Ekzemploj de semiconductores. Tipoj, posedaĵoj, praktikaj aplikoj

La plej fama estas la semiconductores de silicio (Se). Sed aparte de li, estas multaj aliaj. Ekzemploj estas naturaj, kiel semikonduktaĵo materialoj kiel blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PBS) kaj multaj aliaj. La familio de semiconductores, inkluzive semiconductores preparita en laboratorioj, reprezentas unu el la plej diversaj klasoj de materialoj konata viro.

Karakterizado de semiconductores

De la 104 elementoj de la perioda tabelo estas metaloj 79, 25 - ne metaloj de kiu la 13 kemiaj elementoj posedas semiconductoras proprietoj kaj 12 - dielektriko. Ĉefa duonkonduktaĵo trajto konsistas en tiu ilia konduktiveco pliigas signife kun kreskanta temperaturo. En malaltaj temperaturoj, ili kondutas kiel izolaĵoj kaj ĉe alta - kiel direktoroj. Tiuj semiconductores estas malsamaj de metalo: metalo rezisto pliigas proporcie al la kresko de la temperaturo.

Alia diferenco de la duonkonduktaĵo metalo estas ke la rezisto de la semiconductores malpliigas sub la influo de lumo, dum en la lasta la metalo ne estas tuŝita. Ankaŭ la conductividad de semiconductores varias kiam administris al negrava kvanto de malpureco.

Semiconductors troviĝas inter kemiaj kombinaĵoj kun malsamaj kristalo strukturoj. Ĉi tiuj povas esti elementoj kiel ekzemple silicio kaj seleno, aŭ miksitaj duobloj kiel ekzemple galio arseniuro. Multaj organikaj kombinaĵoj, ekzemple polyacetylene, (CH) _n, - semikonduktaĵo materialoj. Iuj semiconductores eksponi magneta (Cd _1-x Mn _x Te) aŭ feroelektra ecoj (SbSI). Aliaj alojo kun sufiĉa fariĝi superkonduktantoj (gete kaj SrTiO _3). Multaj de la lastatempe malkovritaj alta temperaturo superkonduktantoj havas metala semiconductoras fazo. Ekzemple, La ₂ CuO ₄ estas duonkonduktaĵo, sed la formado de la alojo kun Sr iĝas sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Fiziko lernolibroj donas difinon kiel la semikonduktaĵo materialo kun elektra rezisteco de de 10 ^-4 ĝis 10 ⁷ omoj · m. Eble alternativa difino. La larĝo de la malpermesita bando de la semiconductor - de 0 al 3 eV. Metaloj kaj semimetals - materialo kun nul energio breĉo, kaj la substanco en kiu superas Ok eV nomita izolaĵoj. Ekzistas esceptoj. Ekzemple, duonkonduktaĵo diamanto havas larĝan malpermesita zono 6 eV, duone izola GaAs - 1.5 eV. Gan, materialo por optoelectronic aparatoj en la blua regiono, havas malpermesita bando larĝo de 3.5 eV.

la energio breĉo

Valence orbitales de atomoj en la kristalo krado estas dividita en du grupojn de energio niveloj - libera zono, situanta ĉe la plej alta nivelo, kaj ĝi determinas la elektra konduktiveco de semiconductores, la valenta bendo, sube. Ĉi tiuj niveloj, depende de la simetrio de la kristalo krado strukturo kaj atomoj povas sekci aŭ esti interspacigitaj unu de la alia. En la lasta kazo estas energia breĉo, aŭ alivorte, inter la malpermesita bando zonoj.

La loko kaj la plenigita nivelo estas difinita per la konduktiva ecoj de la materialo. Laŭ tiu trajto substanco dividita de la ŝoforoj, izolaĵoj kaj duonkonduktaĵoj. La larĝo de la malpermesita bando de la semiconductor varias 0.01-3 eV, la energio breĉo de la dielektriko ol 3 eV. Metaloj pro la koincido de energio truojn niveloj ne estas.

Semiconductors kaj izolaĵoj, en kontrasto kun metaloj, la elektronoj estas plenaj valenta bendo kaj la plej proksima libera zono, aŭ la konduktan bendon, la valenta energio skermis for el rompo - parto de malpermesitaj energioj de elektronoj.

En dieléctricos termika energio aŭ nekonsiderinda elektra kampo ne sufiĉas por fari la salton tra tiu breĉo, la elektronoj ne estas subjektoj al la kondukta bendo. Ili ne povas movi tra la kristalo krado kaj fariĝis portantoj de la elektra fluo.

Por vigligi la conductividad elektra, elektrono en la valenta nivelo devus esti donita la energio, kiu estus sufiĉa por venki la energio breĉo. Nur kiam la kvanto de absorción de energio ne estas pli malgranda ol la valoro de energio breĉo forpasos de la valenta elektrono nivelo sur la alkonduko nivelo.

En tiu kazo, se la larĝo de la energio breĉo superas 4 eV, konduktiveco duonkonduktaĵo ekscito radiado aŭ hejtado estas praktike neebla - la ekscito energio de la elektronoj en la degela temperaturo ne estas sufiĉa por salti la energio breĉo por la zono. Kiam varmigita, la kristalo degelas antaŭ la elektronika konduktiveco. Tiaj substancoj inkludas kvarco (dE = 5.2 eV), diamanto (dE = 5.1 eV), multaj saloj.

Ekstereca kaj apriora konduktiveco duonkonduktaĵo

Net duonkonduktaĵo kristaloj havas apriora konduktiveco. Tia semiconductores propraj nomoj. Apriora semikonduktaĵaj enhavas egalan nombron da truoj kaj liberaj elektronoj. Kiam varmigante apriora konduktiveco de semiconductores pliigas. Ĉe konstanta temperaturo, estas kondiĉo de dinamika ekvilibro kvanto de generita elektrono-truo paroj kaj la nombro de rekombini elektronoj kaj truoj, kiu restas konstanta sub tiuj kondiĉoj.

La ĉeesto de malpuraĵoj signife influas la elektra konduktiveco de semiconductores. Aldoni ilin permesas ege pliigante la numero de liberaj elektronoj en malmulto de truoj kaj pliigi la nombron da truoj kun malmulto de elektronoj en la konduktan nivelo. Malpureco semiconductores - la ŝoforoj havas la malpureco konduktiveco.

Impurezas facile donaci elektronojn nomiĝas donante. Donacanta malpuraĵoj Eble kemiaj elementoj kun la atomoj, la valenta niveloj kiuj enhavas pli da elektronoj ol la atomoj de la bazo materialo. Ekzemple, fosforo kaj bismuto - silicio organdonacanto malpuraĵoj.

La energio bezonata por la salto de elektrono en la alkonduko regiono, estas nomita energio de aktivigo. Malpureco duonkonduktaĵo bezonas multe malpli de ĝi, ol la bazo materialo. Kun eta hejtado aŭ lumo ĉefe liberigita elektronoj de atomoj de la malpureco semiconductores. Plaĉas forlasis la atomon prenas elektrono truo. Sed la elektrona truo rekombino ne okazas. donante truo konduktiveco estas bagatela. Tiu estas ĉar malgranda kvanto de malpureco atomoj ne permesas liberaj elektronoj ofte pli proksima al la truo kaj teni ĝin. Elektronoj estas kelkaj truoj, sed ne povas plenigi ilin pro nesufiĉa energio nivelo.

Malpeza adicia organdonacanto malpureco plurajn ordonojn pliigas la nombron da elektronoj de alkonduko kompare kun la nombro de liberaj elektronoj en la apriora semikonduktaĵaj. Elektronoj tie - la ĉefa portantoj de atoma akuzojn de malpureco semiconductores. Ĉi tiuj substancoj apartenas al la n-tipaj semikonduktaĵoj.

Malpuraĵojn kiuj ligas la elektronojn de la semikonduktaĵo, pliigante la nombron da truoj en ĝi, nomata akceptanto. Akceptanto malpuraĵoj estas kemiaj elementoj kun pli malgranda nombro de elektronoj en valenta nivelo ol la bazo de la semiconductores. Boron, galio, Indio - akceptanto malpuraĵo en silicio.

La karakterizaĵoj de la duonkonduktaĵo estas dependa de ĝia kristalstrukturo difektojn. Tiu kaŭzas la neceson de kreskanta ekstreme pura kristaloj. La parametroj de la semiconductor alkonduko kontrolitaj de la aldono de dopantoj. Silicon kristaloj dopita kun fosforo (V subgrupo elemento) kiu estas donante krei kristalo silicio n-tipo. Por kristalo kun p-tipa silicio administris boro akceptanto. Semiconductors kompensita Fermi nivelo movi ĝin en la mezo de la bando breĉo kreita tiamaniere.

sola elemento semiconductores

La plej ofta duonkonduktaĵo estas, kompreneble, silicio. Kune kun Germanio, ĝi estis la prototipo de granda klaso de semiconductores kiu havas similajn kristalo strukturoj.

Strukturo kristalo Si kaj Ge estas la sama kiel tiu de diamanto kaj α-stano. Ĝi ĉirkaŭas ĉiun atomon 4 plej proksimaj atomoj kiuj formas kvaredro. Tia kunordigo nomiĝas kvarfoje. Kristaloj tetradricheskoy ligo ŝtalo bazo por la elektronika industrio kaj ludas ŝlosilan rolon en moderna teknologio. Kelkaj el la elementoj V kaj VI de la perioda tabelo Grupo estas ankaŭ semiconductores. Ekzemploj de ĉi tiu tipo de semiconductores - fosforo (P), sulfuro (S), seleno (Se) kaj teluro (Te). Tiuj semiconductores Eble triobla atomoj (P), disubstituted (S, Se, Te) aŭ kvar-obla kunordigo. Rezulte tiaj elementoj povas ekzisti en pluraj malsamaj kristalaj strukturoj, kaj ankaŭ esti preta en la formo de glaso. Ekzemple, Se kreskis en monoclinic kaj trigonal kristalo strukturoj aŭ kiel fenestro (kiu povas ankaŭ esti konsiderata kiel polimero).

- Diamond havas bonegan termika konduktiveco, bonega mekanikaj kaj optikaj proprietoj, alta mekanika forto. La larĝo de la energio breĉo - dE = 5,47 eV.

- Silicon - semiconductores uzitaj en sunaj ĉeloj, kaj amorfa formo, - en maldika-filmo sunaj ĉeloj. Estas la plej uzitaj de semikonduktaĵaj sunaj ĉeloj, facile fabriki, havas bonajn elektrajn kaj mekanikajn proprietojn. dE = 1,12 eV.

- germanio - duonkonduktaĵo uzata en la gamo-radia spektroskopio, alta rendimento sunaj ĉeloj. Uzata en la unuaj diodoj kaj transistoroj. Ĝi postulas malpli purigado de silicio. dE = 0.67 eV.

- Seleno - duonkonduktaĵo, kiu estas uzata en la seleno rektifilojn havanta altan radiado rezisto kaj la kapablon resanigi sin.

Du-era komponaĵoj

Propraĵoj de Semikonduktaĵoj formis elementoj 3 kaj 4 de la perioda tabelo grupoj similas la propraĵoj de komponaĵoj 4 grupoj. La transiro de la 4 grupoj de elementoj al konsistigos 3-4 gr. Ĝi faras komunikado parte ĉar jona zorge transporto elektronojn de atomo al atomo 3 Grupo 4 Grupo. Ionicity ŝanĝas la proprietojn de semiconductores. Ĝi kaŭzas kreskon en la Coulomb energio kaj ion-jonaj interagoj energio breĉo elektrono bando strukturo. EKZEMPLO duumaj komponaĵoj de ĉi tiu tipo - Indio antimonide, InSb, galio arseniuro GaAs, galio antimonide GaSb, Indio phosphide InP, aluminio antimonide AlSb, galio phosphide breĉo.

Ionicity pliigas kaj ĝia valoro kreskas pli grupoj en komponaĵoj 2-6 kunmetaĵoj, kiel ekzemple kadmio selenide, zinko sulfuro, kadmio sulfuro, kadmio Telluride, zinko selenide. Rezulte, la plimulto de la komponaĵoj 2-6 grupoj malpermesita bando pli larĝa ol 1 eV, krom hidrargo komponaĵoj. Merkuro Telluride - sen energio breĉo duonkonduktaĵo, duone metalo, kiel α-stano.

Semiconductors 2-6 grupoj kun pli granda energio breĉo trovaĵo uzo en la produktado de laseroj kaj ekranoj. Duumaj grupoj 6 2- kombinaĵo kun mallarĝigis breĉo energio taŭga por transruĝaj riceviloj. Duumaj kombinaĵoj de elementoj de grupoj 1-7 (cuprous bromuro CuBr, AGI yoduro de arĝento, kupro klorido CuCl) pro la alta ionicity havi pli larĝa bendbreĉo Ok eV. Ili faras ne fakte semikonduktaĵoj kaj izolaĵoj. Kristalo kresko ankrumi energio pro Kulombo interionic interago faciligas estructuración atomoj salo kun sesa celo, anstataŭ la kvadrata koordinato. Compounds 4-6 grupoj - sulfuro, plumbo Telluride, stano sulfuro - kiel semiconductores. Ionicity de ĉi tiuj substancoj ankaŭ promocias la formadon sixfold kunordigo. Multe ionicity ne obstaklas la ĉeesto havas tre mallarĝa bando truojn, ili povas esti uzata por ricevi transruĝa radiado. Galio nitrido - komponaĵo grupoj 3-5 kun larĝa energio breĉo, trovi aplikon en semikonduktaĵaj laseroj kaj lum-emisia diodo funkcii en la blua parto de la spektro.

- GaAs, galio arseniuro - laŭpete post la dua silicio duonkonduktaĵo estas kutime uzita kiel substrato por aliaj direktoroj, ekzemple, GaInNAs kaj InGaAS, en setodiodah transruĝa, AF transistoroj kaj integritaj cirkvitoj, tre efika suna ĉeloj, laseraj diodoj, detektiloj de nukleaj kuraco. dE = 1,43 eV, kio plibonigas la potencon aparatoj kompare kun silicio. Fragila, enhavas pli malpuraĵoj malfacile fabriki.

- ZnS, zinko sulfuro - zinko salo de hidrogeno sulfuro kun la malpermesita bando zonoj kaj 3,54 3,91 eV, uzitaj en laseroj kaj kiel fosforo.

- SNS, stano sulfuro - semiconductores uzitaj en photoresistors kaj fotodiodoj, dE = 1,3 kaj 10 eV.

oksidoj

La metalaj oksidoj prefere estas bonega izolaĵoj, sed estas esceptoj. Ekzemploj de ĉi tiu tipo de semiconductores - nikelo rusto, kupro rusto, kobalto rusto, kupro dioksido, fera oksido, eŭropio oksido, zinko rusto. Ekde kupro dioksido ekzistas kiel la minerala cuprite, liaj posedaĵoj estis studitaj intense. La proceduro por la plantado de ĉi tiu tipo de semikonduktaĵaj ankoraŭ ne tute klara, do ilia uzo estas ankoraŭ limigita. Escepto estas zinko rusto (ZnO), komponaĵo grupoj 2-6, estas uzata kiel la transductor kaj en la produktado de adhesivo bendoj kaj gipsoj.

La situacio ŝanĝiĝis draste post superconductividad estis malkovrita en multaj komponaĵoj de kupro kun oksigeno. La unua alta temperaturo superconductor malfermi Bednorz kaj Müller, estis komponaĵo semikonduktaĵo bazita sur La ₂ CuO _4, la energio breĉo de 2 eV. Anstataŭiganta divalent trivalenta lantano, bario aŭ stroncio, prezentita en la duonkonduktaĵo zorge portantoj de truoj. Atingi la necesan truon koncentriĝo faras La ₂ CuO ₄ superconductor. Ĉe tiu tempo, la plej alta temperaturo de transiro al la superconductores stato apartenas komponaĵo HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Je alta premo, ĝia valoro estas 134 K.

ZnO, zinko rusto varistor estas uzata, bluaj lum-emisia diodo, gaso sensores, biologiaj sensiloj, Tavoletoj fenestroj pripensi infraruĝa lumo, kiel dirigento en ekranoj LCD kaj sunaj piloj. dE = 3.37 eV.

manteloj kristaloj

Miksitaj duobloj kiel diiodide plumbo, galio selenide kaj molibdeno disulphide malsamas manteloj kristalo strukturo. La tavoloj estas kovalentaj ligoj de konsiderinda forto, multe pli fortaj ol la de iras der Waals interligojn inter la tavoloj mem. Semiconductors tia tipo estas interesaj ĉar la elektronoj kondutas en tavoloj de kvazaŭ-du-dimensia. Interagado de tavoloj estas ŝanĝita lanĉante ekster atomoj - intercalation.

Mos _2, molibdeno disulfuro estas uzata en alta ofteco detektilojn, rektifilojn, memristor, transistoroj. dE = 1,23 kaj 1,8 eV.

organikaj semikonduktaĵoj

Ekzemploj de semiconductores surbaze de organikaj kombinaĵoj - naftalino, polyacetylene (CH _{2) n,} antraceno, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Organikaj semikonduktaĵoj havas avantaĝon super ne-organika: ili estas facile doni la deziratan kvaliton. Substancoj kun konjugita ligoj formas -C = C-C = posedi granda optika ne-lineareco kaj, pro tio, en Optoelectronics aplikita. Cetere, la energio bando breĉo organika duonkonduktaĵo komponaĵo de la formulo varii ŝanĝon ke multe pli facile ol tiu de konvencia semiconductores. Kristala allotropes de karbono fulerenos, graphene, nanotubos - ankaŭ semiconductores.

- fulereno havas strukturon en formo de fermita konveksa pluredro ugleoroda para nombro de atomoj. Al dopado fulereno C ₆₀ kun alkalaj metaloj transformas en superconductor.

- grafito karbono monoatomic tavolo estas formita, estas konektita per dudimensia seslatera krado. Rekorda havas conductividad kaj la elektrona movebleco, alta rigideco

- nanotubos estas rulita en tubon grafito telero havanta diametron de pluraj nanómetros. Ĉi tiuj formoj de karbono havas grandan promeson en nanoelectronics. Depende de la kunigxo Eble metala aŭ semikonduktaĵaj kvalito.

magneta semiconductores

Komponaĵoj kun magneta jonoj de Eŭropio kaj mangano havas scivola magneta kaj semiconductoras ecoj. Ekzemploj de ĉi tiu tipo de semiconductores - eŭropio sulfuro, selenide eŭropio kaj solidaj solvoj, kiel ekzemple Cd _1-x Mn _x Te. La enhavo de la magneta jonoj influas ambaŭ substancoj eksponi magneta propraĵoj kiel ferromagnetism kaj antiferromagnetism. Semimagnetic semiconductores - estas malmola magneta semiconductores solvoj kiuj enhavas magnetajn jonojn en malalta koncentriĝo. Tia solida solvoj altiri la atenton de via perspektivo kaj granda potencial de eblaj aplikoj. Ekzemple, en kontrasto kun la ne-magneta semiconductores, ili povas atingi milionon de fojoj pli granda Faraday rotacio.

Fortaj magnetooptical efikoj de magnetaj semikonduktaĵoj permesi ilian uzon por optika modulado. Perovskites, kiel Mn _0,7 Ca _0.3 O _3, liaj proprietoj estas superaj al metalo-duonkonduktaĵo transiro, kiu rekta dependeco de la magneta kampo rezultigas la fenomenon de giganta magneto-rezisteco. Ili estas uzataj en radio, optika aparatoj, kiuj estas kontrolitaj de magneta kampo, mikroonda gvidas de ondo aparatoj.

duonkonduktaĵo ferroelectrics

Tiu tipo kristaloj estas karakterizita per la ĉeesto en iliaj elektra momentoj kaj aperon de spontaneaj polarizo. Ekzemple, tiaj propraĵoj estas semikonduktaĵoj konduki titanato PbTiO _3, bario titanato BaTiO _3, germanio Telluride, Gete, stano Telluride SNTE, kio ĉe malaltaj temperaturoj havas feroelektra ecoj. Ĉi tiuj materialoj estas uzataj en nelinearaj optikaj, piezoelektra sensores kaj memoro aparatoj.

Gamo da duonkonduktaĵo materialoj

Krom semikonduktaĵo materialoj menciita supre, estas multaj aliaj kiu ne falas sub unu el tiuj tipoj. Kombinaĵoj de formulo 1-3-5 elementoj ₂ (AgGaS ₂₎ kaj 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ formi chalcopyrite kristalo strukturo. Kontaktu kvaredraj kombinaĵoj analoga semiconductores 3-5 kaj 2-6 grupojn kun zinko blende kristalo strukturo. Compounds kiuj formas semikonduktaĵaj elementoj 5 kaj 6 grupoj (simila al kiel ₂ Se _3), - la semikonduktaĵo en la formo de kristalo aŭ vitro. Chalcogenides de bismuto kaj antimono estas uzitaj de semikonduktaĵaj termoelektraj generatoroj. La proprietoj de ĉi tiu tipo de semiconductores estas ege interesa, sed ili ne gajnis popularecon pro la limigita apliko. Tamen, la fakto, ke ili ekzistas, konfirmas la ĉeeston de ankoraŭ ne plene esploris la kampo de semikonduktaĵaj fiziko.