Eksempler på halvledere. Typer, egenskaper, praktiske anvendelser

Den mest kjente er den halvleder silisium (Si). Men bortsett fra ham, er det mange andre. Eksempler er naturlige, slike halvledermaterialer som blende (ZnS), cuprite _(CU2O), blyglans (PbS) og mange andre. Familien av halvledere, inklusive halvledere fremstilt i laboratorier, representerer en av de mest forskjellige klasser av materialer som er kjent for mennesket.

Karakterisering av halvledere

Av de 104 elementer i det periodiske system er metaller 79, 25 - ikke-metaller fra hvilken de 13 kjemiske elementene i besittelse av halvledende egenskaper og 12 - dielektriske. Hovedhalvleder trekk består i at deres ledningsevne øker betydelig med økende temperatur. Ved lave temperaturer, oppfører seg som isolatorer, og ved høyt - som ledere. Disse halvledere er forskjellig fra metall: metall motstanden øker proporsjonalt med økningen i temperatur.

En annen forskjell fra halvledermetallet, er at motstanden i halvleder avtar under påvirkning av lys, mens i det sistnevnte metall er ikke berørt. Også ledningsevnen til halvleder varierer når det administreres til en liten mengde urenhet.

Halvledere finnes blant kjemiske forbindelser med forskjellige krystallstrukturer. Disse kan være elementer slik som silisium og selen, eller dobbeltforbindelser, slik som galliumarsenid. Mange organiske forbindelser, slik som polyacetylen, (CH) _n, - halvledermaterialer. Visse halvledere oppviser magnet (Cd _{1-x x} Mn Te) eller ferroelektriske egenskaper (SbSI). Andre legerings med tilstrekkelige blir superledere (gete og SrTiO _3). Mange av de nylig oppdagede høytemperatursupraledere ha metallisk halvledende fase. For eksempel, La ₂ CuO ₄ er en halvleder, men dannelsen av legeringen med Sr blir sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Fysikk lærebøker gi definisjon som halvledermateriale med en elektrisk resistivitet på fra 10 til ^-4 10 ⁷ ohm · m. Kanskje en alternativ definisjon. Bredden av det forbudte bånd av halvleder - fra 0 til 3 eV. Metaller og semimetals - et materiale med null energigapet, og stoffet i hvilken den overstiger W eV kalt isolatorer. Det finnes unntak. For eksempel, har en halvleder diamant et bredt forbudte sone 6 eV, en semi-isolerende GaAs - 1,5 eV. Gan, et materiale for optoelektroniske innretningene i det blå området, har en forbudt båndbredde på 3,5 eV.

energigapet

Valens orbitaler av atomer i krystallgitteret er delt inn i to grupper av energinivåer - en fri sone, som ligger ved det høyeste nivået, og bestemmer den elektriske ledningsevne av halvledere, og den valensbåndet nedenfor. Disse nivåer, avhengig av symmetrien i krystallgitterstrukturen og atomer kan overlappe eller være i avstand fra hverandre. I det sistnevnte tilfellet er det en energi gap, eller med andre ord, mellom de forbudte båndsoner.

Plasseringen og fyllenivået bestemmes av de ledende egenskaper til materialet. I henhold til denne funksjonen stoff dividert med antall ledere, isolatorer, og halvledere. Bredden av det forbudte bånd av halvleder varierer 0,01 til 3 eV, energigapet til det dielektriske enn 3 eV. Metaller på grunn av overlappingen av energi i åpningene nivåene er ikke.

Halvledere og isolatorer, i motsetning til metaller, blir elektronene fylles valensbåndet og det nærmeste fri sone, eller ledningsbåndet, er valensen energi inngjerdet fra ruptur - del av forbudte energier av elektroner.

I dielektrika termisk energi eller ubetydelig elektrisk felt er ikke nok til å gjøre et hopp gjennom denne spalte, at elektronene er ikke gjenstand for den ledningsbåndet. De er ikke i stand til å bevege seg inn i krystallgitteret og bli bærere av den elektriske strøm.

Å energisere den elektriske ledningsevne, bør et elektron i valensnivå bli gitt energi, som ville være tilstrekkelig til å overvinne den energigapet. Bare når mengden av energiabsorpsjonen ikke er mindre enn verdien av energigapet, vil passere fra valenselektron nivået på ledning nivå.

I så fall, dersom bredden av energigapet overskrider 4 eV, konduktivitet halvleder eksitasjon bestråling eller oppvarming er praktisk talt umulig - eksitasjonsenergien av elektroner ved smeltetemperaturen er ikke tilstrekkelig til å hoppe energigapet gjennom sonen. Når oppvarmes, hvor krystall smelter før den elektronisk ledningsevne. Slike substanser omfatter kvarts (DE = 5,2 eV), diamant (DE = 5,1 eV), mange salter.

Ytre og indre ledningsevne halvleder

Netto halvledere krystaller har iboende ledningsevne. Slike halvledere egennavn. Intrinsic halvleder inneholder et likt antall hull og frie elektroner. Ved oppvarming av indre ledningsevne for halvledere øker. Ved konstant temperatur, er det en tilstand av dynamisk likevekt mengde generert elektron-hull-par og antallet recombining elektroner og hull, som forblir konstant under disse betingelser.

Tilstedeværelsen av urenheter påvirker i betydelig grad den elektriske ledningsevne for halvledere. Tilsetning av dem gjør det mulig i stor grad å øke antallet av frie elektroner ved et lite antall hull og øke antallet hull med et lite antall av elektroner i ledningsnivå. Forurensning halvledere - de ledere med uren ledningsevne.

Urenheter lett donere elektroner kalles donor. Donor forurensninger kan være kjemiske elementer med atomene, valensnivåer som inneholder flere elektroner enn atomene i grunnmaterialet. For eksempel, fosfor og vismut - en silisiumdonorurenheter.

Energien som kreves for å hoppe av et elektron i den ledning region, kalles aktiveringsenergi. Urenhet halvledere trenger mye mindre av det enn grunnmaterialet. Med en svak oppvarming eller lys hovedsakelig frigjort elektroner i atomer av urenhets halvledere. Plasser venstre atomet tar en elektron-hull. Men elektronet hull rekombinasjon ikke finner sted. donor hull ledningsevne er ubetydelig. Dette er fordi en liten mengde urenhet atomer ikke tillater frie elektroner ofte nærmere hullet og for å holde den. Elektroner er noen hull, men er ikke i stand til å fylle dem på grunn av utilstrekkelig energinivå.

En liten tilsetning donor forurensning flere ordre øker antallet av lednings elektroner i sammenligning med antallet av frie elektroner i den indre halvleder. Elektroner her - de viktigste bærere av atom anklager om urenhet halvledere. Disse substanser hører til n-type halvledere.

Urenheter som binder elektroner i halvlederen, øker antallet av hull i den, kalt akseptor. Akseptor forurensninger er kjemiske elementer med et mindre antall elektroner i valens nivå enn bunnen av halvledere. Bor, gallium, indium - akseptor urenheter i silisium.

De karakteristiske trekk ved halvleder er avhengig av dens krystall-strukturdefekter. Dette fører til nødvendigheten av å vokse ekstremt rene krystaller. Parametrene for halvlederledning reguleres ved tilsetning av tilsetningsstoffer. Silisiumkrystaller dopet med fosfor (V undergruppe element) som er en giver for å skape krystall silisium av n-typen. For krystall med et p-type silisium administreres bor-akseptor. Halvledere kompensert Fermi-nivået for å bevege den inn i midten av båndet gap opprettet på denne måte.

med ett element halvledere

Den vanligste halvledere er, selvfølgelig, silisium. Sammen med Tyskland, han var prototypen på en stor klasse av halvledere som har lignende krystallstrukturer.

Struktur krystall Si-Ge og er den samme som den for diamant og α-tinn. Det omgi hvert atom 4 nærmeste atomer som danner et tetraeder. En slik samordning er kalt fire ganger. Krystaller tetradricheskoy bond stål basen for elektronikkindustrien og spiller en nøkkelrolle i moderne teknologi. Noen av elementene V og VI i det periodiske system gruppe er også halvledere. Eksempler på denne type halvledere - fosfor (P), svovel (S), selen (Se) og tellur (Te). Disse halvledere kan være trippel-atomer (P), disubstituert (S, Se, Te) eller en fire-gangers koordinasjon. Som et resultat av slike elementer kan eksistere i flere forskjellige krystallinske strukturer, og også fremstilles i form av glass. For eksempel, SE dyrket i monokline og trigonale krystallstrukturer eller som et vindu (som også kan betraktes som en polymer).

- Diamond har utmerket termisk ledningsevne, utmerkede mekaniske og optiske egenskaper, høy mekanisk styrke. Bredden av energigapet - dE = 5,47 eV.

- Silicon - halvleder anvendes i solceller, og amorf form, - i en tynnfilm-solceller. Det er den mest brukte i halvleder solceller, lett å fremstille, har gode elektriske og mekaniske egenskaper. DE = 1,12 eV.

- Germanium - halvleder som brukes i gammastråle-spektroskopi med høy ytelse solceller. Brukes i de første dioder og transistorer. Det krever mindre rent enn silisium. DE = 0,67 eV.

- Selen - en halvleder, som brukes i selenlikerettere som har en høy strålingsmotstand og evne til å helbrede seg selv.

To-element-forbindelser

Egenskaper av halvledere formede elementer 3 og 4 i det periodiske system gruppene ligner egenskapene for forbindelsene 4 grupper. Overgangen fra de 4 grupper av elementer til forbindelser 3-4 gr. Det gjør kommunikasjon dels fordi ioniske ladningstransport elektroner fra et atom til atom 3 Gruppe 4 Gruppe. Ionisiteten endrer egenskapene til halvledere. Det fører til en økning i Coulomb energi og ion-ion-interaksjoner energigapet elektronbåndstruktur. Eksempel binære forbindelser av denne type - indium antimonide, InSb, GaAs galliumarsenid, gallium antimonide GaSb, indiumfosfid INP, aluminium antimonide AlSb, gallium fosfid gap.

Ionisitet øker og dens verdi vokser flere grupper i forbindelse 26 forbindelser, slik som kadmiumselenid, sinksulfid, kadmiumsulfid, kadmium tellurid, sinkselenid. Som et resultat, de fleste av forbindelsene 2-6 grupper forbudte bånd som er bredere enn 1 eV, med unntak av kvikksølvforbindelser. Kvikksølv Telluride - uten energi gap halvleder, semi-metall, som α-tinn.

Halvledere 2-6 grupper med en større energigapet finner anvendelse ved fremstilling av lasere og skjermer. Binære grupper 6 2- forbindelse med en innsnevret åpning energi egnet for infrarød-mottaker. Binære forbindelser av elementer fra gruppene 1-7 (kuprobromid CuBr, AGI sølvjodid, kobberklorid CuCI) på grunn av høy ionisitet ha bredere båndgap W eV. De gjør faktisk ikke halvledere og isolatorer. Krystallvekst forankring energi på grunn av Coulomb-vekselvirkning interionic letter strukturering atomer salt med sjette orden, i stedet for den kvadratiske koordinat. Forbindelser 4-6 grupper - sulfid, tellurid bly, tinn sulfide - som halvledere. Ionisiteten av disse stoffene fremmer også dannelsen seks ganger koordinering. Mye ionisitet ikke utelukker nærværet de har en meget snever båndgap, kan de brukes for å motta infrarød stråling. Galliumnitrid - en forbindelsesgrupper 3-5 med et bredt energigapet, finne anvendelse i halvlederlasere og lysemitterende dioder som opererer i den blå delen av spekteret.

- GaAs, galliumarsenid - på etterspørsel etter den andre silisium halvleder er ofte brukt som et substrat for andre ledere, for eksempel, GaInNAs og InGaAs, i setodiodah infrarød, høyfrekvente transistorer og integrerte kretser, sterkt effektive solceller, laserdioder, detektorer av kjerne kur. DE = 1,43 eV, hvilket forbedrer kraftinnretninger sammenlignet med silisium. Sprø, inneholder flere urenheter som er vanskelige å fremstille.

- ZnS, sinksulfid - sinksalt av hydrogensulfid med de forbudte soner og bånd 3,54 3,91 eV, som brukes i lasere og som et fosfor.

- SnS, tinnsulfid - halvleder brukt i photoresistors og fotodioder, dE = 1,3 og 10 eV.

oksyder

Metalloksydene fortrinnsvis er gode isolatorer, men der finnes unntak. Eksempler på denne type av halvledere - nikkeloksyd, kobberoksyd, koboltoksyd kobber karbondioksid, jernoksid, europium, sinkoksyd. Siden kopper dioksid foreligger som mineralet cuprite, ble dens egenskaper studert intensivt. Prosedyren for dyrking av denne type halvleder er ennå ikke helt klart, så bruken er fortsatt begrenset. Et unntak er sinkoksyd (ZnO), forbindelsesgrupper 2-6, blir anvendt som transduseren og ved fremstilling av klebebånd og plaster.

Situasjonen endret seg dramatisk etter supraledningsevne ble oppdaget i mange forbindelser av kobber med oksygen. Den første høytemperatur superleder åpne Bednorz og Muller, ble halvlederforbindelse basert på _La2 CuO _4, energigapet til 2 eV. Substituere toverdig treverdig lantan, barium eller strontium, ført inn i halvlederladningsbærere av hull. For å oppnå den nødvendige hull konsentrasjonen gjør La ₂ CuO ₄ superleder. På dette tidspunkt, den høyeste temperatur for overgang til den superledende tilstand tilhører forbindelse HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Ved høyt trykk, er dens verdi 134 K.

ZnO, er sinkoksyd varistor anvendes, blå lysdioder, gassensorer, biologiske sensorer, belegg vinduer for å reflektere infrarødt lys, som en leder i LCD-displayer og solceller. DE = 3,37 eV.

lagdelte krystaller

Dobbeltforbindelser som dijodid bly, gallium og selen molybdendisulfid avvike lagdelt krystallstruktur. Lagene er kovalente bindinger med betydelig styrke, mye sterkere enn de van der Waals bindinger mellom lagene selv. Halvledere slik type er interessant fordi elektronene oppfører seg i lag av en kvasi-todimensjonal. Interaksjon av lagene blir endret ved å innføre utenfor atomer - interkalering.

MoS ₂ er molybdendisulfid anvendes i høyfrekvens detektorer, likerettere, Memristor, transistorer. dE = 1,23 og 1,8 eV.

organiske halvledere

Eksempler på halvledere på basis av organiske forbindelser - naftalen, polyacetylen _{(CH2) n-,} antracen, polydiacetylen, ftalotsianidy, polyvinylkarbazol. Organiske halvledere har en fordel i forhold til ikke-organiske stoffer: de er lette å gi den ønskede kvalitet. Substanser med konjugat-bindinger dannes -C = C-C = besitter betydelig optisk ikke-linearitet, og på grunn av dette, i optoelektronikk anvendt. Videre er energibåndet gap organisk halvleder-forbindelse av formel variere endringen som mye lettere enn for konvensjonelle halvledere. Krystallinske allotropes av karbon, fullerener graphene, nanorør - også halvledere.

- Fullerene har en struktur i form av et lukket, konvekst, polyhedron ugleoroda like antall atomer. En doping Fulle C ₆₀ med et alkalimetall forvandler den til en superleder.

- grafitt karbon monoatomic skumlag dannes, er forbundet på en to-dimensjonal heksagonale gitter. Record har ledningsevne og elektronmobiliteten, høy stivhet

- Nanorør er rullet inn i et rør grafittplate med en diameter på flere nanometer. Disse formene for karbon har store løftet i nanoelektronikk. Avhengig av koplingen kan være metallisk eller halvlederkvalitet.

magnetiske halvledere

Forbindelser med magnetiske ioner av europium og mangan har nysgjerrige magnetiske og halvledende egenskaper. Eksempler på denne type av halvledere - europium sulfid, selenid europium og faste oppløsninger, for eksempel Cd _{1-x x} Mn Te. Innholdet av de magnetiske ioner som virker på begge substanser oppviser magnetiske egenskaper, slik som ferromagnetisme og antiferromagnetism. Semimagnetic halvledere - er et hardt magnetisk halvledere oppløsninger som inneholder magnetiske ioner i lav konsentrasjon. Slike solide løsninger tiltrekke seg oppmerksomheten til prospektet og stort potensial for mulige bruksområder. For eksempel, i motsetning til de ikke-magnetiske halvledere, kan de nå en million ganger større Faraday rotasjon.

Sterke magnetooptical effekter av magnetiske halvledere tillate deres bruk for optisk modulasjon. Perovskitter, som Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, dens egenskaper er overlegne i forhold til metall-halvleder-overgang, som direkte avhengighet av de magnetiske felt fører til fenomenet av gigant-magneto-resistivitet. De brukes i radio, optiske innretninger, som styres av et magnetisk felt, en mikrobølgeovn bølgelederinnretninger.

halvlederferro

Denne type krystaller som er kjennetegnet ved tilstedeværelsen i deres elektriske momenter og forekomst av spontane polarisasjon. For eksempel kan slike egenskaper er halvledere blytitanat PbTiO _3, bariumtitanat Batio _3, germanium tellurid, gete, tinn tellurid SnTe, som ved lave temperaturer, har ferroelektriske egenskaper. Disse materialer anvendes i ikke-lineære optiske, piezoelektriske sensorer og minne-enheter.

Et utvalg av halvledermaterialer

I tillegg til halvledermaterialer som er nevnt ovenfor, er det mange andre som ikke faller inn under en av disse typene. Forbindelser med formel 1-3-5 elementene ₂ (AgGaS ₂₎ og 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ danner et kobberkis krystallstruktur. Kontakt med tetraeder forbindelser analoge halvledere 3-5 og 2-6 grupper med en sinkblendekrystallstruktur. Forbindelser som danner halvlederelementer 5 og 6 grupper (tilsvarende som ₂ SE _3), - at halvleder i form av krystall eller glass. Chalcogenides av vismut og antimon anvendes i halvledertermoelektriske generatorer. Egenskapene til denne type halvleder er svært interessant, men de har ikke vunnet popularitet på grunn av begrenset anvendelse. Men det faktum at de eksisterer, bekrefter tilstedeværelsen av ennå ikke ferdig etterforsket innen halvlederfysikk.