Exempel på halvledare. Typer, egenskaper, praktiska tillämpningar

Den mest kända är halvledar kisel (Si). Men bortsett från honom, det finns många andra. Exempel är naturliga, sådana halvledarmaterial som blende (ZnS), Cuprite _(CU2O), blyglans (PbS) och många andra. Familjen av halvledare, inklusive halvledare framställda i laboratorier, representerar en av de mest olika klasser av material som människan känner till.

Karakterisering av halvledare

Av de 104 elementen i det periodiska systemet är metaller 79, 25 - icke-metaller från vilka de 13 kemiska element besitter halvledande egenskaper och 12 - dielektriska. Huvudhalvledar kännetecken består av att deras ledningsförmåga ökar signifikant med ökande temperatur. Vid låga temperaturer, de beter sig som isolatorer, och vid hög - som ledare. Dessa halvledare är olika från metall: metall motståndet ökar proportionellt med ökningen i temperatur.

En annan skillnad från halvledarmetallen är att resistansen hos halvledaren minskar under inverkan av ljus, medan i det senare metallen inte påverkas. Också konduktiviteten hos halvledare varierar när den administreras till en mindre mängd förorening.

Halvledare finns bland kemiska föreningar med olika kristallstrukturer. Dessa kan vara element såsom kisel och selen, eller dubbla föreningar såsom galliumarsenid. Många organiska föreningar, såsom polyacetylen, (CH) _n, - halvledarmaterial. Vissa halvledare uppvisar magnetiska (Cd _1-x Mn _x Te) eller ferroelektriska egenskaper (SBSI). Annan legering med tillräckliga blir supraledare (Gete och SrTiOs _3). Många av de nyligen upptäckta högtemperatursupraledare har metallisk halvledande fas. Till exempel, La ₂ CuO ₄ är en halvledare, men bildningen av legeringen med Sr blir sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Fysik läroböcker ge definition som halvledarmaterial med en elektrisk resistivitet av från 10 ^-4 till 10 ⁷ ohm · m. Kanske en alternativ definition. Bredden av det förbjudna bandet av halvledar - från 0 till 3 eV. Metaller och halvmetaller - ett material med noll energigapet, och den substans i vilken det överstiger W eV kallas isolatorer. Det finns undantag. Till exempel, har en halvledardiamant ett brett förbjudna zonen 6 eV, ett halvisolerande GaAs - 1,5 eV. GaN, ett material för optoelektroniska anordningar i den blå regionen, har ett förbjudet bandbredd på 3,5 eV.

energigapet

Valens orbitaler av atomer i kristallgittret är uppdelade i två grupper av energinivåer - en frizon, belägen på den högsta nivån, och bestämmer den elektriska konduktiviteten hos halvledare, och valensbandet, nedan. Dessa nivåer, kan beroende på symmetrin av kristallgitterstrukturen och atomer korsa eller vara åtskilda från varandra. I det senare fallet finns det en energigapet, eller med andra ord, mellan de förbjudna bandzonerna.

Platsen och fyllningsnivån bestäms av de ledande egenskaperna hos materialet. Enligt denna funktion ämne dividerat med ledare, isolatorer och halvledare. Bredden av det förbjudna bandet av halvledar varierar 0,01-3 eV, energigapet för det dielektriska än 3 eV. Metaller grund av överlappningen av energi luckor nivåer är det inte.

Halvledare och isolatorer, i motsats till metaller är de elektroner fyllda valensbandet och den närmaste frizon, eller ledningsbandet, är valensenergi inhägnad från bristning - delen av förbjudna energier av elektroner.

I dielektrika är inte tillräckligt för att göra hoppa genom detta gap termisk energi eller försumbar elektriskt fält, elektronerna är inte föremål för ledningsbandet. De är oförmögna att röra sig genom kristallgittret och bli bärare av den elektriska strömmen.

Att aktivera den elektriska ledningsförmågan, bör en elektron i valensnivå ges energi, vilket skulle vara tillräckligt för att övervinna energigapet. Endast när mängden av energiabsorption inte är mindre än värdet på energigapet, kommer att passera från valenselektronnivå på ledningsnivån.

I så fall, om bredden på energigapet överskrider 4 eV, är konduktivitet halvledar excitation bestrålning eller upphettning praktiskt taget omöjligt - exciteringsenergin hos elektroner vid smälttemperaturen inte är tillräcklig för att hoppa energigapet genom zonen. När den upphettas, smälter kristallen innan den elektroniska ledningsförmågan. Sådana substanser innefattar kvarts (DE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV), många salter.

Yttre och inre ledningsförmåga halvledar

Nettohalvledarkristaller har inneboende ledningsförmåga. Sådana halvledare riktiga namn. Inneboende halvledare innehåller ett lika stort antal hål och fria elektroner. Vid uppvärmning inneboende ledningsförmågan hos halvledare ökar. Vid konstant temperatur, det finns ett villkor för dynamisk jämvikt mängden av genererat elektron-hål-par och antalet rekombination elektroner och hål, som förblir konstant under dessa betingelser.

Närvaron av föroreningar påverkar signifikant den elektriska ledningsförmågan hos halvledare. Lägga till dem tillåter kraftigt öka antalet fria elektroner på ett litet antal hål och öka antalet hål med ett litet antal elektroner i ledningsnivån. Förorenings halvledare - ledarna som har störämnes ledningsförmåga.

Föroreningar lätt donera elektroner kallas donator. Donatorföroreningar kan vara kemiska element med atomerna, valensnivåer som innehåller fler elektroner än atomerna i basmaterialet. Till exempel, fosfor och vismut - en kiseldonator föroreningar.

Den energi som krävs för att hoppa av en elektron i ledningsregionen, kallas aktiveringsenergi. Förorening halvledare behöver mycket mindre av det än grundmaterialet. Med en lätt upphettning eller ljus övervägande befriade elektroner av atomer av förorenings halvledare. Placera vänster atomen tar en elektron hål. Men elektronhålet rekombination inte sker. donator hål konduktivitet är försumbar. Detta beror på att en liten mängd föroreningsatomer inte tillåter fria elektroner ofta närmare hålet och för att hålla den. Elektroner är några hål, men inte har möjlighet att fylla dem på grund av otillräcklig energinivå.

En lätt additiv donatorstörämne flera order ökar antalet ledningselektroner i jämförelse med antalet fria elektroner i den inneboende halvledare. Elektroner här - de viktigaste bärare av atom laddningar av förorenings halvledare. Dessa substanser hör till n-typ halvledare.

Föroreningar som binder elektroner hos halvledar, öka antalet hål i den, kallas acceptor. Acceptor föroreningar är kemiska element med ett mindre antal elektroner i valensnivå än basen av halvledaren. Bor, gallium, indium - acceptor förorening i kisel.

Egenskaperna hos halvledaren är beroende av dess kristallstruktur defekter. Detta medför att det är nödvändigt att växa extremt rena kristaller. Parametrarna för halvledarledning regleras genom tillsats av dopningsmedel. Kiselkristaller dopade med fosfor (V subgrupp elementet) som är en givare för att skapa kristall kisel av n-typ. För kristallen med en p-typ kisel administreras bor acceptor. Halvledare kompenseras Fermi-nivån för att flytta det till mitten av bandgapet skapas på detta sätt.

enkelelements halvledare

Den vanligaste halvledar är naturligtvis kisel. Tillsammans med Tyskland, var han prototypen för en stor klass av halvledare som har liknande kristallstrukturer.

Struktur kristall Si och Ge är samma som den hos diamant och α-tenn. Det omger varje atom 4 närmaste atomer som bildar en tetraeder. En sådan samordning kallas fyra gånger. Kristaller tetradricheskoy bond stål bas för elektronikindustrin och spela en nyckelroll i modern teknik. Vissa av elementen V och VI i det periodiska systemet grupp är också halvledare. Exempel på denna typ av halvledare - fosfor (P), svavel (S), selen (Se) och tellur (Te). Dessa halvledare kan vara trippelatomer (P), disubstituerad (S, Se, Te) eller en fyrfaldig koordination. Som ett resultat sådana element kan existera i flera olika kristallina strukturer, och även framställas i form av glas. Till exempel, Se odlas i monokliniska och trigonala kristallstrukturer eller som ett fönster (som också kan betraktas som en polymer).

- Diamant har utmärkt värmeledningsförmåga, utmärkta mekaniska och optiska egenskaper, hög mekanisk hållfasthet. Bredden av energigapet - dE = 5,47 eV.

- Kisel - halvledare som används i solceller, och amorf form, - i en tunn-filmssolceller. Det är den som används mest i halvledar solceller, lätt att tillverka, har goda elektriska och mekaniska egenskaper. dE = 1,12 eV.

- Germanium - halvledare som används i gamma-ray-spektroskopi, high performance solceller. Används i första dioder och transistorer. Det kräver mindre rengöring än kisel. dE = 0,67 eV.

- Selen - en halvledare, som används i de selenlikriktare som har en hög resistans strålning och förmågan att läka sig själv.

Två-elementföreningar

Egenskaper hos halvledare bildade element 3 och 4 i det periodiska systemet grupperna liknar egenskaperna hos föreningarna 4 grupper. Övergången från de 4 grupper av element till föreningar 3-4 gr. Det gör kommunikation delvis därför joniska laddningstransport elektroner från en atom till atom 3 Grupp 4 Grupp. Joniciteten ändrar egenskaperna hos halvledare. Det orsakar en ökning i energi och jon-jon-interaktion energigap elektronbandstruktur Coulomb. EXEMPEL binära föreningar av denna typ - indiumantimonid, InSb, galliumarsenid GaAs, gallium antimonide GaSb, indiumfosfid InP, aluminium antimonide AlSb, galliumfosfid GaP.

Jonicitet ökar och dess värde växer flera grupper i föreningar 2-6 föreningar, såsom kadmiumselenid, zinksulfid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, zinkselenid. Som ett resultat, de flesta av föreningarna 2-6 grupper förbjudet band bredare än 1 eV, förutom kvicksilverföreningar. Kvicksilver Telluride - utan energigapet halvledare, halvmetall, som α-tenn.

Halvledare 2-6 grupper med en större energigap finner användning vid framställning av lasrar och displayer. Binära grupper 6 2- förening med en avsmalnad energigap lämplig för infraröda mottagare. Binära föreningar av grundämnen ur grupperna 1-7 (kuprobromid CuBr, AgI silverjodid, kopparklorid CuCl) på grund av den höga joniciteten har bredare bandgap W eV. De egentligen inte halvledare och isolatorer. Kristalltillväxt förankringsenergin på grund av Coulomb interionic interaktion underlättar struktureringsatomer salt med sjätte ordningen, i stället för den kvadratiska koordinaten. Föreningar 4-6 grupper - sulfid, bly telluride, tenn sulfid - som halvledare. Jonicitet av dessa ämnen främjar också bildandet sex gånger samordning. Mycket jonicitet inte utesluta närvaron de har en mycket smala bandgap, kan de användas för att ta emot infraröd strålning. Galliumnitrid - en föreningsgrupperna 3-5 med ett brett energigap, finna användning vid halvledarlasrar och lysdioder som är verksamma i den blå delen av spektrat.

- för GaAs, galliumarsenid - den näst mest efterfrågade efter kiselhalvledaren, som vanligtvis används som ett substrat för andra ledare, till exempel, GaInNAs och av InGaAs, IR setodiodah, högfrekventa chips och transistorer, högeffektiva solceller, laserdioder, detektorer av kärn härdning. dE = 1,43 eV, vilket förbättrar effektanordningar jämfört med kisel. Brittle innehåller svårare att tillverka föroreningar.

- ZnS, zinksulfid - zinksalt av svavelväte med de förbjudna bandzoner och 3,54 3,91 eV, som används i lasrar och såsom en fosfor.

- SnS, tenn sulfid - halvledar används i fotoresistorer och fotodioder, dE = 1,3 och 10 eV.

oxider

Metalloxiderna företrädesvis är utmärkta isolatorer, men det finns undantag. Exempel på denna typ av halvledare - nickeloxid, kopparoxid, koboltoxid, koppar dioxide, järnoxid, europium oxid, zinkoxid. Eftersom koppar dioxid existerar som mineralet Cuprite, var dess egenskaper studerats intensivt. Förfarandet för odling av denna typ av halvledare är ännu inte helt klarlagt, så deras användning är fortfarande begränsad. Ett undantag är zinkoxid (ZnO), föreningsgrupperna 2-6, används som givaren och i produktionen av adhesiva tejper och plåster.

Situationen förändrats dramatiskt efter supra upptäcktes i många föreningar av koppar med syre. Den första högtemperatursupraledande öppna Bednorz och Muller, var sammansatt halvledare baserad på La ₂ CuO _4, energigapet av 2 eV. Substituera tvåvärd trivalent lantan, barium eller strontium, införas i de halvledarladdningsbärare av hål. Uppnå den nödvändiga hålet koncentrationen gör La ₂ CuO ₄ supraledare. Vid denna tid, den högsta temperaturen för övergång till det supraledande tillståndet hör förening HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Vid högt tryck, är dess värde 134 K.

ZnO, är zinkoxid varistor användes, blå lysdioder, gassensorer, biologiska sensorer, beläggningar fönster för att reflektera infrarött ljus, såsom en ledare i LCD-displayer och solbatterier. dE = 3,37 eV.

skiktade kristaller

Dubbla föreningar såsom dijodid bly, gallium selenid och molybdendisulfid skiljer skiktad kristallstruktur. Lagren är kovalenta bindningar av avsevärd styrka, mycket starkare än van der Waals-bindningar mellan skikten själva. Halvledare såsom typ är intressant eftersom elektronerna beter sig i skikt i en kvasi-tvådimensionell. Interaktionen av skikten ändras genom att införa utanför atomer - interkalering.

MoS _{2 är} molybdendisulfid används i högfrekventa detektorer, likriktare, memristor, transistorer. dE = 1,23 och 1,8 eV.

organiska halvledare

Exempel på halvledare på basis av organiska föreningar - naftalen, polyacetylen (CH _{2) n,} antracen, polydiacetylen, ftalotsianidy, polyvinylkarbazol. Organiska halvledare har en fördel gentemot icke-ekologiska: de är lätta att ge önskad kvalitet. Ämnen med konjugerade bindningar bildar -C = C-C = besitter betydande optisk ickelinjäritet och, på grund av detta, i optoelektronik tillämpas. Dessutom energibandgapet organisk halvledare förening med formeln varierar förändring som mycket enklare än det för konventionella halvledare. Kristallina allotropes av kol fullerener, grafen, nanorör - även halvledare.

- Fulleren har en struktur i form av en sluten konvex polyhedron ugleoroda jämnt antal atomer. En dopning fulleren C ₆₀ med en alkalimetall omvandlar den till en supraledare.

- grafitkol enatomig skikt bildas, är kopplad i ett tvådimensionellt hexagonalt gitter. Record har ledningsförmåga och elektronrörlighet, hög styvhet

- Nanorör rullas till ett rör grafitplatta med en diameter av flera nanometer. Dessa former av kol har mycket lovande inom nanoelektronik. Beroende på kopplingen kan vara metallisk eller halvledarkvalitet.

magnetiska halvledare

Föreningar med magnetiska joner av europium och mangan har nyfikna magnetiska och halvledande egenskaper. Exempel på denna typ av halvledare - europium sulfid, selenid europium och fasta lösningar, såsom Cd _1-x Mn _x Te. Innehållet i de magnetiska joner påverkar båda substanserna uppvisar magnetiska egenskaper, såsom ferromagnetism och antiferromagnetism. Semimagnetic halvledare - är en hårdmagnetiska halvledare lösningar som innehåller magnetiska joner i låg koncentration. Sådana fasta lösningar fånga uppmärksamheten hos dina utsikter och stor potential av möjliga tillämpningar. Till exempel, i motsats till de icke-magnetiska halvledare, kan de når en miljon gånger större Faraday-rotations.

Starka magnetoptiska effekter av magnetiska halvledare tillåter deras användning för optisk modulering. Perovskiter, liksom Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, dess egenskaper är överlägsna metall-halvledar övergång, som direkt beroende av de magnetiska fältet resulterar i fenomenet giant magneto-resistivitet. De används i radio, optiska anordningar, som styrs av ett magnetiskt fält, en mikrovågsugn vågledaranordningar.

halvledarferroelektrika

Denna typ kristaller kännetecknas av närvaron i deras elektriska stunder och förekomst av spontan polarisation. Till exempel, sådana egenskaper är halvledare blytitanat PbTiO _3, bariumtitanat BaTiOs _3, germanium tellurid, Gete, tenn-tellurid SnTe, som vid låga temperaturer har ferroelektriska egenskaper. Dessa material används i icke-linjära optiska, piezoelektriska sensorer och minnesanordningar.

En mängd av halvledarmaterial

Förutom halvledarmaterial som nämnts ovan, det finns många andra som inte faller under en av dessa typer. Föreningar med formel 1-3-5 element ₂ (Aggas ₂₎ och 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ bildar en kopparkis kristallstruktur. Kontakta tetraedriska föreningar som är analoga halvledare 3-5 och 2-6 grupper med en zinkblände kristallstruktur. Föreningar som bildar halvledarelementen 5 och 6 grupper (liknande Som ₂ Se _3), - halvledaren i form av kristall eller glas. Kalkogenider av vismut och antimon används i halvledartermoelektriska generatorer. Egenskaperna hos denna typ av halvledare är mycket intressant, men de har inte vunnit popularitet på grund av begränsad användning. Men det faktum att de existerar, bekräftar förekomsten av inte fullständigt undersökta området halvledarfysik.