид, кобалтов оксид, меден диоксид, железен оксид, европиев оксид, цинков оксид. Тъй като медният диоксид съществува под формата на cuprite mineral, неговите свойства са изследвани интензивно. Процедурата за отглеждане на полупроводници от този тип все още не е напълно разбрана, поради което тяхното приложение все още е ограничено. Изключението е цинковият оксид (ZnO), съединенията 2-6 групи, използвани като преобразувател и при производството на самозалепващи ленти и лепенки.

Ситуацията се промени драстично след откриването на свръхпроводимост в много съединения на медта с кислород. Първият високотемпературен свръхпроводник, открит от Мюлер и Беднър, е съставен на базата на полупроводникови La₂CuO₄ с енергийна разлика от 2 eV. Чрез замяната на тривалентния лантан с бивалентен барий или стронций, носителите на зарядната дупка се въвеждат в полупроводника. Постигането на необходимата концентрация на дупки се превръща в La₂CuO₄ в свръхпроводник. Понастоящем най-високата температура на преход към свръхпроводящо състояние принадлежи към съединението HgBaCa₂Cu₃О₈. При високи налягания стойността му е 134 К.

ZnO, цинков оксид варистора се използва, сини светодиоди, газови сензори, сензори биологични, покрития прозорци, за да отрази инфрачервена светлина, като проводник на LCD дисплея и слънчеви батерии. dE = 3.37 eV.

Покрити кристали

Двойни съединения като оловен дийодид, галиев селенид и молибденов дисулфид се отличават с пластовата структура на кристала. В слоевете действат ковалентни връзки значителна сила, е много по-силна от връзките на ван дер Ваалс между самите слоеве. Полупроводниците от този тип са интересни в това, че електроните се държат на слоеве почти двуизмерни. Взаимодействието на слоевете се променя чрез въвеждане на атоми от трети страни - чрез интеркалация.

морски магистрали₂ Дисулфидният молибден се използва при високочестотни детектори, изправители, мемистори, транзистори. dE = 1,23 и 1,8 eV.

Органични полупроводници

Примери за полупроводници на базата на органични съединения са нафтален, полиацетилен (CH₂)_п, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиди, поливинилкарбазол. Органичните полупроводници имат предимство пред неорганичните: те лесно могат да получат необходимите качества. Веществата с конюгирани връзки от типа -C = С-С =, имат значителна оптична нелинейност и поради това се използват в оптоелектрониката. В допълнение, зоните за прекъсване на енергията на органичните полупроводници се модифицират чрез промяна в състава на съединението, което е много по-лесно, отколкото при конвенционалните полупроводници. Кристалните алотропи от въглероден фулерен, графен, нанотръби също са полупроводници.

- Фуллерен има структура под формата на изпъкнал затворен политоп от равен брой въглеродни атоми. Допинг на фулерен С₆₀ Алкалният метал го превръща в свръхпроводник.

- Графенът се формира от моноатомен въглероден слой, свързан с двумерна шестоъгълна решетка. Има рекордна топлопроводимост и мобилност на електроните, висока твърдост

- Нанотръбите се търкалят в тръба от графитни пластини с диаметър няколко нанометра. Тези форми на въглерод имат голяма перспектива за наноелектроника. В зависимост от сцеплението могат да бъдат изложени метални или полупроводни качества.

Магнитни полупроводници

Съединенията с магнитни йони от европий и манган имат интересни магнитни и полупроводникови свойства. Примери за полупроводници от този тип са европиев сулфид, европиев селенид и твърди разтвори като Cd_1-xshy-Mn_хTe. Съдържанието на магнитни йони влияе върху начина, по който магнитни свойства като антиферомагнетизъм и феромагнетизъм се проявяват в вещества. Полумагнитните полупроводници са твърди магнитни разтвори на полупроводници, които съдържат магнитни йони в малка концентрация. Такива солидни решения привличат вниманието от техните перспективи и големия потенциал на възможните приложения. Например, за разлика от немагнитните полупроводници, те могат да постигнат милион пъти по-голяма ротация на Фарадей.

Силните магнито-оптични ефекти на магнитните полупроводници правят възможно използването им за оптична модулация. Перовскити като Ман_0.7Ca_0.3О₃ техните свойства превишават метало-полупроводниковия преход, чиято пряка зависимост от магнитното поле има последица от явлението гигантско магнитно съпротивление. Те се използват в радиотехниката, оптичните устройства, които се управляват от магнитно поле, във вълноводи на микровълнови устройства.

Полупроводникови фероелектрици

Този тип кристал се характеризира с наличието на електрически моменти в тях и появата на спонтанна поляризация. Например, такива свойства се притежават от оловни PbTiO титанатни полупроводници₃, бариев титанат BaTiO₃, германиев телурид GeTe, SnTe телурид, който при ниски температури притежава свойствата на фероелектрик. Тези материали се използват в нелинейни-оптични, памет устройства и пиезоелектрични сензори.

Разнообразие от полупроводникови материали

В допълнение към упоменатите по-горе полупроводникови вещества има много други, които не попадат в нито един от изброените типове. Съединения на елементите съгласно формула 1-3-5₂ (AgGaS₂) и 2-4-5₂ (ZnSiP₂) образуват кристали в структурата на халкопирит. Връзките на съединенията са четиристранни, аналогични на 3-5 и полупроводникови полупроводникови полупроводници с кристална структура на цинкова смес. Съединения, които образуват елементи от полупроводници от група 5 и 6 (подобни на As₂Se₃), - полупроводник под формата на кристал или стъкло. Халкогенидите от бисмут и антимон се използват в полупроводникови термоелектрически генератори. Свойствата на полупроводниците от този тип са изключително интересни, но те не са придобили популярност поради ограниченото им приложение. Фактът, че те съществуват обаче, потвърждава наличието на още преди края на неизследваните области на полупроводникова физика.