Príklady polovodičov. Druhy, vlastnosti, praktické aplikácie

Najznámejší je polovodič kremík (Si). Ale na rozdiel od neho, existuje mnoho ďalších. Príklady sú prírodné, ako polovodičové materiály ako Blende (ZnS), kuprit (Cu ₂ O), galenit (PbS) a mnoho ďalších. Rodina polovodičov, vrátane polovodičov pripravených v laboratóriách, predstavuje jeden z najviac rôznorodých tried materiálov, ktoré ľudstvo pozná.

charakterizácia polovodičov

Zo 104 prvkov periodickej tabuľky sú kovy 79, 25 - nekovy, z ktorých 13 chemické prvky vykazujú polovodičové vlastnosti a 12 - dielektrickej. Hlavné polovodičové funkcia spočíva v tom, že ich vodivosť výrazne zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Pri nízkych teplotách sa správajú ako izolátory a pri vysokej - ako vodiče. Tieto polovodiče sú odlišné od kovu: odolnosť kovu sa zvyšuje úmerne s nárastom teploty.

Ďalšia rozdiel od polovodičového kovu je, že odpor polovodiče klesne pod vplyvom svetla, kdežto v druhom kov nie je ovplyvnený. Tiež vodivosť polovodičov sa mení, keď sú podávané s malým množstvom nečistôt.

Polovodiče možno nájsť medzi chemických zlúčenín s rôznymi kryštalických štruktúrach. Môže sa jednať o prvky, ako je kremík a selén, alebo dvojité zlúčenín, ako je arzenid gálium. Mnoho organických zlúčenín, ako je napríklad polyacetylény, (CH) _n, - polovodičové materiály. Niektoré polovodiče vykazujú magnetickú (CD _1-x Mn _x TE) alebo ferroelektrické vlastnosti (SBSI). Ďalšie legovanie s dostatočnými supravodičov stanú (Gete a srti _3). Mnohé z týchto novo objavených vysokoteplotných supravodičov má kovový polovodičový fázy. Napríklad, La ₂ CuO ₄ je polovodič, ale tvorba zliatiny s Sr stáva sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Fyzika učebnice dať definíciu ako polovodičového materiálu s elektrickým odporom 10 ^-4 až 10 ⁷ ohmov · m. Možno alternatíva definície. Šírka zakázaného pásu polovodiča - od 0 do 3 eV. Kovy a polokovy - materiál s nulovou energiou medzerou, a látky, v ktorej presahuje W eV zvanej izolátory. Existujú však výnimky. Napríklad, polovodičový diamant má široké zakázané pásmo 6 eV, semi-izolačné GaAs - 1,5 eV. GAN, materiál pre optoelektronických zariadení v modrej oblasti, obsahuje zakázané pásme o šírke 3,5 eV.

medzera energie

Valenčné orbitály atómov v kryštálovej mriežke sú rozdelené do dvoch skupín po energetických hladín - slobodného pásma, ktorá sa nachádza na najvyššej úrovni, a určuje elektrickú vodivosť polovodičov, a valenčním pásu, nižšie. Tieto úrovne, v závislosti na symetriu priehradová konštrukcia a atómy kryštálu môžu pretínať alebo môžu byť od seba vzdialené. V poslednom prípade je energia medzera, alebo inými slovami, medzi zakázaných pásových oblastí.

Umiestnenie a stupeň plnenia je určená vodivé vlastnosti materiálu. Podľa tohto znaku látky delené vodičov, izolantov a polovodičov. Šírka zakázaného pásu polovodiča mení 0.01-3 eV, energetickú medzeru dielektrika ako 3 eV. Kovy v dôsledku prekrytia energetických hladín nie sú medzery.

Polovodiče a izolátory, na rozdiel od kovov, elektróny sú vyplnené valenčné pásmo a najbližšie voľné pásmo alebo pásma vodivosti, mocnosťou energie oplotený z ruptúry - časť zakázaných energiou elektrónov.

V dielektrika tepelnej energie alebo zanedbateľné elektrické pole nie je dosť, aby skok cez tento nedostatok, elektróny nie sú predmetom pásme vodivosti. Sú schopné sa pohybovať kryštálovej mriežke a stávajú sa nositeľmi elektrického prúdu.

Pre napájanie elektrickú vodivosť, by mali byť elektrón v úrovni valencie vzhľadom k energii, ktorá by bola dostatočne prekonať medzeru energie. Iba v prípade, že množstvo absorpcie energie nie je menšia ako hodnota energetickej medzere, prejdú z úrovne valenčný elektrón na úrovni vedenia.

V tomto prípade, ak je šírka štrbiny energie presiahne 4 eV, vodivosť polovodičové budiace ožarovanie alebo zahrievanie je prakticky nemožné, - budiace energie elektrónov pri teplote topenia, nie je dostatočná pre skok medzery energie zónou. Pri zahriatí sa kryštál topí pred elektronickou vodivosťou. Tieto látky zahŕňajú kremeň (DE = 5,2 eV), diamant (DE = 5,1 eV), veľa soli.

Vonkajšie a vnútorné vodivosť polovodičové

Čisté polovodičové kryštály majú vnútorné vodivosť. Tieto polovodiče vlastných menách. Vlastné polovodič obsahuje rovnaký počet otvorov a voľných elektrónov. Pri ohreve vnútornej vodivosť polovodičov zvyšuje. Pri konštantnej teplote, je podmienkou dynamického množstvo rovnovážnej generovaných párov elektrón-diera a počet rekombinantným elektrónov a dier, ktoré sú stále za týchto podmienok.

Prítomnosť nečistôt významne ovplyvňuje elektrickej vodivosti polovodiča. Pridaním umožňuje výrazne zvyšuje počet voľných elektrónov na malý počet otvorov a zvýšiť počet otvorov s malým počtom elektrónov v úrovni vedenia. Nečistôt polovodiče - vodiče, ktoré majú vodivosť nečistôt.

Nečistoty sa jednoducho darovať elektróny sú nazývané darcu. Darcovské nečistoty môžu byť chemické prvky s atómami, na úrovni valencie, ktoré obsahujú viac elektrónov než atómy základného materiálu. Napríklad, fosforu a bizmut - kremíkovom darcu nečistôt.

Energia potrebná pre skok elektrónu v oblasti vedenia, sa nazýva aktivačná energia. Nečistota polovodič potrebovať oveľa menej, než základný materiál. S miernym zahrievaním alebo svetlo prevažne zbaví elektróny atómy nečistôt polovodičov. Umiestnite ľavý atóm má elektrónový otvor. Ale rekombinácie elektrón diera nekoná. darcu otvor vodivosť je zanedbateľný. To je preto, že malé množstvo atómov nečistôt neumožňujú voľné elektróny často bližšie k otvoru, a aby sa udržala. Elektróny sú niektoré diery, ale nie sú schopní ich naplniť z dôvodu nedostatočnej energetickej úrovni.

Mierne prísada darcu nečistota niekoľko rádov zvyšuje počet elektrónov vedenia v porovnaní s počtom voľných elektrónov na vnútornej polovodiče. Elektróny tu - hlavnými nositeľmi atómových nábojov nečistôt polovodičov. Tieto látky patria k polovodičov n-typu.

Nečistoty, ktoré sa viažu elektróny polovodiče, zvýšenie počtu otvorov v ňom, s názvom akceptor. Akceptorov nečistoty sú chemické prvky s menším počtom elektrónov v úrovni valencie než základne polovodiče. Boru, gália, india - akceptor nečistota v kremíka.

Charakteristiky polovodičových sú závislé na jeho kryštálovej štruktúry defektov. To spôsobí, že potreba rastie nesmierne čisté kryštály. Parametre polovodičového vedenie riadená prídavkom mazadlá na formy. Kremíkové kryštály dopované fosforu (V podskupiny prvku), ktorá je darcom vytvorenie kryštálov kremíka n-typu. Pre kryštál s p-kremíka typu podávaného bóru akceptora. Polovodiče kompenzovaný Fermiho ju presunúť do stredu zakázanej pásmo vytvorené týmto spôsobom.

single-element polovodiča

Najbežnejší polovodič je, samozrejme, kremík. Spolu s Nemeckom, bol prototyp veľkú triedu polovodičov, ktoré majú podobné kryštálovej štruktúry.

Štruktúra kryštálu Si a Ge sú rovnaké ako u diamantu a a-cínu. To obklopujú každý atóm 4 najbližšej atómy, ktoré tvoria štvorsten. Takáto koordinácia sa nazýva štyrikrát. Kryštály tetradricheskoy väzba oceľová základňa pre elektronický priemysel a hrajú kľúčovú úlohu v moderných technológií. Niektoré prvky V a VI periodickej tabuľky skupiny sú tiež polovodiče. Príklady tohto typu polovodičov - fosfor (P), síru (S), selén (Se) a telúr (Te). Tieto súčiastky môžu byť trojité atómy (P), disubstituovaný (S, Se, Te) alebo štvornásobné koordinácie. V dôsledku toho také elementy môžu existovať v niekoľkých rôznych kryštalických štruktúr, a tiež byť pripravené vo forme skla. Napríklad, Sa pestuje v monoklinickej a trigonální kryštálovej štruktúry alebo ako okno (ktoré môžu byť tiež považovaná za polymér).

- Diamond má vynikajúcu tepelnú vodivosť, vynikajúce mechanické a optické vlastnosti, vysokú mechanickú pevnosť. Šírka medzery energie - DE = 5,47 eV.

- Kremík - polovodičové použité v solárnych článkov, a amorfné formy, - v tenkovrstvových solárnych článkov. To je najviac používaný v polovodičových solárnych článkov, ľahko sa vyrába, má dobré elektrické a mechanické vlastnosti. dE = 1,12 eV.

- Nemecko - polovodičové použitý v gama spektroskopia, vysoký výkon solárnych článkov. Používa sa v prvých diód a tranzistorov. To si vyžaduje menej čistenia než kremík. dE = 0,67 eV.

- selén - polovodič, ktorý je používaný v selénu usmerňovačov, ktoré majú vysokú odolnosť proti žiareniu a schopnosť liečiť sám.

zlúčeniny dvojprvková

Vlastnosti polovodičov vytvorených prvkov 3 a 4 periodickej sústavy prvkov skupín podobajú vlastností zlúčenín 4 skupiny. Prechod od 4 skupín prvkov na zlúčeniny 3-4 gramy. To je čiastočne preto, že komunikácia iónový náboj dopravy elektróny od atómu k atómu 3 Skupina 4 Skupina. Ionicity menia vlastnosti polovodiče. To spôsobuje zvýšenie energie a ion-ion interakcie energetická medzera štruktúry elektrónov pásma Coulombovho. Príklad binárne zlúčeniny tohto typu - antimonid india, InSb, gálium arzenid GaAs, gálium antimonide Gasby, fosfid india INP, hliník antimonide AlSb, fosfid gália medzery.

Ionicity zvyšuje a jeho hodnota rastie viac skupín v zlúčeninách 2-6 zlúčeniny, ako je kadmium selenidu, sulfid zinočnatý, sulfid kadmia, teluridu kademnatého, selenidu zinočnatého. Výsledkom je, že väčšina zlúčenín 2-6 skupiny zakázanej pásmo širšie ako 1 eV, s výnimkou zlúčenín ortuti. Mercury Telluride - bez energetickej medzery polovodičov, kovových polotovarov, ako je a-cínu.

Polovodiče 2-6 skupiny s väčším použitie find energie medzery vo výrobe laserov a displejov. Binárne skupiny 6 2- zlúčenina so zúženým medzery energiu vhodnú pre infračervené prijímača. Binárne zlúčeniny prvkov zo skupín 1-7 (bromid meďný CuBr, Agl jodid strieborný, chlorid meďnatý CuCl) Vzhľadom na vysokú ionicity mať širšie bandgap W eV. Oni robia nie vlastne polovodiče a izolanty. Crystal rast ukotvenie energie v dôsledku Coulombovho meziiontový interakciu uľahčuje atómy štruktúrovanie soľ s šiestym poradí, namiesto kvadratický súradníc. Zlúčeniny 4-6 skupiny - sulfid, telurid olova, cínu, sírnej - ako polovodiče. Ionicity týchto látok taktiež podporuje koordináciu tvorbu šesťkrát. Oveľa ionicity nevylučujú prítomnosť majú veľmi úzke medzery pásma, ktoré môžu byť použité pre príjem infračerveného žiarenia. Galliumnitrid - zlúčeniny skupiny 3-5 sa širokou energetickú medzerou, nachádzajú uplatnenie v polovodičovej lasery a diódy vyžarujúce svetlo pôsobí v modrej časti spektra.

- GaAs, arzenid gália - na vyžiadanie po druhej kremíkové polovodičové sa bežne používa ako substrát pre ďalšiu vodiče, napríklad, GaInNAs a InGaAs, v setodiodah infračervené, vysokofrekvenčné tranzistory a obvody, vysoko účinných solárnych článkov, laserové diódy, detektory jadrového vyliečenie. dE = 1,43 eV, čo zlepšuje napájacích zariadení, v porovnaní s kremíkom. Krehký, obsahuje viac nečistôt ťažké vyrobiť.

- ZnS, sírnik zinočnatý - Zinočnatá soľ sírovodíka s zakázaných pásových oblastí a 3,54 3,91 eV, ktoré sa používajú v laseroch a ako fosfor.

- SNS, cín sírnikovej - polovodičové používa v fotorezistoroch a fotodiód, dE = 1,3 a 10 eV.

oxidy

Oxidy kovov sú výhodne vynikajúce izolačné látky, ale existujú výnimky. Príklady tohto typu polovodičov - oxid niklu, oxid medi, oxid kobaltu, medi, oxid železa, oxid európium, oxid zinočnatý. Vzhľadom k tomu existuje meď uhličitý ako minerálne kuprit, jeho vlastnosti boli intenzívne študované. Postup pre pestovanie tohto typu polovodičových ešte nie je úplne jasná, takže je ich použitie stále obmedzené. Výnimkou je oxid zinočnatý (ZnO), skupiny zlúčenín 2-6, sa používa ako snímač a na výrobu lepiace pásky a omietok.

Situácia sa dramaticky zmenila po supravodivosť bola objavená v mnohých zlúčenín medi s kyslíkom. Prvá vysoká teplota supravodič otvoriť Bednorzowi a Muller, bola zlúčenina polovodič na báze La ₂ CuO _4, energetické medzere 2 eV. Dosadením dvojmocné trojmocného lantánu, bária alebo stroncia, ktorá bola zavedená do polovodiče nosičov náboja dier. Dosiahnutie koncentrácia diery robí La ₂ CuO ₄ supravodič. V tomto okamihu, je najvyššia teplota prechodu do supravodivého stavu patrí zlúčenina HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Pri vysokom tlaku, jeho hodnota je 134 K.

ZnO, varistor oxid zinočnatý je použitý, modré svetelné diódy, senzorov, biologických senzorov, povlaky okná odrážať infračervené svetlo, ako vodič v LCD displeja a solárnych batérií. dE = 3,37 eV.

vrstvené kryštály

Dvojité zlúčeniny ako dijodidem olova, gália selenid a sírnik molybdénu líšiť vrstevnatú kryštálovú štruktúru. Vrstvy sú kovalentné väzby na značné sily, oveľa silnejšie, než sú van der Waalsove väzby medzi samotnými vrstvami. Polovodiče ako typ sú zaujímavé preto, že elektróny sa správajú vo vrstvách kvázi-dvojrozmernej. Interakcia vrstiev je zmenený zavedením mimo atómov - interkaláciu.

_MoS2, molybdén disulfid sa používa vo vysokofrekvenčných detektorov, usmerňovačov, memristorov, tranzistory. dE = 1,23 a 1,8 eV.

organické polovodiče

Príklady polovodičov na báze organických zlúčenín - naftalénu, polyacetylény (CH _{2) n,} antracén, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Organické polovodiče majú výhodu oproti neorganické: sú ľahko k udeleniu požadovanej kvality. Látky s konjugovanými väzbami tvorí C = C-C = majú podstatnú optické nelinearity a, v dôsledku toho, v optoelektronice aplikovaných. Okrem toho sa energia zakázaný pás organického polovodiča zlúčenina všeobecného vzorca meniť zmenou, že oveľa jednoduchšie, než u bežných polovodičoch. Kryštalické allotropes uhlíka fullerenov, grafénu, nanotrubice - tiež polovodičov.

- fullerenov má štruktúru v tvare uzavretého konvexné Polyhedron ugleoroda párny počet atómov. Antidopingového fullerenov C ₆₀ s alkalickým kovom premieňa ju na supravodič.

- grafit uhlík jednoatomoví vrstva je vytvorená, je pripojený v dvojrozmernom hexagonálne mriežky. Záznam má vodivosť a pohyblivosť elektrónu, vysokú tuhosť

- nanotrubice zvinie do trubice grafitové dosky s priemerom niekoľkých nanometrov. Tieto formy uhlíka majú veľký prísľub v oblasti nanoelektroniky. V závislosti na spojke, môže byť kovový alebo polovodičový kvality.

magnetické polovodiče

Zlúčeniny s magnetickými iónmi európia a mangánu má kuriózne magnetických a polovodičového vlastnosti. Príklady tohto typu polovodičov - európia sulfid, selenid európium a pevné roztoky, ako je _{CD-1 x} Mn _x Te. Obsah magnetických iónov ovplyvňuje obe látky majú magnetické vlastnosti, ako sú ferromagnetism a antiferromagnetismu. Semimagnetic polovodiče - je tvrdý magnetické súčiastky roztoky, ktoré obsahujú magnetické ióny v nízkej koncentrácii. Takéto tuhé roztoky upútať pozornosť svoje vyhliadky a veľkým potenciálom možných aplikácií. Napríklad na rozdiel od nemagnetických polovodičoch, môžu dosiahnuť miliónkrát väčší Faradayova rotácie.

Silné magnetooptické účinky magnetických polovodičov umožňujú ich použitie pre optické modulácie. Perovskity, ako Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, jeho vlastnosti sú lepšie ako kov-polovodič prechodu, ktorý priamej závislosti na magnetické pole v výsledky javu obrie magneticko-odpor. Používajú sa v rádiových, optických zariadení, ktoré sú ovládané prostredníctvom magnetického poľa, mikrovlnnou rúrou vlnovodných štruktúr.

polovodičové feroelektrika

Tieto kryštály typu sa vyznačuje tým, že sa ich elektrických momenty a výskyt spontánne polarizácie. Napríklad, také vlastnosti polovodiče viesť titaničitan PbTiO _3, titaničitan bárnatý Baťu _3, germánium, teluridu Gete, cín telurid SnTEM, ktorá pri nízkych teplotách majú ferroelektrické vlastnosti. Tieto materiály sa používajú v nelineárnych optických, piezoelektrické senzory a pamäťových zariadení.

Rôzne polovodičových materiálov

Okrem polovodičových materiálov uvedených vyššie, existuje mnoho ďalších, ktoré nespadajú do jednej z týchto typov. Zlúčeniny všeobecného vzorca 1-3-5 prvky ₂ (AgGaS ₂₎ a 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ tvorí chalkopyritu kryštálovú štruktúru. Kontakt štvorboký zlúčenín analogických polovodiče 3-5 a 2-6 skupiny s zinku Blende kryštálovej štruktúre. Zlúčeniny, ktoré tvoria polovodičových prvkov 5 a 6 skupín (podobne ako ₂ S _3), - polovodič vo forme kryštálu alebo skla. Chalkogenidy bizmutu a antimónu sú používané v polovodičové termoelektrických generátorov. Vlastnosti tohto typu polovodičov je veľmi zaujímavé, ale oni nemajú získal popularitu kvôli obmedzenému použitie. Avšak skutočnosť, že existujú, potvrdí prítomnosť ešte nie je plne preskúmaná oblasť fyziky polovodičov.