Exemples de semiconductors. Tipus, propietats, aplicacions pràctiques

El més famós és el silici semiconductor (Si). Però a part d'ell, hi ha molts altres. Exemples d'això són, com materials semiconductors naturals com blenda (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PbS) i molts altres. La família dels semiconductors, incloent semiconductors preparats en laboratoris, representa una de les més diverses classes de materials coneguts per l'home.

Caracterització dels semiconductors

Dels 104 elements de la taula periòdica són metalls 79, 25 - els elements no metàl·lics de la qual els 13 elements químics posseeixen propietats semiconductores i 12 - dielèctriques. característica de semiconductor principal consisteix en que la seva conductivitat augmenta significativament en augmentar la temperatura. A baixes temperatures, es comporten com aïllants, ia alta - com a conductors. Aquests semiconductors són diferents de metalls: resistència a metalls augmenta proporcionalment a l'augment de la temperatura.

Una altra diferència a partir del metall semiconductor és que la resistència del semiconductor disminueix sota la influència de la llum, mentre que en aquest últim el metall no es veu afectada. També la conductivitat dels semiconductors varia quan s'administra a una quantitat menor d'impuresa.

Semiconductors es troben entre els compostos químics amb diferents estructures cristal·lines. Aquests poden ser elements com ara silici i seleni, o compostos dobles com l'arsenur de gal·li. Molts compostos orgànics, com ara poliacetileno, (CH) _n, - materials semiconductors. Certs semiconductors exhibeixen magnètic (Cd _1-x Mn _x Et) o propietats ferroelèctriques (SBSI). Altres aliatge amb superconductors convertit suficients (Gete i _SrTiO3). Molts dels superconductors d'alta temperatura recentment descoberts tenen fase semiconductora metàl·lic. Per exemple, La ₂ CuO ₄ és un semiconductor, però la formació de l'aliatge amb Sr converteix sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

els llibres de text de la física donen definició com el material semiconductor amb una resistivitat elèctrica d'entre 10 ^-4 A 10 ⁷ ohms · m. Potser una definició alternativa. L'amplada de la banda prohibida del semiconductor - de 0 a 3 eV. Metalls i semimetalls - un material amb bretxa d'energia zero, i la substància en la qual s'excedeix W eV anomenats aïlladors. Hi ha excepcions. Per exemple, un diamant semiconductor té una àmplia prohibit eV zona 6, d'un semi-aïllant GaAs - 1,5 eV. GaN, un material per a dispositius optoelectrònics a la regió blava, té una amplada de banda prohibida d'3,5 eV.

la bretxa d'energia

orbitals de valència dels àtoms en la xarxa cristal·lina es divideixen en dos grups de nivells d'energia - una zona lliure, situada al nivell més alt, i determina la conductivitat elèctrica dels semiconductors, i la banda de valència, a continuació. Aquests nivells, depenent de la simetria de l'estructura reticular del vidre i àtoms poden creuar-se o estar separats entre si. En l'últim cas hi ha una bretxa d'energia, o en altres paraules, entre les zones de banda prohibida.

La ubicació i el nivell d'ompliment es determina per les propietats conductores del material. D'acord amb aquesta substància característica dividits pels conductors, aïllants i semiconductors. L'amplada de la banda prohibida del semiconductor varia ,01-3 eV, la bretxa d'energia del dielèctric de 3 eV. Metalls causa de la superposició dels nivells d'energia no són buits.

Semiconductors i aïllants, a diferència dels metalls, els electrons s'omplen banda de valència i la zona lliure més proper, o la banda de conducció, l'energia de valència està tancat de ruptura - porció d'energies prohibides d'electrons.

En dielèctrics energia tèrmica o camp elèctric menyspreable no és suficient per fer el salt a través d'aquest buit, els electrons no estan subjectes a la banda de conducció. Són incapaços de moure a través de la xarxa cristal·lina i es converteixen en portadors del corrent elèctric.

Per energitzar la conductivitat elèctrica, un electró en el nivell de valència s'ha de donar l'energia, el que seria suficient per superar la bretxa d'energia. Només quan la quantitat d'absorció d'energia no és menor que el valor de la bretxa d'energia, passarà des del nivell d'electró de valència en el nivell de conducció.

En aquest cas, si l'amplada de la bretxa d'energia excedeix 4 eV, conductivitat semiconductor irradiació d'excitació o d'escalfament és pràcticament impossible - l'energia d'excitació dels electrons en la temperatura de fusió no és suficient per saltar la bretxa d'energia a través de la zona. Quan s'escalfa, el vidre es fon abans de la conductivitat electrònica. Tals substàncies inclouen quars (de = 5,2 eV), diamant (de = 5,1 eV), moltes sals.

Extrínseca i intrínseca semiconductor de conductivitat

vidres netes semiconductors tenen una conductivitat intrínseca. Tals semiconductors noms propis. semiconductor intrínsec conté un nombre igual de forats i electrons lliures. En escalfar conductivitat intrínseca de semiconductors augmenta. A temperatura constant, hi ha una condició d'equilibri dinàmic quantitat de parells electró-buit generats i el nombre de recombinació d'electrons i forats, que romanen constants en aquestes condicions.

La presència d'impureses afecta significativament la conductivitat elèctrica dels semiconductors. Addició d'ells permet augmentar en gran mesura el nombre d'electrons lliures en un petit nombre de forats i augmentar el nombre de forats amb un petit nombre d'electrons en el nivell de conducció. semiconductors d'impuresa - els conductors que tenen la conductivitat impuresa.

Les impureses són fàcilment donar electrons s'anomenen donant. impureses donants poden ser elements químics amb els àtoms, els nivells de valència que contenen més electrons que els àtoms del material de base. Per exemple, el fòsfor i bismut - unes impureses donants de silici.

L'energia necessària per al salt d'un electró a la regió de conducció, es diu energia d'activació. semiconductor d'impureses necessita molt menys del que el material de base. Amb un lleuger escalfament o llum predominantment alliberat electrons dels àtoms dels semiconductors d'impuresa. Lloc deixat l'àtom té un electró-buit. No obstant això, la recombinació electró-buit no té lloc. forat de donants conductivitat és insignificant. Això es deu a una petita quantitat d'àtoms d'impureses no permeten electrons lliures sovint més a prop del forat i per sostenir-lo. Els electrons són alguns forats, però no són capaços d'omplir-a causa del nivell insuficient d'energia.

Un additiu lleuger donant impuresa diversos ordres augmenta el nombre d'electrons de conducció en comparació amb el nombre d'electrons lliures en el semiconductor intrínsec. Els electrons aquí - els principals portadors de càrregues atòmiques de semiconductors impuresa. Aquestes substàncies pertanyen als semiconductors de tipus n.

Les impureses que s'uneixen electrons del semiconductor, augmentant el nombre de forats en ella, anomenats acceptor. impureses acceptores són elements químics amb un menor nombre d'electrons en el nivell de valència de la base del semiconductor. El bor, gal·li, indi - impuresa acceptor en silici.

Les característiques de la semiconductor depenen dels seus defectes de l'estructura cristal·lina. Això fa que la necessitat de creixement de cristalls de gran puresa. Els paràmetres de la conducció de semiconductors controlats per l'addició d'agents de dopat. cristalls de silici dopat amb fòsfor (element subgrup V) que és un donant per a crear silici de cristall de tipus n. Per al vidre amb un acceptor de bor de tipus p de silici administrada. Semiconductors compensats nivell de Fermi per moure cap al centre de la bretxa de banda creada d'aquesta manera.

semiconductors d'un sol element

El semiconductor més comú és, per descomptat, de silici. Juntament amb Alemanya, va ser el prototip d'una classe gran de semiconductors que tenen estructures cristal·lines similars.

Estructura cristal·lina Si i Ge són els mateixos que la del diamant i α-estany. Es envolten cada àtom de 4 àtoms més pròxims que formen un tetraedre. Aquesta coordinació es diu quatre vegades. Vidres tetradricheskoy base d'acer de bons per a la indústria electrònica i juguen un paper clau en la tecnologia moderna. Alguns dels elements V i VI de la taula periòdica grup són també semiconductors. Exemples d'aquest tipus de semiconductors - fòsfor (P), sofre (S), seleni (Se) i tel·luri (Te). Aquests semiconductors poden ser àtoms triples (P), disustituido (S, Se, Te) o una coordinació de quatre vegades. Com a resultat d'això poden existir tals elements en diverses diferents estructures cristal·lines, i també es poden preparar en forma de cristall. Per exemple, Es conrea en les estructures de vidre monoclínic i trigonals o com una finestra (que també pot ser considerat com un polímer).

- Diamond té una excel·lent conductivitat tèrmica, excel·lents propietats mecàniques i òptiques, alta resistència mecànica. L'ample de la bretxa d'energia - dE = 5,47 eV.

- Silicon - semiconductor que s'utilitza en les cèl·lules solars, i forma amorfa, - en una pel·lícula prima de cèl·lules solars. És el més utilitzat en les cèl·lules solars de semiconductors, fàcil de fabricar, té bones propietats elèctriques i mecàniques. dE = 1,12 eV.

- germani - semiconductor utilitzat en la espectroscòpia de raigs gamma, les cèl·lules solars d'alt rendiment. S'utilitza en els primers díodes i transistors. Es requereix menys neteja que el silici. dE = 0,67 eV.

- Seleni - un semiconductor, que s'utilitza en els rectificadors de seleni que tenen una alta resistència a la radiació i la capacitat de curar-se a si mateix.

compostos de dos elements

Propietats dels semiconductors formats elements 3 i 4 dels grups de la taula periòdica s'assemblen a les propietats dels compostos 4 grups. La transició dels 4 grups d'elements a compostos 3-4 gr. Es fa que la comunicació en part perquè iònics electrons de transport de càrrega d'un àtom a àtom 3 Grup 4 Grup. Ionicidad canvia les propietats dels semiconductors. Es produeix un augment de l'estructura de bandes d'electrons bretxa energia d'interacció d'energia i ió-ió Coulomb. Exemple compostos binaris d'aquest tipus - antimoniuro d'indi, InSb, GaAs de arsenur de gal·li, gal·li antimonide GaSb, fosfur d'indi InP, antimonur d'alumini ALSB, fosfur de gal·li Gap.

Ionicidad augmenta i el seu valor creix més grups en els compostos 2-6 compostos, com ara seleniur de cadmi, sulfur de zinc, sulfur de cadmi, tel·lurur de cadmi, seleniur de zinc. Com a resultat, la majoria dels compostos 2-6 grups prohibit banda més ampla d'1 eV, excepte els compostos de mercuri. Mercuri Telluride - sense semiconductor d'energia, semi-metall, com α-estany.

Semiconductors 2-6 grups amb un major interval d'energia troben ús en la producció de làsers i pantalles. grups binaris 6 2- compostos amb una energia de bretxa estret adequat per a receptors d'infrarojos. Els compostos binaris d'elements dels grups 1-7 (tapaven llen cuprós bromur, AgI de iodur de plata, clorur de coure CuCl) a causa de l'alta ionicidad tenen més ample de banda prohibida W eV. Ells en realitat no els semiconductors i aïllants. El creixement de cristalls d'ancoratge d'energia a causa de Coulomb interacció interiónica facilita àtoms d'estructuració de sal amb sisè ordre, en lloc de la coordenada quadràtica. Compostos 4-6 grups - sulfur, el tel·lurur de plom, sulfur d'estany - com semiconductors. Ionicidad d'aquestes substàncies també promou la coordinació formació de sis vegades. Molt no ionicidad exclou la presència tenen una molt estrets intervals de banda, que poden ser utilitzats per rebre la radiació infraroja. nitrur de gal·li - uns grups de compostos 3-5 amb una àmplia bretxa d'energia, troben aplicació en làsers semiconductors i díodes emissors de llum que funcionen a la part blava de l'espectre.

- GaAs, arsenur de gal·li - en la demanda després que el segon semiconductor de silici s'usa comunament com un substrat per altres conductors, per exemple, GaInNAs i InGaAs, en infraroig setodiodah, transistors d'alta freqüència i circuits integrats, les cèl·lules solars d'alta eficiència, díodes làser, els detectors de cura nuclear. dE = 1,43 eV, el que millora els dispositius de potència en comparació amb el silici. Trencadís, conté més impureses difícils de fabricar.

- ZnS, sulfur de zinc - sal de zinc del sulfur d'hidrogen amb les zones de banda prohibida i 3,54 3,91 eV, utilitzats en làsers i com fòsfor.

- SnS, sulfur d'estany - semiconductor que s'utilitza en fotorresistores i fotodíodes, De = 1,3 i 10 eV.

òxids

Els òxids metàl·lics són preferiblement excel·lents aïllants, però hi ha excepcions. Exemples d'aquest tipus de semiconductors - òxid de níquel, òxid de coure, òxid de cobalt, diòxid de coure, òxid de ferro, òxid de europi, òxid de zinc. Ja que el diòxid de coure existeix com el cuprite mineral, les seves propietats es van estudiar intensivament. El procediment per al cultiu d'aquest tipus de semiconductor encara no està del tot clar, pel que el seu ús és encara limitada. Una excepció és òxid de zinc (ZnO), grups de compostos 2-6, s'utilitza com el transductor i en la producció de cintes adhesives i guixos.

La situació va canviar dràsticament després de la superconductivitat va ser descoberta en molts compostos de coure amb oxigen. La primera superconductor d'alta temperatura obrir Bednorz i Muller, va ser semiconductor compost basa en La ₂ CuO _4, la bretxa d'energia de 2 eV. Substituint divalent trivalent de lantani, bari o estronci, introduït en els portadors de càrrega semiconductor de forats. L'assoliment de la concentració de buits necessaris fa de La ₂ CuO ₄ superconductor. En aquest moment, la temperatura més alta de la transició a l'estat superconductor pertany compost HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. A alta pressió, el seu valor és de 134 K.

ZnO, s'utilitza varistor d'òxid de zinc, díodes emissors de llum blava, sensors de gas, sensors biològics, recobriments finestres per reflectir la llum infraroja, com un conductor a pantalles LCD i les bateries solars. dE = 3,37 eV.

vidres estratificats

compostos dobles com el plom diyoduro, seleniur de gal·li i disulfur de molibdè difereixen estructura cristal·lina en capes. Les capes són enllaços covalents d'una força considerable, molt més forts que els enllaços de van der Waals entre les pròpies capes. Semiconductors tal tipus són interessants pel fet que els electrons es comporten en capes d'un quasi-bidimensional. Interacció de capes es canvia mitjançant la introducció d'àtoms de fora - intercalació.

_MoS2, disulfur de molibdè s'utilitza en els detectors d'alta freqüència, rectificadors, memristor, transistors. dE = 1,23 i 1,8 eV.

semiconductors orgànics

Exemples de semiconductors sobre la base de compostos orgànics - naftalè, poliacetileno _{(CH2) n,} antracè, polidiacetileno, ftalotsianidy, polivinilcarbazol. Els semiconductors orgànics tenen un avantatge sobre els no orgànics: són fàcils d'impartir la qualitat desitjada. Les substàncies amb enllaços conjugats formen -C = C-C = posseeixen substancial no linealitat òptica i, a causa d'això, en l'optoelectrònica aplicades. A més, el compost semiconductor orgànic de banda prohibida d'energia de la fórmula varien canvi que molt més fàcil que la dels semiconductors convencionals. al·lòtrops cristal·lins de fullerens de carboni, grafè, nanotubs - també semiconductors.

- fullereno té una estructura en forma d'un poliedre convex tancat ugleoroda nombre parell d'àtoms. Un dopatge fullereno C ₆₀ amb un metall alcalí el transforma en un superconductor.

- es forma capa monoatòmic grafit de carboni, està connectat a una xarxa hexagonal de dues dimensions. Registre té la conductivitat i la mobilitat dels electrons, d'alta rigidesa

- Els nanotubs s'enrotllen en una placa de grafit tub que té un diàmetre de diversos nanòmetres. Aquestes formes de carboni tenen una gran promesa en la nanoelectrònica. Depenent de l'acoblament pot ser de qualitat metàl·lic o semiconductor.

semiconductors magnètics

Els compostos amb ions magnètics de europi i manganès tenen propietats magnètiques i semiconductores curiosos. Exemples d'aquest tipus de semiconductors - sulfur de europi, europi seleniur i solucions sòlides, com Cd _1-x Mn _x Et. El contingut dels ions magnètics afecta tant a substàncies exhibeixen propietats magnètiques com ara ferromagnetisme i antiferromagnetismo. semiconductors Semimagnetic - és un dur solucions de semiconductors magnètics que contenen ions magnètics en baixa concentració. Tals solucions sòlides atreuen l'atenció del seu client potencial i un gran potencial d'aplicacions possibles. Per exemple, en contrast amb els semiconductors no magnètics, poden arribar a un milió de vegades més grans rotació de Faraday.

efectes magneto forts de semiconductors magnètics permeten el seu ús per a la modulació òptica. Perovskita, com Mn _0,7 Ca _{0,3 O3,} les seves propietats són superiors als metalls de transició semiconductor, que dependència directa dels resultats de camp magnètic en el fenomen de la gegant magneto-resistivitat. S'utilitzen en ràdio, dispositius òptics, que són controlats per un camp magnètic, uns dispositius de guia d'ones de microones.

ferroeléctricos semiconductors

Aquest tipus de vidres es caracteritza per la presència en els seus moments elèctrics i l'aparició de polarització espontània. Per exemple, tals propietats són semiconductors de titanat de plom _PbTiO3, titanat de bari batre _3, tel·luri de germani, Gete, estany tel·lur de SNTE, que a baixes temperatures té propietats ferroelèctriques. Aquests materials s'utilitzen en, sensors piezoelèctrics òptics no lineals i dispositius de memòria.

Una varietat de materials semiconductors

A més dels materials semiconductors esmentats anteriorment, hi ha moltes altres que no cauen sota un d'aquests tipus. Els compostos de fórmula 1-3-5 elements ₂ (AgGaS ₂₎ i 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ formen una estructura de vidre de calcopirita. Contacte compostos tetraèdrics semiconductors anàlegs 3-5 i 2-6 grups amb una estructura de vidre de blenda de zinc. Els compostos que formen elements semiconductors 5 i 6 grups (similars a As ₂ Es _3), - el semiconductor en forma de cristall o vidre. Calcogenurs de bismut i l'antimoni s'utilitzen en els generadors termoelèctrics semiconductor. Les propietats d'aquest tipus de semiconductor és molt interessant, però no han guanyat popularitat a causa de l'aplicació limitada. No obstant això, el fet que existeixen, confirma la presència de encara no investigat completament el camp de la física dels semiconductors.