Eksempler på halvledere. Typer, egenskaber, praktiske anvendelser

Den mest berømte er halvleder silicium (Si). Men bortset fra ham, der er mange andre. Eksempler er naturlige, sådanne halvledermaterialer som blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PbS) og mange andre. Familien af halvledere, herunder halvledere udarbejdet i laboratorier, repræsenterer en af de mest forskelligartede klasser af materialer, man kender.

Karakterisering af halvledere

Af de 104 elementer i det periodiske system er metaller 79, 25 - ikke-metaller, hvorfra de 13 kemiske elementer besidder halvledende egenskaber og 12 - dielektriske. Vigtigste halvleder-funktion består i, at deres ledningsevne stiger betydeligt med stigende temperatur. Ved lave temperaturer, de opfører sig som isolatorer, og ved høj - som ledere. Disse halvledere er forskellige fra metal: metal modstand stiger proportionalt med stigningen i temperatur.

En anden forskel fra halvleder metal er, at modstanden i halvlederen falder under påvirkning af lys, mens der i sidstnævnte metallet ikke påvirkes. Også ledningsevnen af halvledere varierer når de administreres til en mindre mængde urenhed.

Halvledere findes blandt kemiske forbindelser med forskellige krystalstrukturer. Disse kan være elementer, såsom silicium og selen, eller dobbelt forbindelser, såsom galliumarsenid. Mange organiske forbindelser, såsom polyacetylen, (CH) _n, - halvledermaterialer. Visse halvledere udviser magnetisk (Cd _1-x Mn _x Te) eller ferroelektriske egenskaber (SbSI). Anden legering med tilstrækkelige bliver superledere (Gete og SrTiO _3). Mange af de nyopdagede højtemperatursuperledere har metallisk halvledende fase. For eksempel La ₂ CuO ₄ er en halvleder, men dannelsen af legeringen med Sr bliver sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Fysik lærebøger giver definition som halvledermaterialet med en elektrisk resistivitet på fra 10 ^-4 til 10 ⁷ ohm · m. Måske en alternativ definition. Bredden af det forbudte bånd af den halvleder - fra 0 til 3 eV. Metaller og halvmetaller - et materiale med nul energigab, og stoffet i hvilken den overstiger W eV kaldet isolatorer. Der er undtagelser. For eksempel en halvleder diamant har en bred forbudte zone 6 eV, en semi-isolerende GaAs - 1,5 eV. GaN, et materiale til optisk udstyr i det blå område, har et forbudt båndbredde på 3,5 eV.

kløften energi

Valence orbitaler af atomer i krystalgitteret er opdelt i to grupper af energiniveauer - en fri zone, der ligger på højeste niveau, og bestemmer den elektriske ledningsevne af halvledere, og valensbåndet nedenfor. Disse niveauer, kan afhængigt af symmetrien af krystalgitterstrukturen og atomer skærer eller være adskilt fra hinanden. I sidstnævnte tilfælde er der en energi hul, eller med andre ord, mellem de forbudte band zoner.

Placering og fyldningsniveauet bestemmes af de ledende egenskaber af materialet. Ifølge dette træk stof divideret med ledere, isolatorer og halvledere. Bredden af det forbudte bånd af den halvleder varierer 0,01-3 eV, energien kløften af det dielektriske end 3 eV. Metaller som følge af overlapningen af energi huller niveauer er ikke.

Halvledere og isolatorer i modsætning til metaller, er elektronerne fyldt valensbånd og den nærmeste zone, eller ledningsbåndet, er valensen energi indhegnet fra brud - del af forbudte energier af elektroner.

I dielektrika termisk energi eller ubetydelig elektrisk felt er ikke nok til at gøre springet gennem dette hul, elektronerne er ikke omfattet ledningsbåndet. De er ude af stand til at bevæge sig gennem krystalgitteret og blive bærere af den elektriske strøm.

At aktivere den elektriske ledningsevne, bør en elektron i valens niveau gives energi, hvilket ville være nok til at overvinde kløften energi. Kun når mængden af energiabsorption ikke er mindre end værdien af energigab, vil passere fra valenselektronen niveau på lederflade.

I så fald, hvis bredden af energi kløften overstiger 4 eV, er næsten umuligt ledningsevne halvleder excitation bestråling eller opvarmning - excitationsenergien af elektronerne ved smeltetemperaturen ikke er tilstrækkelig til at springe energibåndgabet gennem zonen. Ved opvarmning, krystallen smelter før den elektroniske ledningsevne. Sådanne stoffer indbefatter kvarts (dE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV), mange salte.

Ydre og indre ledningsevne halvleder

Net halvleder krystaller har iboende ledningsevne. Sådanne halvledere egennavne. Intrinsic halvleder indeholder et lige antal huller og frie elektroner. Ved opvarmning iboende ledningsevne af halvledere stiger. Ved konstant temperatur, der er en betingelse for dynamisk ligevægt mængde genererede elektron-hul par og antallet af rekombinerende elektroner og huller, som forbliver konstante under disse betingelser.

Tilstedeværelsen af urenheder påvirker signifikant den elektriske ledningsevne af halvledere. At tilføje dem tillader høj grad forøger antallet af frie elektroner på et lille antal huller og øge antallet af huller med et lille antal af elektroner i lederflade. Urenheder halvledere - lederne har urenheden ledningsevne.

Urenheder let donerer elektroner kaldes donor. Donor urenheder kan være kemiske elementer med atomerne, valenselektronernes niveauer, som indeholder flere elektroner end atomerne i basismaterialet. For eksempel fosfor og bismuth - en silicium donor urenheder.

Den nødvendige energi til springet af en elektron i conduction region, kaldes aktiveringsenergi. Urenhed halvleder brug for en masse mindre af det end grundmaterialet. Med en let opvarmning eller lys overvejende befriet elektroner af atomer af urenheden halvledere. Placer venstre atomet tager en elektron hul. Men det elektronhul rekombination ikke finder sted. donor hul ledningsevne er ubetydelig. Dette skyldes, at en lille mængde urenhedsatomer ikke tillader frie elektroner ofte tættere på hullet og at holde den. Elektroner er nogle huller, men er ikke i stand til at udfylde dem på grund af utilstrækkelig energi niveau.

En lille additiv donor urenhed flere ordrer øger antallet af ledningsforstyrrelser elektroner i forhold til antallet af frie elektroner i den indre halvleder. Elektroner her - de vigtigste bærere af atomare ladninger af urenheder halvledere. Disse stoffer hører til de n-type halvledere.

Urenheder, der binder elektroner af halvleder, øge antallet af huller i det, der kaldes acceptor. Acceptor urenheder er kemiske elementer med et mindre antal elektroner i valens niveau end bunden af halvleder. Bor, gallium, indium - acceptor urenhed i silicium.

Karakteristika af halvleder er afhængige af dets krystalstruktur defekter. Dette bevirker nødvendigheden af voksende yderst rene krystaller. Parametrene for halvleder ledning reguleres ved tilsætning af doteringsmidler. Siliciumkrystaller doteret med phosphor (V-undergruppe element), som er en donor for at skabe krystal silicium n-type. For krystal med en p-type silicium administreret bor acceptor. Halvledere kompenseret Fermi-niveau for at flytte den ind i midten af bandet hul skabt på denne måde.

single-element halvledere

Den mest almindelige halvleder er naturligvis, silicium. Sammen med Tyskland, var han prototypen på en stor klasse af halvledere, der har lignende krystalstrukturer.

Struktur krystal Si og Ge er de samme som for diamant og α-tin. Det omgiver hvert atom 4 nærmeste atomer, som danner et tetraeder. En sådan samordning kaldes fire gange. Krystaller tetradricheskoy obligation stål base for elektronikindustrien og spiller en central rolle i moderne teknologi. Nogle af de elementer V og VI i det periodiske system gruppen er også halvledere. Eksempler på denne type af halvledere - fosfor (P), svovl (S), selen (Se) og tellur (Te). Disse halvledere kan være tredobbelt atomer (P), disubstitueret (S, Se-, Te) eller en fire ganges koordination. Som følge sådanne elementer kan eksistere i flere forskellige krystallinske strukturer, og også fremstilles i form af glas. For eksempel, Se dyrket i monokline og trigonale krystalstrukturer eller som et vindue (som også kan betragtes som en polymer).

- Diamond har fremragende termisk ledningsevne, fremragende mekaniske og optiske egenskaber, høj mekanisk styrke. Bredden af den energi gap - dE = 5,47 eV.

- Silicon - halvleder anvendes i solceller, og amorf form, - i en tynd-film solceller. Det er den mest anvendte i halvleder solceller, let at fremstille, har gode elektriske og mekaniske egenskaber. De = 1,12 eV.

- Germanium - halvleder anvendes i gamma-ray spektroskopi, højtydende solceller. Bruges i de første dioder og transistorer. Det kræver mindre rengøring end silicium. De = 0,67 eV.

- Selen - en halvleder, der anvendes i selen ensrettere har en høj stråling modstand og evnen til at helbrede sig selv.

To-element-forbindelser

Egenskaber af halvledere dannede elementer 3 og 4 i det periodiske system grupper ligner egenskaberne af forbindelserne 4 grupper. Overgangen fra de 4 grupper af elementer til forbindelser 3-4 gr. Det gør kommunikation dels fordi ioniske ladning transport elektroner fra et atom til atom 3 Group 4 Group. Ionicitet ændrer egenskaberne af halvledere. Det forårsager en stigning i Coulomb energi og ion-ion interaktion energigab elektron båndstruktur. EKSEMPEL binære forbindelser af denne type - indium antimonide, InSb, galliumarsenid GaAs, gallium antimonide GASB, indiumphosphid InP, aluminium antimonide AlSb, galliumphosphid hul.

Ionicitet tillæg og dens værdi vokser flere grupper i forbindelser 2-6 forbindelser, såsom cadmium selenid, zinksulfid, cadmiumsulfid, cadmiumtellurid, zinkselenid. Som et resultat, at størstedelen af forbindelserne 2-6 grupper forbudt band bredere end 1 eV, bortset kviksølvforbindelser. Mercury Telluride - uden energigab halvleder, semi-metal, såsom α-tin.

Halvledere 2-6 grupper med en større energi hul fund brug i produktionen af lasere og skærme. Binære grupper 6 2- forbindelse med en indsnævret energibåndgabet egnet til infrarøde modtagere. Binære forbindelser af grundstoffer fra grupperne 1-7 (cuprobromid CuBr, Agl sølv iodid, kobberchlorid CuCI) forårsaget af den høje ionicitet har bredere båndgab W eV. De gør faktisk ikke halvledere og isolatorer. Krystalvækst forankring energi på grund af Coulomb interionic interaktion letter strukturerende atomer salt med sjette orden, i stedet for den kvadratiske koordinat. Forbindelser 4-6 grupper - sulfid, bly Telluride, tin sulfid - som halvledere. Ionicitet disse stoffer fremmer også dannelsen seks gange koordinering. Meget ionicitet ikke til hinder for tilstedeværelse, de har en meget smal band huller, kan de bruges til at modtage infrarød stråling. Galliumnitrid - en forbindelsesgruppe 3-5 med en bred energibåndgabet, finde anvendelse i halvlederlasere og lysemitterende dioder, der opererer i den blå del af spektret.

- GaAs, galliumarsenid - on demand efter den anden silicium halvleder er almindeligt anvendt som et substrat for andre ledere, for eksempel GaInNAs og InGaAs, i setodiodah infrarød, højfrekvente transistorer og IC'er, højeffektive solceller, laserdioder detektorer af nukleart kur. De = 1,43 eV, der forbedrer strøm udstyr sammenlignet med silicium. Skørt, indeholder flere urenheder vanskelige at fremstille.

- ZnS, zinksulfid - zinksalt af hydrogensulfid med de forbudte band zoner og 3,54 3,91 eV, der anvendes i lasere og som en phosphor.

- SnS, tin sulfid - halvleder anvendes i fotoresistorer og fotodioder, dE = 1,3 og 10 eV.

oxider

Metaloxiderne fortrinsvis er gode isolatorer, men der er undtagelser. Eksempler på denne type af halvledere - nikkeloxid, kobberoxid, cobalt oxide, kobber dioxid, jernoxid, europium oxid, zinkoxid. Eftersom kobber dioxid eksisterer som mineralet cuprite blev dets egenskaber undersøgt intensivt. Proceduren for dyrkning af denne type halvleder er endnu ikke helt klar, så deres anvendelse er stadig begrænset. En undtagelse er zinkoxid (ZnO), forbindelsesgruppe 2-6, anvendes som transduceren og i produktionen af klæbebånd og plastre.

Situationen ændredes dramatisk efter superledning blev opdaget i mange forbindelser af kobber med oxygen. Den første højtemperatur superleder åbne Bednorz og Muller blev forbindelse halvleder baseret på La ₂ CuO _4, energien hul på 2 eV. Substituere divalent trivalent lanthan, barium eller strontium, indføres i halvleder ladningsbærere af huller. Opnå den nødvendige koncentration hul gør La ₂ CuO ₄ superleder. På dette tidspunkt, den højeste temperatur for overgangen til den superledende tilstand hører forbindelse HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Ved højt tryk, dens værdi er 134 K.

ZnO, er zinkoxid varistor brugt, blå lysdioder, gas sensorer, biologiske sensorer, belægninger vinduer til at reflektere infrarødt lys, som dirigent i LCD-skærme og sol batterier. De = 3,37 eV.

lagdelte krystaller

Dobbelt forbindelser som diiodid bly, gallium selenid og molybdændisulfid afvige lagdelt krystalstruktur. Lagene er covalente bindinger af betydelig styrke, meget stærkere end de van der Waals bindinger mellem lagene selv. Halvledere sådan typen er interessante, fordi elektronerne opfører i lag af en kvasi-to-dimensionelle. Interaktion af lag ændres ved at indføre eksterne atomer - interkalation.

_MoS2, er molybdændisulfid anvendes i højfrekvente detektorer, ensrettere, memristor, transistorer. De = 1,23 og 1,8 eV.

organiske halvledere

Eksempler på halvledere på grundlag af organiske forbindelser - naphthalen, polyacetylen _{(CH2) n,} anthracen, polydiacetylen, ftalotsianidy, polyvinylcarbazol. Organiske halvledere har en fordel i forhold til ikke-økologisk: de er nemme at bibringe den ønskede kvalitet. Stoffer med konjugerede bindinger dannes -C = C-C = besidder betydelig optisk ikke-linearitet, og på grund af dette, i optoelektronik anvendte. Desuden energi båndgab organisk halvleder med formlen variere ændring, meget lettere end konventionelle halvledere. Krystallinske allotropes af kulstof fullerener, graphene, nanorør - også halvledere.

- Fullerene har en struktur i form af en konveks lukket polytop fra et lige antal carbonatomer. En doping af fullereen C _{60 med et} alkalimetal gør det til en superleder.

- Grafen er dannet af et monatomisk carbonlag, der er forbundet med et todimensionalt sekskantet gitter. Har en rekord termisk ledningsevne og elektron mobilitet, høj stivhed

- Nanotubes rulles ind i et rør af grafitplader, der har flere nanometer i diameter. Disse former for kulstof har et stort perspektiv i nanoelektronik. Afhængig af vedhæftningen kan metal- eller halvlederkvaliteter udstilles.

Magnetiske halvledere

Forbindelser med magnetiske ioner af europium og mangan har interessante magnetiske og halvlederegenskaber. Eksempler på halvledere af denne type er europiumsulfid, europium selenid og faste opløsninger som Cd _1-x Mn _x Te. Indholdet af magnetiske ioner påvirker måden, hvor magnetiske egenskaber som antiferromagnetisme og ferromagnetisme manifesterer sig i stoffer. Semi-magnetiske halvledere er faste magnetiske opløsninger af halvledere, der indeholder magnetiske ioner i en lille koncentration. Sådanne faste løsninger tiltrækker opmærksomhed ved deres udsigter og stort potentiale for mulige anvendelser. For eksempel kan de i modsætning til ikke-magnetiske halvledere opnå en million gange større Faraday-rotation.

Sterke magneto-optiske virkninger af magnetiske halvledere gør det muligt at anvende dem til optisk modulering. Perovskites, som Mn _0,7 Ca _0,3 O _{3, har} deres egenskaber overlegen over metal-halvlederovergangen, hvis direkte afhængighed på magnetfeltet har en konsekvens af fænomenet gigantisk magneto-resistivitet. De anvendes i radioteknologi, optiske enheder, der styres af et magnetfelt i bølgeledere af mikrobølgeanordninger.

Semiconductor ferroelektricitet

Denne type krystal er karakteriseret ved tilstedeværelsen af elektriske øjeblikke i dem og udseendet af spontan polarisation. Sådanne egenskaber besidder for eksempel besiddelse af bly PbTiO3 titanat halvledere, BaTiO3 bariumtitanat, GeTe tellurid, SnTe tellurid, som har ferroelektriske egenskaber ved lave temperaturer. Disse materialer anvendes i ikke-lineære optiske, hukommelsesenheder og piezoelektriske sensorer.

Forskellige halvledermaterialer

Ud over de ovennævnte halvlederstoffer er der mange andre, der ikke falder ind under nogen af de nævnte typer. Forbindelserne af elementerne med formlen 1-3-52 (AgGaS2) og 2-4-52 (ZnSiP2) danner krystaller i strukturen af chalcopyrit. Forbindelserne af forbindelserne er tetraedrale, analoge med 3-5 og 2-6 halvlederhalvledere med en krystalstruktur af zinkblende. Forbindelserne, som udgør elementer i gruppe 5 og 6 halvledere (som As ₂ Se ₃ ), er halvledende i form af en krystal eller et glas. Chalmogenider af vismut og antimon anvendes i halvleder-termoelektriske generatorer. Egenskaberne for halvledere af denne type er yderst interessante, men de har ikke fået popularitet på grund af begrænset anvendelse. Den kendsgerning, at de eksisterer, bekræfter tilstedeværelsen af selv inden udgangen af de uudforskede områder af halvlederfysik.