Exemplos de semicondutores. Tipos, propiedades, aplicacións prácticas

O máis coñecido é o de silicio de semicondutores (si). Pero, ademais del, hai moitos outros. Exemplos son naturais, tales como materiais semicondutores blenda (ZnS), cuprite _(Cu2O), galena (PBS) e moitos outros. A familia de semicondutores, incluíndo semicondutores preparados en laboratorios, representa unha das máis diversas clases de materiais coñecidos para o home.

Caracterización de semicondutores

Dos 104 elementos da táboa periódica son metais 79, 25 - non metais a partir dos cales os 13 elementos químicos posúen propiedades semicondutoras e 12 - dieléctricos. O recurso de semicondutor principal consiste en que a súa condutividade aumenta significativamente co aumento da temperatura. A baixas temperaturas, eles compórtanse como illados, ea alta - como condutores. Estes semicondutores son diferentes das do metal: a resistencia do metal aumenta proporcionalmente ao aumento da temperatura.

Outra diferenza con respecto ao metal de semicondutor é que a resistencia do semicondutor diminúe baixo a influencia da luz, mentres que o último o metal non é afectada. Ademais, a condutividade de semicondutores varía cando administrado a unha pequena cantidade de impureza.

Semicondutores son atopados entre os compostos químicos, con diferentes estruturas cristalinas. Estes poden ser elementos tales como o silicio e selenio, ou compostos dobres como o arsenieto de galio. Moitos compostos orgánicos, tales como poliacetileno, (CH) _n, - materiais semicondutores. Certos semicondutores exhiben magnético (CD _1-x Mn _x Te) ou propiedades ferroeléctricos (SBSI). Outra liga con suficientes fan supercondutores (Gete e _SrTiO3). Moitos dos supercondutores de alta temperatura recén descubertas teñen fase semicondutor metálico. Por exemplo, de La ₂ CuO ₄ é un semicondutor, pero a formación da liga faise co Sr sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

manuais de física dar definición como o material semicondutor cunha resistividade eléctrica de desde 10 ^-4 a 10 ohms ⁷ · m. Quizais unha definición alternativa. O ancho da banda prohibida do semicondutor - 0-3 eV. Metais e Semimetais - un material con apertura de enerxía cero, ea substancia no que supera W eV chamados illados. Hai excepcións. Por exemplo, un diamante de semicondutores ten unha ampla zona prohibida 6 eV, un semi-illante GaAs - 1,5 eV. Gan, un material para dispositivos optoelectrónicos na rexión azul, ten un ancho de banda prohibida de 3,5 eV.

a diferenza de enerxía

orbitais de Valencia dos átomos na rede de cristal son divididos en dous grupos de niveis de enerxía, - unha zona libre, situado no nivel máis alto, e determina a condutividade eléctrica de semicondutores, ea banda de Valencia, a continuación. Estes niveis, dependendo da simetría da estrutura de rede cristalina e átomos poden intercepta-se ou ser afastados uns dos outros. Neste último caso, hai unha diferenza de enerxía, ou noutras palabras, entre as zonas de pista prohibidos.

A localización e o nivel de enchido está determinada polas propiedades condutoras do material. Segundo esta sustancia característica dividido polos condutores, illados e semicondutores. O ancho da banda prohibida do semicondutor varía 0,01-3 eV, o intervalo de enerxía do dieléctrico que 3 eV. Os metais, debido á superposición dos niveis de gaps de enerxía non son.

Semicondutores e illantes, en contraste cos metais, os electróns son cubertos banda de Valencia e da zona libre máis próxima ou a banda de condución, a enerxía de Valencia é vedada de ruptura - porción de enerxías prohibidos de electróns.

En dieléctrica enerxía térmica ou campo eléctrico insignificante non é suficiente para facer o salto a través desta lagoa, os electróns non están suxeitos á banda de condución. Son incapaces de moverse a través da rede cristalina e converterse en portadores de corrente eléctrica.

Para energizar a condutividade eléctrica, un electrón no nivel de Valencia debe ser dada a enerxía, o que sería suficiente para superar a diferenza de enerxía. Só cando a cantidade de absorción de enerxía non é menor que o valor de diferenza de enerxía, vai pasar a partir do nivel de electróns de valencia sobre o nivel de condución.

Neste caso, se o ancho do oco de enerxía supera 4 eV, excitación irradiación condutividade semicondutor ou calefacción é practicamente imposible - a enerxía de excitación dos electróns na temperatura de fusión non é suficiente para ir a diferenza de enerxía a través da zona. Cando Calefacción, o cristal funde antes de que a condutividade electrónica. Tales substancias inclúen cuarzo (DE = 5,2 eV), diamante (de = 5,1 eV), moitos sales.

Extrínseco e intrínseco semicondutor condutividade

cristais líquidos semicondutores teñen condutividade intrínseca. Tales semicondutores nomes propios. semicondutora intrínseca contén un número igual de orificios e electróns libres. Ao quentar condutividade intrínseca de semicondutores aumenta. A unha temperatura constante, hai unha condición de equilibrio dinámico cantidade de pares de electrón-oco xerados eo número de recombinación de electróns e os buratos, que permanecen constantes baixo estas condicións.

A presenza de impurezas afecta significativamente a condutividade eléctrica de semicondutores. Engadindo-lles permite aumentar considerablemente o número de electróns libres a un pequeno número de buratos e aumentar o número de buratos con un pequeno número de electróns no nivel de condución. semicondutores de impurezas - os condutores coa condutividade impureza.

Impurezas son facilmente doar electróns son chamados de doantes. impurezas do doador poden elementos químicos cos átomos, os niveis de Valencia que conteñen máis electróns que os átomos do material de base. Por exemplo, o fósforo e bismuto - un impurezas dadoras de silicio.

A enerxía necesaria para o salto dun electrón na rexión de condución, é chamada de enerxía de activación. Impureza semicondutores ten moito menos del que o material de base. Cun lixeiro quecemento ou luz predominantemente liberados electróns de átomos dos semicondutores de impurezas. Pon deixou o átomo ten un burato de electrón. Pero a recombinación burato de electrón non ocorre. furado doante condutividade é desdeñable. Isto débese a que unha pequena cantidade de átomos de impureza non permiten electróns libres, moitas veces máis preto do burato e para seguro-la. Electróns son algúns buratos, pero non son capaces de enche-los debido ao nivel de enerxía insuficiente.

Un lixeiro aditivo doante impureza varias ordes aumenta o número de electróns de condución en comparación co número de electróns libres no semicondutor intrínseca. Electróns aquí - os principais portadores de carga atómicas de semicondutores de impureza. Estas substancias pertencen aos semicondutores n-tipo.

As impurezas que se ligan electróns do semiconductor, aumentando o número de orificios, chamado aceitador. impurezas aceitadoras son elementos químicos cun menor número de electróns no nivel de Valencia que a base do semicondutor. Boro, galio, indio - impureza aceitador en silicio.

As características do semicondutor dependen seus defectos de estrutura de cristal. Isto fai que a necesidade de crecemento de cristais moi puros. Os parámetros de condución do semicondutor controlada a través da adición de dopantes. cristais de silicio dopado con fósforo (elemento subgrupo V) que é un doador para crear cristal de silicio de tipo n. Para cristal cun aceitador de boro-silicio de tipo p administrado. Semicondutores compensación nivel de Fermi para mover para o medio da apertura de pista creado deste xeito.

semicondutores dun único elemento

O semicondutor máis común é, por suposto, de silicio. Xunto con Alemaña, foi o prototipo dunha gran clase de semicondutores que teñen estruturas cristalinas semellantes.

Estrutura de cristal si e Ge son o mesmo que o do diamante e α-estaño. É rodean cada átomo 4 átomos máis próximas que forman un tetraedro. Esta coordinación chámase catro veces. Cristais tetradricheskoy base de aceiro vínculo para a industria electrónica e desempeñar un papel clave na tecnoloxía moderna. Algúns dos elementos V e VI da táboa periódica grupo son tamén semicondutores. Exemplos deste tipo de semicondutores - fósforo (P), xofre (S), selenio (Se) e telurio (Te). Estes semicondutores poden átomos de triplos (P), di-substituído (S, Se, Che) ou unha coordinación catro veces. En consecuencia, estes elementos poden existir en diversas estruturas cristalinas distintas, e tamén ser preparado en forma de vidro. Por exemplo, se cultivan en estruturas de cristal monoclínico e trigonais ou como unha fiestra (que tamén pode ser considerado como un polímero).

- diamante ten unha excelente condutividade térmica, excelentes propiedades mecánicas e ópticas, de gran resistencia mecánica. O ancho do oco de enerxía - De = 5,47 eV.

- Valley - semicondutor usado en células solares, ea forma amorfa, - un células solares de película fina. É o máis utilizado en culas solares de semicondutores, fácil de fabricar, ten boas propiedades eléctricas e mecánicas. De = 1,12 eV.

- xermanio - semicondutores usados na espectroscopia de raios gama, as células solares de alto rendemento. Ocasión nos primeiros diodos e transistores. Require menos limpeza que o silicio. De = 0,67 eV.

- Selenio - unha semicondutor, que se emprega nos rectificadores de selenio tendo unha elevada resistencia á radiación ea capacidade de curar a si mesmo.

compostos con dous elementos

Propiedades de semicondutores formados elementos 3 e 4 de grupos da táboa periódica aseméllanse ás propiedades dos compostos 4 grupos. A transición desde os 4 grupos de elementos para os compostos 3-4 gr. El fai a comunicación en parte porque iónicos electróns de transporte de carga dun átomo a outro 3 Grupo 4 Grupo. Ionicidade modifican as propiedades de semicondutores. Provoca un aumento na estrutura de banda de electróns Coulomb enerxía e ión-ión interacción apertura de enerxía. EXEMPLO compostos binarios deste tipo - antimoneto de indio, InsB, GaAs de arsenieto de galio, galio antimoneto GASB, fosfeto de indio IPN, antimoneto de aluminio ALSB, galio fosforeto de lagoa.

Ionicidade e aumenta o seu valor crece máis grupos nos compostos 2-6 compostos, tales como seleneto de cadmio, sulfuro de cinc, sulfuro de cadmio, telureto de cadmio, seleneto de zinc. Como resultado, a maioría dos compostos 2-6 grupos prohibido banda máis ampla do que 1 eV, con excepción dos compostos de mercurio. Mercurio Telluride - sen semicondutor apertura de enerxía, semi-metais, como α-estaño.

Semiconductors 2-6 grupos con maior gap de enerxía atopan uso na produción de láseres e pantallas. grupos binarios 6 2- compostos cunha enerxía diferenza diminuíu axeitado para receptores de infravermellos. compostos binarios de elementos dos grupos 1-7 (CuBr cuproso bromuro, iodeto de prata Agi, CuCl cloruro de cobre), debido á alta ionicidade teñen máis ancha banda prohibida W eV. Realmente non semicondutores e illantes. O crecemento de cristais de ancoraxe de enerxía debido á interacción de Coulomb interiônicas facilita átomos estruturantes sal con venres orde, no canto do cuadrática de coordenadas. Compostos 4-6 grupos - sulfuro, telureto de chumbo, estaño sulfuro - como semicondutores. Ionicity destas sustancias tamén promove a coordinación formación seis veces. Moi non Ionicity exclúe a presenza teñen un moi estreitas lagoas da banda, poden ser usados para recibir a radiación infravermella. De nitruro de galio - un grupos de compostos 3-5, cun intervalo de enerxía de ancho, atopar aplicación en láseres semicondutores e diodos emisores de luz que operan na parte azul do espectro.

- GaAs, arsenieto de galio - de pedido despois do segundo semicondutor de silicio é vulgarmente utilizado como un substrato para outros condutores, por exemplo, GaInNAs e InGaAs, no infravermello setodiodah, transistores de alta frecuencia e CIS, células solares altamente eficientes, diodos láser, detectores de cura nuclear. De = 1,43 eV, que mellora os dispositivos de potencia, en comparación co silicio. Desprezable, contén impurezas máis difíciles de fabricar.

- ZnS, sulfuro de cinc - sal de zinc do sulfuro de hidróxeno coas zonas da banda prohibida e 3,54 3,91 eV utilizados en láseres e como un fósforo.

- SNS, estaño - sulfuro de semicondutores utilizados en fotorresistências e fotodiodos, De = 1,3 e 10 eV.

óxidos

Os óxidos de metais son preferentemente excelentes illados, pero hai excepcións. Exemplos deste tipo de semicondutores - óxido de níquel, óxido de cobre, óxido de cobalto, dióxido de cobre, óxido de ferro, óxido de europio, o óxido de cinc. Unha vez que o dióxido de cobre hai como o cuprite mineral, as súas propiedades foron estudadas intensivamente. O procedemento para o cultivo deste tipo de semicondutores aínda non está totalmente claro, así que o seu uso aínda é limitado. Unha excepción é o óxido de cinc (ZnO), grupos de compostos 2-6, é utilizado como o transdutor e na produción de cintas adhesivas e emplastros.

A situación cambiou drasticamente despois da supercondutividade foi descuberta en moitos compostos de cobre con osíxeno. O primeiro supercondutor de alta temperatura abrir Bednorz e Muller, foi semicondutor composto a base de La ₂ CuO _4, o intervalo de enerxía de 2 eV. Substituíndo divalente trivalente lantânio, bario ou estroncio, introducido nos portadores de carga semicondutor de buratos. Alcanzar a concentración necesaria furado fai La ₂ CuO ₄ supercondutor. Neste momento, a temperatura máis alta de transición para o estado supercondutor pertence composto HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. A alta presión, o seu valor é de 134 K.

ZnO, Varistor de óxido de cinc é utilizado, os diodos emisores de luz azul-, sensores de gas, sensores biolóxicos, fiestras de revestimentos para reflexionar a luz infravermella, como un condutor en visores LCD e baterías solares. De = 3.37 eV.

cristais en capas

compostos dobres, como o chumbo, diiodeto, seleneto de galio e dissulfureto de molibdeno difiren estrutura cristalina estratificada. As capas son enlaces covalentes dunha forza considerable, moito máis fortes que as conexións de van der Waals entre as propias capas. Semiconductors tal tipo son interesantes porque os electróns compórtanse en capas de un case-bidimensional. Interacción de capas modifícase a través da introdución de átomos de fóra - combinación.

Mos _2, molibdeno dissulfureto é utilizado en detectores de alta frecuencia, rectificadores, memristor, transistores. De = 1,23 e 1,8 eV.

semicondutores orgánicos

Exemplos de semicondutores na base de compostos orgánicos - naftaleno, poliacetileno (CH _{2) n,} antraceno, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. semicondutores orgánicos teñen unha vantaxe sobre os non-orgánicos: son fáciles de transmitir a calidade desexada. As sustancias que ligan conxugadas formar C = C-C = posuír substancial non-linearidade óptica e, debido a isto, na optoelectrónica aplicadas. Ademais, o composto orgánico semicondutor lagoa da banda de enerxía da fórmula variar cambio que moito máis fácil do que a de semicondutores convencionais. allotropes cristalinas de fulerenos de carbono, graphene, os nanotubos - tamén semicondutores.

- Fullerene ten unha estrutura en forma de un poliedro pechado ugleoroda convexa mesmo número de átomos. Unha dopagem de fulereno C ₆₀ cun metal alcalino transforma nun supercondutor.

- capa monoatómico carbono grafito está formado, é ligada nunha rede hexagonal de dúas dimensións. Rexistro ten condutividade ea mobilidade de electróns, alta rixidez

- Nanotubos son enroladas nunha placa de tubo de grafito con un diámetro de varios nanómetros. Estas formas de carbono teñen gran promesa na nanoelectrónica. En función do acoplamento pode ser de calidade metálico ou semicondutor.

semicondutores magnéticos

Os compostos con ións magnéticos europio e de manganeso ter propiedades magnéticas curiosos e semicondutores. Exemplos deste tipo de semicondutores - sulfuro de europio, europio e seleneto de solucións sólidas, tales CD _1-x Mn _x Te. O contido dos ións magnéticos afecta ambas substancias exhiben propiedades magnéticas, como ferromagnetismo e antiferromagnetismo. semicondutores Semimagnetic - é unha dura solucións semicondutores magnéticos que conteñen ións magnéticos en baixa concentración. Tales solucións sólidas atraer a atención da súa perspectiva e gran potencial de aplicacións posibles. Por exemplo, en contraste cos semicondutores non-magnéticas, poden chegar a un millón de veces máis grandes Faraday rotación.

efectos automático fortes de semicondutores magnéticos permitir a súa utilización para modulación óptica. Perovskitas, como Mn _0,7 Ca _{0,3 3,} as súas propiedades son superiores aos metais de transición de semicondutores, que a dependencia directa sobre os resultados do campo magnético no fenómeno de xigante automático resistividade. Son utilizados en radio, dispositivos ópticos, que son controladas por un campo magnético, un dispositivo de guía de ondas de microondas.

ferroelétricos semicondutores

Este tipo de cristais caracterízase pola presenza nos seus momentos eléctricos e polarización de aparición espontánea. Por exemplo, tales propiedades son semicondutores levar titanato PbTiO _3, titanato de bario _BaTiO3, telureto de xermanio, Gete, estaño telureto SNTE, que a xeada ten propiedades ferroeltricos. Estes materiais son utilizados en sensores piezoeléctricos, ópticos non lineares e dispositivos de memoria.

Unha variedade de materiais semicondutores

Ademais de materiais semicondutores mencionados anteriormente, existen moitos outros que non se enmarcan nun deses tipos. Os compostos de fórmula 1-3-5 elementos ₂ (AgGaS ₂₎ e 2-4-5 ₍₂ ZnSiP ₂₎ forman unha estrutura de cristal calcopirite. Contacto compostos tetraédricos semicondutores análogos 3-5 e 2-6 grupos cunha estrutura cristalina blende cinco. Os compostos que forman elementos semicondutores 5 e 6 grupos (semellantes a A _{2 3),} - o semicondutor en forma de cristal ou de vidro. Calcogenetos de bismuto e antimonio son usados en xeradores termoeléctricos semicondutor. As propiedades deste tipo de semicondutores é moi interesante, pero eles non gañaron popularidade debido á aplicación limitada. Con todo, o feito de que existan, confirma a presenza de non totalmente investigado a área da física de semicondutores.