Primjeri poluvodiča. Vrste, svojstva, praktična primjena

Najpoznatiji poluvodič je silikon (Si). No, osim njega, postoje i mnogi drugi. Primjer su prirodni poluvodički materijali kao što su cinka blende (ZnS), kuprite (Cu₂

Karakteristike poluvodiča

Od 104 elementa periodičnog stola, 79 su metali, 25 su nemetali, od toga 13 kemijskih elemenata imaju svojstva poluvodiča i 12-dielektrična svojstva. Glavna razlika između poluvodiča je da se njihova električna vodljivost značajno povećava s povećanjem temperature. Na niskim temperaturama ponašaju se kao dielektrici, a na visokim temperaturama ponašaju se poput vodiča. Ti poluvodiči razlikuju se od metala: otpor metalnog materijala povećava se u odnosu na povećanje temperature.

Druga razlika između poluvodiča i metala je ta što otpor poluvodiča pada pod djelovanje svjetlosti, a metal nije pod utjecajem drugoga. Vodljivost poluvodiča također se mijenja s uvođenjem male količine nečistoće.

Poluvodiči se nalaze među kemijskim spojevima s različitim kristalnim strukturama. To mogu biti elementi poput silicija i selena, ili dvostrukih spojeva, poput galijskog arsenida. Mnogi organski spojevi, na primjer poliacetilen (CH)_n, Poluvodički materijali. Neki poluvodiči pokazuju magnetski (Cd_{1 x}Mn_xTe) ili feroelektrična svojstva (SbSI). Drugi koji imaju dovoljan doping postaju supravodiči (GeTe i SrTiO₃). Mnogi nedavno otkriveni visokotemperaturni supravodiči imaju nemetalne poluvodičke faze. Na primjer, La₂CuO₄ je poluvodič, ali kada legura s Sr formira supravodič (La_{1 x}sr_x)₂CuO₄.

Udžbenici fizike daju definiciju poluvodiča kao materijal s električnim otporom od 10^-4 do 10⁷ Ommiddot th. Alternativna je definicija također moguća. Širina zabranjenog pojasa poluvodiča je od 0 do 3 eV. Metali i semimetali su materijali koji nemaju nulu, a tvari u kojima prelaze 3 eV nazivaju se izolatori. Postoje iznimke. Na primjer, dijamant poluvodiča ima zabranjeni pojas širine 6 eV, poluizolacijski GaAs - 1,5 eV. GaN, materijal za optoelektronički uređaji u plavoj regiji, ima zabranjenu zonu širine 3,5 eV.

Energetski jaz

Valence orbitale atoma u kristalnoj rešetci su podijeljeni u dvije skupine energetske razine - slobodne zone, koji se nalazi na najvišoj razini, a određuje električnu vodljivost poluvodiča i valentni pojas u nastavku. Te razine, ovisno o simetrije rešetkastu strukturu kristala i ugljika mogu se sijeku i međusobno razmaknute. U posljednjem slučaju, između zona postoji energetski raspor, ili drugim riječima, inhibirana zona.

Položaj i punjenje razina određuju vodljiva svojstva tvari. Na temelju toga, tvari se dijele na vodiče, izolatore i poluvodiče. Širina zabranjenog pojasa poluvodiča varira u rasponu od 0,01-3 eV, dielektrična energija prelazi 3 eV. Metali nisu zbog preklapanja razina energetskih praznina.

Poluvodiča i izolatora, za razliku od metala, elektroni su puni valentni pojas i najbliža slobodnu zonu ili vodljivi pojas, valencija energija ograđena od rupture - Dio zabranjenih energija elektrona.

U dielektriku toplinske energije ili malom električnom polju nije dovoljno za skok kroz ovaj jaz, elektroni ne ulaze u provodni pojas. Nisu sposobni kretati se kristalnom rešetkom i postati nositelji električne struje.

Da bi potaknuo električnu vodljivost, elektron na valencijskoj razini treba dati energiju koja bi bila dovoljna za prevladavanje energetskog jaza. Samo apsorbirajući količinu energije koja nije manja od veličine energetskog praga, elektron će ići od valencije do razine vodljivosti.

U tom slučaju, ako je širina energetskog jaz prelazi 4 eV, vodljivost poluvodiča uzbude zračenje ili grijanje je gotovo nemoguće - uzbude energija elektrona na temperaturi taljenja nije dovoljno za skok energije jaz kroz zonu. Kada se zagrije, kristal se otapa prije pojave elektronske provodljivosti. Takve tvari uključuju kvarca (De = 5,2 eV), dijamant (DE = 5,1 eV), mnoge soli.

Nečistoća i intrinzična vodljivost poluvodiča

Čisti kristali poluvodiča imaju intrinzičnu vodljivost. Takvi poluvodiči nazivaju se vlasnički. Intrinzični poluvodič sadrži jednak broj rupa i slobodnih elektrona. Kada se zagrije, intrinzična vodljivost poluvodiča se povećava. Pri stalnoj temperaturi dolazi do stanja dinamičke ravnoteže između broja formiranih parova elektronske rupice i broja rekombinacijskih elektrona i rupa koji ostaju konstantni u danim uvjetima.

Prisutnost nečistoća ima značajan utjecaj na električnu vodljivost poluvodiča. Njihovo dodavanje omogućava znatno povećanje broja slobodnih elektrona s malim brojem rupa i povećanje broja rupa s malim brojem elektrona na razini vodljivosti. Poluvodiči nečistoća su dirigenti koji imaju vodljivost nečistoća.

Nečistoće, koje lako daju elektrone, nazivaju se donatorima. Nečistoće donora mogu biti kemijski elementi s atomima, čija razina valencije sadrži više elektrona od atoma osnovnog materijala. Na primjer, fosfor i bizmut su nečistoće donora silicija.

Energija koja je potrebna za elektron da skoči u provodnu regiju naziva se aktivacijska energija. Poluvodiči nečistoće trebaju mnogo manje od glavne supstance. S laganim zagrijavanjem ili osvjetljenjem, otpuštaju se uglavnom elektroni atomske poluvodičke nečistoće. Mjesto elektrona koji je napustio atom zauzima rupu. No praktički nema rekombinacije elektrona u rupama. Prolazna vodljivost donora je zanemariva. To je zato što mali broj atoma nečistoća ne dopušta slobodnim elektronima da se često približe rupi i zauzimaju ga. Elektroni su blizu rupe, ali ih ne mogu popuniti zbog nedovoljne razine energije.

Neznatan dodatak nečistoće donatora za nekoliko redova veličine povećava broj elektrona provodnika u usporedbi s brojem slobodnih elektrona u unutarnjem poluvodiču. Ovdje su elektroni glavni nositelji naboja atoma poluvodiča nečistoća. Te tvari su klasificirane kao n-tip poluvodiča.

Nečistoće koje vežu elektrone poluvodiča, povećavajući broj rupe u njemu, nazivaju se akceptorima. Nečistoće pribora su kemijski elementi s manjim brojem elektrona na valencijskoj razini od osnovnog poluvodiča. Bor, galij, indij su nečistoće akceptora za silicij.

Karakteristike poluvodiča ovise o nedostatcima njegove kristalne strukture. To je razlog za potrebu da izraste izuzetno čiste kristale. Parametri vodljivosti poluvodiča kontroliraju dodavanjem aditiva za legiranje. Silikonski kristali se dopiraju fosforom (element V podskupine), koji je donor za stvaranje kristala silikona n-tipa. Kako bi se dobio kristal s vodljivom vodom, akceptor bor je uveden u silicij. Poluvodiči s kompenziranom Fermi razinom da bi se kretali do sredine zabranjenog pojasa kreiraju se na sličan način.

Poluvodiči s jednim elementom

Najčešći poluvodič je, naravno, silikon. Zajedno s germaniumom, postao je prototip široke klase poluvodiča s sličnim kristalnim strukturama.

Struktura Si i Ge kristala je ista kao i dijamant i alfa - tin. U njemu, svaki atom je okružen s 4 najbližeg atoma, koji tvore tetraedar. Ta se koordinacija naziva četverostruko. Kristali s tetraznom vezom postali su osnovni za elektroniku i igraju ključnu ulogu u modernoj tehnologiji. Neki elementi V i VI skupine periodnog stola također su poluvodiči. Primjeri poluvodiča ovog tipa su fosfor (P), sumpor (S), selen (Se) i telur (Te). U tim poluvodičima atomi mogu imati trostruku (P), dvostruku (S, Se, Te) ili četverostruku koordinaciju. Kao rezultat toga, takvi elementi mogu postojati u nekoliko različitih kristalnih struktura, a mogu se dobiti i u obliku stakla. Na primjer, Se je uzgojen u monoklinskim i trigonalnim kristalnim strukturama ili u obliku stakla (koji se također može smatrati polimerom).

- Dijamant ima izvrsnu toplinsku vodljivost, izvrsna mehanička i optička svojstva, visoka mehanička čvrstoća Širina energetskog jaza je dE = 5,47 eV.

- Silicij je poluvodič koji se koristi u solarnim baterijama, iu amorfnom obliku - u tankim filmskim solarnim ćelijama. Najčešći je poluvodič u fotocelulama, jednostavan za proizvodnju, ima dobre električne i mehaničke osobine. dE = 1,12 eV.

- Germanium je poluvodič koji se koristi u gama spektroskopiji, fotocelulama visoke učinkovitosti. Koristi se u prvim diodama i tranzistorima. Zahtijeva manje čišćenja od silicija. dE = 0,67 eV.

- Selen je poluvodič koji se koristi u selenijskim ispravljačima, koji imaju visoku otpornost na zračenje i sposobnost samoporučenja.

Dva elementa

Svojstva poluvodiča formiranih elementima skupine 3 i 4 periodičke tablice podsjećaju na svojstva tvari 4 grupe. Prijelaz iz 4 skupine elemenata na priključke 3-4 gr. To čini komunikaciju dijelom zato ionski naboj transport elektrona iz atoma na atom 3 Skupina 4 grupe. Ionizam mijenja svojstva poluvodiča. To uzrokuje povećanje energije i ion-ion interakcije energija gap elektron band strukture Coulombovom. Primjer binarni spojevi ovog tipa - indij antimonid, InSb, galij arsenida GaAs, galij antimonid GaSb, indij fosfid INP, aluminij antimonid AlSb, galij fosfid praznina.

Ionicity povećava i njegova vrijednost raste više grupa u spojevima 2-6 spojevi, kao što su kadmij, cink selenid sulfid, kadmij sulfid, kadmij, cink Telluride selenid. Kao rezultat toga, u većini spojeva skupina 2-6 zabranjena zona je šira od 1 eV, osim živinih spojeva. Merkur Telluride - bez energije jaz poluvodiča, polu-metala, kao što su alfa - tin.

Poluvodiči 2-6 skupina s velikim energetskim prorezom nalaze primjenu u proizvodnji lasera i zaslona. Binarni grupe 6 2- spoja sa suženim energijom međuprostora prikladan za infracrvenog prijemnika. Binarni spojevi elemenata skupina 1-7 (bakrov bromid CuBr, AGI srebrni jodid, bakreni klorid CuCl) zbog visoke ionicity imaju šire pojasni W eV. Oni zapravo nisu poluvodiči, ali izolatori. Rast kristala sidrenje energije zbog interakcije Coulombovom interionic olakšava strukturiranje atoma rock soli sa šestom, a ne kvadratnom koordinacijom. Spojevi 4-6 skupina - olovni sulfid i olovni tellurid, kositreni sulfid - također su poluvodiči. Stupanj ionicnosti ovih supstanci također doprinosi formiranju šestostruke koordinacije. Značajna ionicitet ne sprječava prisutnost vrlo uskih zabranjenih bendova, što im omogućuje da se koriste za primanje infracrvenog zračenja. Galijev nitrid - spoj od 3-5 skupina s velikim energetskim jazom, pronašao je aplikaciju u poluvodičkih lasera i LED koji rade u plavom dijelu spektra.

- GaAs, galij arsenida - po potrebi nakon drugog silicija poluvodič obično koristi kao supstrat za druge vodiča, na primjer, GaInNAs i InGaAs u setodiodah infracrvenom, visoke frekvencije tranzistora i ICS, visoko učinkovitih solarnih ćelija, laserskih dioda, detektori nuklearne lijek. dE = 1,43 eV, što poboljšava snaga uređaja u odnosu na silicij. Krhki, sadrži više onečišćenja teško proizvesti.

- ZnS, cinkov sulfid - cinkova sol sumporovodika sa zabranjenim sastava zona i 3,54 3,91 eV koriste u laseri i kao fosfora.

- SnS, tin sulfid je poluvodič koji se koristi u fotoresistorima i fotodiodama, dE = 1,3 i 10 eV.

oksidi

Metalni oksidi su uglavnom izvrsni izolatori, ali postoje iznimke. Primjeri poluvodiča ovog tipa su nikal oksid, bakreni oksid, kobaltni oksid, bakreni dioksid, željezni oksid, europijev oksid, cinkov oksid. Budući da postoji bakreni dioksid u obliku kupritskog minerala, njegova su svojstva intenzivno proučavana. Postupak za uzgoj poluvodiča ove vrste još uvijek nije potpun, pa je njihova primjena još uvijek ograničena. Iznimka je cinkov oksid (ZnO), skupine spojeva 2-6, koji se koriste kao pretvarač i za proizvodnju ljepljivih trake i zakrpa.

Situacija je drastično promijenjena nakon što je otkrivena supravodljivost u mnogim spojevima bakra s kisikom. Prvi visokotemperaturni supravodič, otkrio Mueller i Bednorz, bio je spoj koji se temelji na poluvodiču La₂CuO₄ s energetskim razmakom od 2 eV. Zamjenom trovalentnog lantana dvovalentnim barijem ili stroncijom, nosači nabijene rupice se uvode u poluvodič. Postizanje potrebne koncentracije rupe skreće La₂CuO₄ u supravodiču. U današnje vrijeme, najviša temperatura prijelaza na supravodljivo stanje pripada spoju HgBaCa₂Cu₃O₈. Pri visokim pritiscima, njegova vrijednost iznosi 134 K.

ZnO, cink oksid otpornik koristi, plave svjetlosne diode, senzore plina, biološke senzore, obloge prozore, da bi odražavala infracrveno svjetlo, kao dirigent u LCD zaslonima i solarnih baterija. dE = 3,37 eV.

Slojeviti kristali

Dvostruki spojevi poput olovnog diijodida, galijeva selenida i molibdenskog disulfida odlikuju se slojevitom strukturom kristala. U slojevima djeluje kovalentne veze znatna sila, mnogo je jača od van der Waalsovih veza između samih slojeva. Poluvodiči ove vrste zanimljivi su u tome što se elektroni ponašaju u slojevima gotovo dvodimenzionalno. Interakcija slojeva mijenja se uvođenjem atoma trećih strana - interkalacijom.

MoS₂ Disulfid molibden se koristi u visokofrekventnim detektorima, ispravljačima, memristorima, tranzistorima. dE = 1,23 i 1,8 eV.

Organski poluvodiči

Primjeri poluvodiča na osnovi organskih spojeva su naftalen, poliacetilen (CH₂)_n, antracena, polidiacetilena, ftalosidanida, polivinilkarbazola. Organski poluvodiči imaju prednost nad anorganskim: oni se lako mogu dati potrebnim svojstvima. Tvari s konjugiranim vezama tipa C = її, imaju značajnu optičku nelinearnost i zbog toga se koriste u optoelektronici. Osim toga, energetske zone za polaganje organskih poluvodiča se mijenjaju promjenom formulacije spoja, što je mnogo lakše nego kod konvencionalnih poluvodiča. Kristalni allotropi ugljika fullerena, grafena, nanotubova također su poluvodiči.

- Fullerene ima strukturu u obliku konveksnog zatvorenog politopa izjednačenog broja ugljikovih atoma. Doping fullerena C₆₀ Alkali metal pretvara ga u supravodič.

- Grafen se sastoji od monatomskog ugljika, povezanog s dvodimenzionalnom šesterokutnom rešetkom. Ima rekordnu toplinsku provodljivost i mobilnost elektrona, visoku krutost

- Nanotubovi su valjani u cijev grafitnih ploča, promjera od nekoliko nanometara. Ovi oblici ugljika imaju veliku perspektivu u nanoelektronici. Ovisno o adheziji, može se pokazati metalik ili poluvodička svojstva.

Magnetski poluvodiči

Spojevi s magnetskim ionima europiuma i mangana imaju zanimljiva magnetska i poluvodička svojstva. Primjeri poluvodiča ovog tipa su europijev sulfid, europijev selenid i krute otopine poput Cd_1-xshy-Mn_xTe. Sadržaj magnetskih iona utječe na način na koji magnetska svojstva kao što su antiferromagnetizam i feromagnetizam se manifestiraju u tvari. Polu-magnetske poluvodiče su čvrste magnetske otopine poluvodiča koji sadrže magnetske ione u maloj koncentraciji. Takva čvrsta rješenja privlače pažnju njihovim izgledima i velikim potencijalom mogućih primjena. Na primjer, za razliku od ne-magnetskog poluvodiča, oni mogu postići milijun puta veću Faradayovu rotaciju.

Jaki magneto-optički učinci magnetskog poluvodiča omogućuju korištenje njih za optičku modulaciju. Perovskiti poput Mn_0,7Ca_0,3O₃ njihova svojstva premašuju prijelaz metala i poluvodiča, čija izravna ovisnost o magnetskom polju ima za posljedicu fenomen divovskog magneto-otpornosti. Koriste se u radio-inženjeringu, optičkim uređajima, kojima upravlja magnetsko polje, u valovodu mikrovalnih uređaja.

Ferroelektrični poluvodički

Ova vrsta kristala karakterizira prisustvo električnih trenutaka u njima i pojava spontane polarizacije. Na primjer, takva svojstva posjeduju olovni PbTiO titanatni poluvodiči₃, barijev titanat BaTiO₃, germanijsko tellurid GeTe, SnTe telluride, koji na niskim temperaturama imaju svojstva feroelektričnog. Ti se materijali koriste u nelinearnim optičkim memorijskim uređajima i piezoelektričnim senzorima.

Raznolikost poluvodičkih materijala

Pored gore spomenutih poluvodičkih tvari, postoje mnogi drugi koji ne spadaju ni u jednu od navedenih vrsta. Spojevi elemenata prema formuli 1-3-5₂ (AgGaS₂) i 2-4-5₂ (ZnSiP₂) tvore kristale u strukturi kalcopirita. Veze spojeva su tetraedrena, analogna poluvodičkim poluvodičima s 3-5 i 2-6 kristalnih struktura cinka blende. Spojevi koji tvore elemente poluvodiča skupine 5 i 6 (slično kao As₂se₃), - poluvodič u obliku kristala ili stakla. Kalkenidi bizmut i antimon se koriste u poluvodičkim termoelektričnim generatorima. Svojstva poluvodiča ove vrste su izuzetno zanimljiva, ali nisu stekle popularnost zbog ograničene primjene. Međutim, činjenica da oni postoje potvrđuje prisutnost čak i prije kraja neistraženih područja poluvodičke fizike.