Voorbeelde van halfgeleiers. Tipes, eienskappe, praktiese toepassings

Die mees bekende is die halfgeleier silikon (Si). Maar afgesien van hom, daar is baie ander. Voorbeelde hiervan is natuurlik, soos halfgeleier materiale soos blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galeniet (PbS) en vele ander. Die familie van halfgeleiers, insluitend halfgeleiers voorberei in laboratoriums, verteenwoordig een van die mees diverse klasse van materiaal aan die mens bekend.

Karakterisering van halfgeleiers

Van die 104 elemente van die periodieke tabel is metale 79, 25 - metale waaruit die 13 chemiese elemente besit half eienskappe en 12 - diëlektriese. Main halfgeleier funksie bestaan in hul geleiding aansienlik verhoog met toename in temperatuur. Teen 'n lae temperature, hulle gedra soos isolators, en teen 'n hoë - as dirigente. Hierdie halfgeleiers is anders as metaal: metaal weerstand verhoog proporsioneel tot die toename in temperatuur.

Nog 'n verskil van die halfgeleier metaal is dat die weerstand van die halfgeleier af onder die invloed van lig, terwyl in laasgenoemde die metaal is nie geraak nie. Ook die geleiding van halfgeleiers wissel wanneer dit toegedien word om 'n klein bedrag van onreinheid.

Halfgeleiers word by chemiese verbindings met verskillende kristalstrukture. Dit kan elemente soos silikon en selenium, of dubbel verbindings soos galliumarsenied wees. Baie organiese verbindings, soos polyacetylene, (CH) _n, - halfgeleier materiale. Sekere halfgeleiers uitstal magnetiese (Cd _1-x Mn _x Te) of ferro elektriese eienskappe (SBSI). Ander legering met voldoende geword supergeleiers (Gete en SrTiO _3). Baie van die nuut ontdekte hoë-temperatuur supergeleiers het metaal half fase. Byvoorbeeld, La ₂ CuO ₄ is 'n halfgeleier, maar die vorming van die legering met Sr word sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Fisika handboeke gee definisie as die halfgeleiermateriaal met 'n elektriese weerstand van uit 10 ^-4 tot 10 ⁷ ohm · m. Miskien 'n alternatiewe definisie. Die breedte van die verbode band van die halfgeleier - 0-3 eV. Metale en semimetals - 'n materiaal met 'n nul-energie gaping, en die stof waarin dit oorskry W eV genoem isolators. Daar is uitsonderings. Byvoorbeeld, 'n halfgeleier diamant het 'n wye verbode sone 6 eV, 'n semi isolerende GaAs - 1,5 eV. GaN, 'n materiaal vir optiese toestelle in die blou gebied, het 'n verbode bandwydte van 3.5 eV.

die energie gaping

Valence orbitale van atome in die kristalrooster word verdeel in twee groepe van energie vlakke - 'n vrye sone, geleë op die hoogste vlak, en bepaal die elektriese geleiding van halfgeleiers, en die valensieband, hieronder. Hierdie vlakke, afhangende van die simmetrie van die kristalrooster struktuur en atome kan sny of gespasieer van mekaar. In laasgenoemde geval is daar 'n energie gaping, of in ander woorde, tussen die verbode groep sones.

Die plek en die vul vlak word bepaal deur die geleidende eienskappe van die materiaal. Volgens hierdie funksie stof gedeel deur die geleiers, isolators en halfgeleiers. Die breedte van die verbode band van die halfgeleier wissel 0,01-3 eV, die energie gaping van die diëlektriese as 3 eV. Metale as gevolg van die oorvleueling van energie gapings vlakke is nie.

Halfgeleiers en isolators, in teenstelling met metale, die elektrone gevul valensieband en die naaste vrye sone, of die geleidingsband, is die valensie energie afgekamp van skeuring - gedeelte van verbode energie van elektrone.

In diëlektrika hitte-energie of gering elektriese veld is nie genoeg om die sprong deur hierdie gaping te maak, die elektrone is nie onderhewig aan die geleidingsband. Hulle is nie in staat om te beweeg deur middel van die kristalrooster en word draers van die elektriese stroom.

Om die elektriese geleiding energieke, moet 'n elektron in die valensie vlak gegee word om die energie, wat genoeg is om die energie gaping te oorkom sou wees. Net vir die hoeveelheid energie opname is nie kleiner as die waarde van energie gaping, sal slaag uit die valenselektron vlak op die geleiding vlak.

In daardie geval, indien die wydte van die energie gaping oorskry 4 eV, geleiding halfgeleier opwekking bestraling of verwarming is feitlik onmoontlik - die opwekking van energie van die elektrone by die smelt temperatuur is nie voldoende om die energie gaping spring deur die sone. Wanneer verhit, die kristal smelt voor die elektroniese geleiding. Sulke middels sluit kwarts (De = 5,2 eV), diamant (De = 5,1 eV), baie soute.

Ekstrinsieke en intrinsieke geleiding halfgeleier

Net halfgeleier kristalle het intrinsieke geleiding. Soos halfgeleiers eiename. Intrinsieke halfgeleiers bevat 'n gelyke aantal gate en vrye elektrone. Wanneer die verhitting van intrinsieke geleiding van halfgeleiers toeneem. Teen 'n konstante temperatuur, daar is 'n toestand van dinamiese ewewig hoeveelheid gegenereer elektron-gat pare en die aantal recombining elektrone en gate, wat konstant onder hierdie toestande bly.

Die teenwoordigheid van onsuiwerhede aansienlik invloed op die elektriese geleiding van halfgeleiers. toe te voeg kan grootliks verhoog die aantal vrye elektrone by 'n klein aantal gate en die verhoging van die aantal gate met 'n klein aantal elektrone in die geleidingsband vlak. Onreinheid halfgeleiers - die geleiers wat die onreinheid geleiding.

Onsuiwerhede maklik skenk elektrone genoem skenker. Skenker onsuiwerhede kan wees chemiese elemente met die atome, die valensie vlakke wat meer elektrone as die atome van die basismateriaal bevat. Byvoorbeeld, fosfor en bismut - 'n silikon skenker onsuiwerhede.

Die energie wat nodig is vir die sprong van 'n elektron in die geleiding streek, staan bekend as aktiveringsenergie. Onreinheid halfgeleier moet 'n veel minder van dit as die basis materiaal. Met 'n effense verwarming of lig oorwegend bevry elektrone van atome van die onreinheid halfgeleiers. Plaas verlaat die atoom neem 'n elektron gat. Maar die elektron gat rekombinasie nie plaasvind nie. skenker gat geleiding is weglaatbaar. Dit is omdat 'n klein bedrag van onreinheid atome nie vry elektrone dikwels nader aan die gat toelaat en om dit te hou. Elektrone is 'n paar gate, maar is nie in staat om hulle te vul weens onvoldoende energie vlak.

'N Ligte toevoeging skenker onreinheid verskeie bestellings verhoog die aantal geleidingselektrone in vergelyking met die aantal vrye elektrone in die intrinsieke halfgeleier. Elektrone hier - die belangrikste draers van atoom aanklagte van onreinheid halfgeleiers. Hierdie stowwe behoort aan die N-tipe halfgeleiers.

Onsuiwerhede wat elektrone van die halfgeleier bind, die verhoging van die aantal gate in dit, genoem akseptor. Akseptor onsuiwerhede is chemiese elemente met 'n kleiner aantal elektrone in valensie vlak as die basis van die halfgeleier. Boor, gallium, indium - akseptor onreinheid in silikon.

Die eienskappe van die halfgeleier is afhanklik van sy kristalstruktuur defekte. Dit veroorsaak dat die noodsaaklikheid van groei uiters suiwer kristalle. Die parameters van die halfgeleier geleiding beheer word deur die byvoeging van dopants. Silikon kristalle gedoteer met fosfor (V subgroep element) wat 'n skenker te kristal silikon N-tipe te skep. Vir kristal met 'n p-tipe silikon geadministreer boor akseptor. Halfgeleiers vergoed Fermi vlak om dit te skuif in die middel van die band gaping geskep op hierdie wyse.

enkel-element halfgeleiers

Die mees algemene halfgeleier is, natuurlik, silikon. Saam met Duitsland, was hy die prototipe van 'n groot klas van halfgeleiers wat soortgelyke kristalstrukture het.

Struktuur kristal Si en Ge is dieselfde as dié van diamant en α-tin. Dit omring elke atoom 4 naaste atome wat 'n tetrahedron vorm. Soos koördinasie is vier keer genoem. Kristalle tetradricheskoy band staal basis vir die elektroniese industrie en speel 'n belangrike rol in die moderne tegnologie. Sommige van die elemente V en VI van die periodieke tabel groep is ook halfgeleiers. Voorbeelde van hierdie tipe halfgeleiers - fosfor (P), swawel (S), selenium (Se) en tellurium (Te). Hierdie halfgeleiers kan wees trippel atome (P), die dubbele (S, Se, Te) of 'n vier-vou koördinasie. As gevolg hiervan so elemente kan bestaan in verskillende kristallyne strukture, en ook bereid wees om in die vorm van glas. Byvoorbeeld, Se gegroei in monoklinies en trigonaal kristalstrukture of as 'n venster (wat ook as 'n polimeer beskou kan word).

- Diamond het 'n uitstekende termiese geleidingsvermoë, 'n uitstekende meganiese en optiese eienskappe, hoë meganiese sterkte. Die breedte van die energie gaping - DE = 5,47 eV.

- Silicon - halfgeleier gebruik in sonselle, en amorfe vorm, - in 'n dun-film zonnecellen. Dit is die mees gebruik in halfgeleier sonselle, maklik om te vervaardig, het 'n goeie elektriese en meganiese eienskappe. DE = 1,12 eV.

- Germanium - halfgeleier gebruik in die gamma-straal-spektroskopie, hoë werkverrigting sonselle. Gebruik in die eerste diodes en transistors. Dit verg minder skoonmaak as silikon. DE = 0,67 eV.

- Selenium - 'n halfgeleier wat gebruik word in die selenium gelykrigters 'n hoë bestraling weerstand en die vermoë om homself te genees.

Twee-element verbindings

Eienskappe van Halfgeleiers gevorm elemente 3 en 4 van die periodieke tabel groepe lyk soos die eienskappe van verbindings 4 groepe. Die oorgang van die 4 groepe van elemente om 3-4 gr verbindings. Dit maak kommunikasie deels omdat ioniese lading transport elektrone uit 'n atoom te atoom 3 Groep 4 Groep. Ionicity verander die eienskappe van halfgeleiers. Dit veroorsaak 'n toename in die Coulomb energie en ioon-ioon interaksie energie gaping elektron bandstruktuur. VOORBEELD binêre verbindings van hierdie tipe - indium antimonide, InSb, galliumarsenied GaAs, gallium antimonide GaSb, indiumfosfied INP, aluminium antimonide AlSb, gallium phosphide GaP.

Ionicity verhoog en die waarde daarvan groei meer groepe in verbindings 2-6 verbindings, soos kadmium selenide, sink sulfied, kadmium sulfied, kadmium Telluride, sink selenide. As gevolg hiervan, die meerderheid van verbindings 2-6 groepe verbied orkes wyer as 1 eV, behalwe kwik verbindings. Mercury Telluride - sonder energie gaping halfgeleier, semi-metaal, soos α-tin.

Halfgeleiers 2-6 groepe met 'n groter energie gaping vonds gebruik in die produksie van lasers en uitstallings. Binêre groepe 6 2- verbinding met 'n vernou gaping energie wat geskik is vir infrarooi ontvangers. Binêre verbindings van elemente van groepe 1-7 (cuprous bromide CuBr, AgI silwer jodied, koperchloried CuCl) as gevolg van die hoë ionicity het wyer bandgaping W eV. Hulle doen nie eintlik halfgeleiers, en isolators. Crystal groei anker energie as gevolg van Coulomb interionic interaksie fasiliteer strukturering atome sout met sesde orde, in plaas van die kwadratiese koördineer. Verbindings 4-6 groepe - sulfied, lood Telluride, tin sulfied - as halfgeleiers. Ionicity van hierdie stowwe bevorder ook die vorming zesvoudig koördinasie. Veel ionicity nie verhoed dat die teenwoordigheid hulle het 'n baie nou band gapings, kan hulle gebruik word vir die ontvangs van infrarooi straling. Gallium nitried - 'n mengsel groepe 3-5 met 'n wye energie gaping, vind toepassing in halfgeleier lasers en ligemissiediodes wat in die blou deel van die spektrum.

- GaAs, galliumarsenied - op aanvraag na afloop van die tweede silikon halfgeleier word algemeen gebruik as 'n substraat vir ander dirigente, byvoorbeeld, GaInNAs en InGaAs, in setodiodah infrarooi, hoë frekwensie transistors en IC, hoogs doeltreffende sonselle, laser diodes, detectors van kern genesing. DE = 1,43 eV, wat die krag toestelle verhoog in vergelyking met silikon. Broos, bevat meer onsuiwerhede moeilik om te vervaardig.

- ZnS, sink sulfied - sink sout van waterstofsulfied met die verbode groep sones en 3,54 3,91 eV, gebruik in lasers en as 'n fosfor.

- SNS, tin sulfied - halfgeleier gebruik in photoresistors en Fotodiodes, De = 1,3 en 10 eV.

oksiede

Die metaaloksiede verkieslik is uitstekend isolators, maar daar is uitsonderings. Voorbeelde van hierdie tipe halfgeleiers - nikkel oxide, koperoksied, kobalt oxide, koper koolstofdioksied, ysteroksied, europium oksied, sinkoksied. Sedert koper koolstofdioksied bestaan as die mineraal cuprite, was sy eiendomme intensief bestudeer. Die prosedure vir die verbouing van hierdie tipe halfgeleier is nog nie heeltemal duidelik nie, so hulle gebruik is nog beperk. 'N uitsondering is sinkoksied (ZnO), saamgestelde groepe 2-6, word gebruik as die transducer en in die produksie van tapes en pleisters.

Die situasie dramaties verander nadat supergeleiding ontdek in baie verbindings van koper met suurstof. Die eerste hoë temperatuur supergeleier oop Bednorz en Muller, is saamgestelde halfgeleier gebaseer op La ₂ CuO _4, die energie gaping van 2 eV. Vervang divalente trivalente lantaan, barium of strontium, opgeneem in die halfgeleier ladingdraers van gate. Die bereiking van die nodige gat konsentrasie maak La ₂ CuO ₄ supergeleier. Op die oomblik, die hoogste temperatuur van oorgang na die supergeleidende staat behoort te vererger HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Teen 'n hoë druk, die waarde daarvan is 134 K.

ZnO, is sinkoksied varistor gebruik, blou-luminescentiedioden, gas sensors, biologiese sensors, klere vensters infrarooi lig reflekteer, soos 'n dirigent in LCD displays en sonkrag batterye. DE = 3,37 eV.

gelaagde kristalle

Double verbindings soos diiodide lood, gallium selenide en molibdeen wrijvings verskil gelaagde kristalstruktuur. Die lae is kovalente bindings van aansienlike krag, baie sterker as die van der Waals verbande tussen die lae self. Halfgeleiers so 'n tipe is interessant, want die elektrone op te tree in lae van 'n kwasi-twee-dimensioneel. Interaksie van lae verander deur die instelling van buite atome - tussenvoeging.

MoS _2, word molibdeen disulfide gebruik in 'n hoë frekwensie toerusting, gelykrigters, memristor, transistors. DE = 1,23 en 1,8 eV.

organiese halfgeleiers

Voorbeelde van halfgeleiers op die basis van organiese verbindings - naftaleen, polyacetylene (CH _{2) N,} antraseen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Organiese halfgeleiers het 'n voordeel bo nie-organiese: dit is maklik om die gewenste gehalte te dra. Stowwe met toegevoegde verbande vorm -C = C-C = beskik oor beduidende optiese nie-lineariteit en, as gevolg van hierdie, in opto-elektroniese toegepas. Verder het die energie bandgaping organiese halfgeleier mengsel van die formule wissel verandering wat baie makliker as dié van konvensionele halfgeleiers. Kristallyne allotrope van koolstof fuller, grafeen, nanobuise - ook halfgeleiers.

- Full Reen het 'n struktuur in die vorm van 'n geslote konvekse poliëder ugleoroda ewe getal van atome. A doping Full Reen C ₆₀ met 'n alkali metale verander dit in 'n supergeleier.

- grafiet koolstof monoatomic laag gevorm word, word in 'n twee-dimensionele seskantige rooster. Rekord het geleiding en die mobiliteit elektron, hoë rigiditeit

- Nanotubes is gerol in 'n buis grafiet plaat met 'n deursnee van verskeie nanometer. Hierdie vorme van koolstof het 'n groot belofte in nano-elektroniese. Afhangende van die koppeling kan metaal of halfgeleier gehalte wees.

magnetiese halfgeleiers

Verbindings met magnetiese ione van europium en mangaan het nuuskierig magnetiese en half eienskappe. Voorbeelde van hierdie tipe halfgeleiers - europium sulfied, selenide europium en vaste oplossings, soos CD _1-x Mn _x Te. Die inhoud van die magnetiese ione beïnvloed beide stowwe toon magnetiese eienskappe soos ferromagnetisme en antiferromagnetism. Semimagnetic halfgeleiers - is 'n harde magnetiese halfgeleiers oplossings wat magnetiese ione in 'n lae konsentrasie bevat. Soos soliede oplossings trek die aandag van jou perspektief en 'n groot potensiaal van moontlike toepassings. Byvoorbeeld, in teenstelling met die nie-magnetiese halfgeleiers, hulle kan 'n miljoen keer groter Faraday rotasie bereik.

Sterk magnetooptical gevolge van magnetiese halfgeleiers toelaat dat hulle gebruik vir optiese modulasie. Perovskites, soos Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, sy eienskappe is beter as metaal-halfgeleier oorgang, wat direkte afhanklikheid van die magneetveld veroorsaak die verskynsel van reuse magneto-weerstand. Hulle word gebruik in radio, optiese toestelle, wat beheer word deur 'n magneetveld, 'n mikrogolf golfleier toestelle.

halfgeleier ferroelectrics

Hierdie tipe kristalle word gekenmerk deur die teenwoordigheid in hul elektriese oomblikke en voorkoms van spontane polarisasie. Byvoorbeeld, sodanige eiendomme is halfgeleiers lei titanate PbTiO _3, barium titanate Batio _3, germanium Telluride, Gete, tin Telluride SnTe, wat teen 'n lae temperature het ferro elektriese eienskappe. Hierdie materiaal word gebruik in nie-lineêre optiese, piëzo sensors en geheue toestelle.

'N Verskeidenheid van halfgeleiermateriale

In bykomend tot halfgeleier bogenoemde materiale, daar is baie ander wat nie onder een van hierdie tipe val. Verbindings van formule 1-3-5 elemente ₂ (AgGaS ₂₎ en 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ vorm 'n chalkopiriet kristalstruktuur. Kontak tetraëdriese verbindings analoog halfgeleiers 3-5 en 2-6 groepe met 'n sink blende kristalstruktuur. Verbindings wat halfgeleier elemente 5 en 6 groepe (soortgelyk aan As ₂ Se _3), te vorm - die halfgeleier in die vorm van kristal of glas. Chalcogenides van bismut en antimoon gebruik in halfgeleier termo kragopwekkers. Die eienskappe van hierdie tipe halfgeleier is baie interessant, maar hulle het nie gewild geword as gevolg van die beperkte toepassing. Maar die feit dat hulle bestaan, bevestig die teenwoordigheid van nog nie ten volle die veld van halfgeleierfisika ondersoek.