Piemēri pusvadītāju. Veidi, īpašības, praktiskais pielietojums

Visslavenākais ir pusvadītāju silīcija (Si). Bet neatkarīgi no viņa, ir daudzi citi. Piemēri ir dabas, tādi pusvadītāju materiāli kā Blende (ZnS), kuprīts (Cu ₂ O), Galena (PBS) un daudzas citas. Par pusvadītāju ģimene, ieskaitot pusvadītāju sagatavoti laboratorijās, ir viena no visvairāk dažādu klašu materiālu zināms cilvēks.

Raksturojums pusvadītāju

No 104 elementu periodiskās tabulas ir metāli, 79, 25 - nonmetals no kuriem 13 ķīmiskie elementi piemīt pusvadītāja īpašības un 12 - dielektrisko. Galvenā pusvadītāju iezīme ietver to vadītspēja būtiski palielinās līdz ar temperatūru. Pie zemām temperatūrām, viņi rīkosies kā izolatoru, un augsta - kā vadītājus. Šie pusvadītāji atšķiras no metāla: metāls pretestība pieaug proporcionāli temperatūras paaugstināšanos.

Vēl viens no pusvadītāju metāla Atšķirība ir tā, ka pretestība pusvadītāju samazinās reibumā gaismas, bet uz pēdējo metāls netiek ietekmēta. Arī vadītspēju pusvadītāju mainās, ja to ievada nelielu daudzumu piemaisījumu.

Semiconductors sastopami starp ķīmisko savienojumu ar dažādu kristālu struktūras. Tie var būt elementi, piemēram, silīcija un selēna, vai divkāršu savienojumus, piemēram, gallija arsenīda. Daudzi organiskie savienojumi, piemēram, polyacetylene, (CH) _n, - pusvadītāju materiālu ražošanai. Dažas pusvadītāji uzrāda magnētisko (cd _1-x Mn _x Te) vai segnetoelektrisko īpašības (SbSI). Cita sakausējumā ar pietiekami kļūt supravadītājus (Gete un SrTiO _3). Daudzi no jaunatklātiem augstas temperatūras supravadītājus ir metāla pusvadītāju posmu. Piemēram, La ₂ CuO ₄ ir pusvadītāju, bet veidošanās sakausējuma ar Sr kļūst sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Physics grāmatas dot definīciju kā pusvadītāju materiāla ar elektrisko pretestību no 10 ^-4 līdz 10 ⁷ omi · m. Varbūt alternatīva definīciju. no 0 līdz 3 eV - No aizliegto joslas pusvadītāju platums. Metāli un semimetals - materiāls ar nulles enerģijas jomā, un viela, kurā tas pārsniedz W eV sauc izolatoru. Ir izņēmumi. Piemēram, pusvadītāju dimants ir plašs aizliegta zona 6 eV, daļēji izolācijas GaAs - 1,5 eV. GAN, materiāls par optoelektroniskās ierīcēm zilā reģionā, ir aizliegto joslas platumu 3.5 eV.

enerģijas plaisa

Valence orbitālēm atomu kristāla režģa ir sadalīti divās grupās enerģijas līmeni - brīvajā zonā, kas atrodas visaugstākajā līmenī, un nosaka elektrisko vadītspēju pusvadītājos, un valences joslu, zemāk. Šie līmeņi, atkarībā no simetrijas kristāla režģa struktūru un atomiem var krustojas vai ar atstarpi viena no otras. Pēdējā gadījumā ir enerģijas starpība, vai, citiem vārdiem sakot, starp aizliegtām joslas zonās.

Novietojums un uzpildes līmenis tiek noteikts ar vadošiem īpašībām materiāla. Saskaņā ar šo funkciju vielu dalīts ar diriģentiem, izolatoru un pusvadītāji. No aizliegto joslas pusvadītāju platums svārstās 0.01-3 eV, enerģijas plaisu dielektriskā nekā 3 eV. Metāli dēļ pārklāšanās enerģijas pauzes līmeni nav.

Pusvadītāji un izolatori, atšķirībā no metāliem, elektroni tiek aizpildītas valence joslā un tuvāko brīvo zonu, vai vadīšanas joslā, tad Valence enerģija tiek norobežota no plīsumiem - daļa aizliegto enerģiju elektroniem.

Jo dielektriķa siltumenerģija vai niecīga elektriskā lauka nav pietiekami, lai lēkt caur šo plaisu, elektroni neattiecas vadīšanas joslā. Viņi nespēj pārvietoties pa kristāla režģa un kļūt pārvadātājiem elektrisko strāvu.

Lai aktivizēt elektrovadītspēju, kas ir elektronu valence līmenī jādod enerģiju, kas būtu pietiekami, lai pārvarētu enerģijas trūkumu. Tikai tad, kad summa enerģijas absorbcija, nav mazāka par vērtību, enerģijas trūkumu, kas pāriet no valences elektronu līmenī vadīšanas līmenī.

Šajā gadījumā, ja platums enerģijas plaisu pārsniedz 4 eV, elektrovadītspēja pusvadītāju ierosas apstarošana vai sildītājs ir praktiski neiespējami - ierosināšanas enerģija no elektroniem, kušanas temperatūra nav pietiekams, lai pārietu enerģijas plaisu caur zonā. Kad tiek sasildīta, kristāls kūst pirms elektroniskās vadītspēju. Šādas vielas ietver kvarca (DE = 5,2 eV), dimantu (DE = 5,1 eV), daudz sāļus.

Neraksturīgo un patiesā vadītspēju pusvadītāju

Neto pusvadītāju kristāli ir patiesā vadītspēju. Šādi pusvadītāju īpašvārdu. Patiesā pusvadītāju ir vienāds skaits caurumiem un brīvo elektronu. Sildot patieso vadītspēju pusvadītāji palielinās. Pie nemainīgā temperatūrā, kas ir nosacījums dinamisku līdzsvara apjoma radīti elektronu-caurumu pāriem un skaitu krustmijas elektroniem un caurumiem, kas paliek nemainīgs saskaņā ar šiem noteikumiem.

Piemaisījumu klātbūtne ievērojami ietekmē elektrisko vadītspēju pusvadītāji. Pievienojot tos ļauj ievērojami palielināt skaitu brīvo elektronu pie nedaudziem caurumiem un palielināt skaitu caurumu ar nelielu skaitu elektroni vadīšanas līmenī. Piemaisījums pusvadītāji - lai vadītāji, kam ir piemaisījumu vadītspēju.

Piemaisījumi ir viegli ziedot elektronus sauc donors. Donoru piemaisījumi var būt ķīmiskie elementi ar atomiem, ar valences līmeņiem, kas satur vairāk elektronu nekā atomiem pamatmateriāla. Tā, piemēram, fosfora un bismuta - a silīcijs donoru piemaisījumus.

Nepieciešamais par lēcienu elektronu vadīšanas reģionā enerģija, sauc aktivācijas enerģiju. Piemaisījumu pusvadītāju vajag daudz mazāk, nekā bāzes materiāls. Ar nelielu apkures vai gaismas atomu atbrīvots elektronus atomiem piemaisījuma pusvadītāji. Novietojiet atstāja atoms notiek elektronu caurumu. Bet elektronu caurumu rekombinācijas nenotiek. donors caurums vadītspēja ir niecīgs. Tas ir tāpēc, ka neliels daudzums piemaisījumu atomiem neļauj brīvie elektroni bieži tuvāk caurumu un turiet to. Elektroni ir daži caurumi, bet nespēj aizpildīt tos nepietiekama enerģijas līmeni.

Neliela piedevas donora piemaisījums vairāki rīkojumi palielina skaitu vadāmības elektronu, salīdzinot ar skaitu brīvo elektronu patieso pusvadītāju. Elektroni šeit - galvenie nesēji atomu apsūdzībām piemaisījumu pusvadītāju. Šīs vielas pieder pie n-tipa pusvadītāji.

Piemaisījumi, kas saistās elektronus no pusvadītāju, palielinot skaitu caurumu tajā, ko sauc par akceptoru. Acceptor piemaisījumi ir ķīmiski elementi ar mazāku skaitu elektronu valence līmenī nekā pamatnes pusvadītāju. Boru, gallija, indija - akceptora piemaisījums silīciju.

No pusvadītāju īpašības ir atkarīga no tās kristāla struktūras defektus. Tas rada nepieciešamību aug ļoti tīru kristāli. No pusvadītāja vadāmības parametri kontrolē, pievienojot dopants. Silicon kristāli leģēti ar fosfora (V apakšgrupu elements), kas ir donors, lai izveidotu kristāla silīcija N-tipa. Kristāla ar p-tipa silīcija ievadītās bora akceptoru. Pusvadītāji kompensēta Fermi līmeni, lai pārvietotu to vidū joslu atšķirība izveidots šādā veidā.

single-elementu pusvadītāji

Visbiežāk pusvadītāju ir, protams, silīcija. Kopā ar Vāciju, viņš bija prototips lielu klases pusvadītāju, kas ir līdzīgas kristāla struktūras.

Struktūra kristāla Si un Ge ir tāds pats kā no dimanta un alfa-alvas. Tā aptver katru atoms 4 tuvākajām atomiem, kas sastāda tetraedrs. Šāda koordinācija sauc četras reizes. Kristāli tetradricheskoy obligāciju tērauda bāzes elektronikas nozarē, un spēlē galveno lomu mūsdienu tehnoloģijām. Daži elementu V un VI periodiskās tabulas grupā ir arī pusvadītāji. Piemēri šāda veida pusvadītāju - fosfora (P), sēra (S), selēna (Se) un telūrs (Te). Šie pusvadītāji var būt triple atomi (P), divaizvietota (S, Se, Te) vai četras reizes koordinācija. Kā rezultātā šie elementi var pastāvēt vairākās dažādās kristālisko struktūru, kā arī jāsagatavo formā stikla. Piemēram, Se audzēti monoklīnā un trigonālām kristāla struktūru vai kā logs (kas var būt arī par polimēru).

- Diamond ir lielisks siltuma vadītspēju, izcilas mehāniskās un optiskās īpašības, augsta mehāniskā izturība. No enerģijas spraugas platums - DE = 5,47 eV.

- Silicon - pusvadītāju izmanto saules baterijas, un amorfas formas - plānas plēves saules šūnas. Tas ir visvairāk lieto pusvadītāju saules šūnas, viegli ražot, ir labas elektriskās un mehāniskās īpašības. DE = 1,12 eV.

- Germānija - pusvadītāju izmanto gamma staru spektroskopijas, augstas veiktspējas saules baterijas. Izmanto pirmajos diodes un tranzistori. Tas prasa mazāk tīrīšana nekā silīciju. DE = 0,67 eV.

- Selēns - pusvadītāja, ko izmanto selēna taisngriežiem, kam ir augsts radiācijas izturību un spēju dziedēt sevi.

Divu elementu savienojumi

Properties of Semiconductors izveidotas 4 no periodiskās tabulas grupas elementi 3 un līdzinās īpašības savienojumu 4 grupām. Pāreja no 4 grupas elementiem, kas pastiprina 3-4 gr. Tas padara komunikāciju daļēji jo jonu lādiņu transporta elektroni no atoms atomu C3 4. grupas. Ionicity maina īpašības pusvadītāji. Tas izraisa šajā Kulona enerģija un jonu jonu mijiedarbības enerģijas trūkumu elektronu joslas struktūru pieaugumu. PIEMĒRS binary savienojumi šāda veida - indija antimonide, InSb, gallija arsenīda GaAs, gallija antimonide GaSb, indija fosfīds INP, alumīnijs antimonide AlSb, gallija fosfīds Gap.

Ionicity palielinās un tā vērtība aug vairākas grupas savienojumos 2-6 savienojumus, piemēram, kadmija selenīda, cinka sulfīds, kadmija sulfīds, kadmija telurīda, cinka selenīda. Kā rezultātā lielākā daļa savienojumu 2-6 grupām aizliegts joslā platāks par 1 eV, izņemot dzīvsudraba savienojumu. Dzīvsudrabs Telluride - bez enerģijas trūkumu, pusvadītāju, semi-metāla, piemēram, alfa-alvas.

Pusvadītāji 2-6 grupas, ar lielāku enerģijas trūkumu atrašanas izmantošanai ražošanā lāzeru un displeju. Binary grupas 6 2- savienojums ar sašaurināts atstarpes enerģijas piemērots infrasarkanā starojuma uztvērējiem. Binary savienojumi elementu grupu 1-7 (vara bromīda CuBr, AGI sudraba jodīds, varš hlorīds CuCl), sakarā ar augstu ionicity ir plašāks bandgap W eV. Tie nav faktiski pusvadītāju un izolatoru. Crystal pieaugums piestiprināšanai enerģijas dēļ Kulona interionic mijiedarbība veicina strukturēšanas atomi sāls ar sesto rīkojumu, nevis četrgalvju koordinātu. Compounds 4-6 grupām - sulfide, svina Telluride, alva sulfide - kā pusvadītāji. Ionicity no šīm vielām arī veicina veidošanos seškārtīgam koordināciju. Daudz ionicity neizslēdz klātbūtni viņi ir ļoti šauras joslas nepilnības, tos var izmantot, lai saņemtu infrasarkano starojumu. Gallija nitrīda - a salikti grupās 3-5 ar plašu enerģijas trūkumu, atrast pielietojumu pusvadītāju lāzeriem un gaismas diodes, kas darbojas zilajā spektra daļā.

- GaAs gallija arsenīda - uz pieprasījumu pēc otrās silīcija pusvadītāju parasti izmanto kā substrātu citiem diriģentiem, piemēram, GaInNAs un InGaAs jo setodiodah infrasarkano, augstfrekvences tranzistoriem un ICS, ļoti efektīvu saules šūnas, lāzera diodes, detektoru kodola izārstēt. DE = 1,43 eV, kas uzlabo enerģijas ierīces, salīdzinot ar silīciju. Trauslā, satur vairāk piemaisījumus grūti, lai ražotu.

- ZnS, cinka sulfīds - cinka sāls no sērūdeņraža ar aizliegtām joslas zonu un 3.54 3.91 eV, ko izmanto lāzeru un kā fosfora.

- NV, alva sulfide - pusvadītāju izmanto fotorezistoros un fotodiodu, DE = 1,3 un 10 eV.

oksīdi

Par metālu oksīdi, vēlams, ir lielisks izolatori, bet ir izņēmumi. Piemēri šāda veida pusvadītāju - niķeļa oksīda, vara oksīds, kobalta oksīda, vara dioksīds, dzelzs oksīds, eiropija oksīds, cinka oksīds. Tā vara dioksīdu eksistē kā minerālu kuprīts, tās īpašības tika pētīta intensīvi. Par audzēšanas šāda veida pusvadītāju procedūra vēl nav pilnīgi skaidrs, tāpēc to izmantošana joprojām ir ierobežota. Izņēmums ir cinka oksīds (ZnO), barības grupas 2-6, tiek izmantots kā devēja un ražošanas līmlentes un apmetumiem.

Situācija krasi mainījās pēc supravadītspēja tika atklāti daudzu savienojumi vara ar skābekli. Pirmais augstas temperatūras supravadītāja atvērt Bednorz un Muller, tika savienojums pusvadītāju pamatojoties uz La ₂ CuO _4, enerģijas spraugu 2 eV. Ievietojot divvèrtìgo trīsvērtīgo lantāna, bārija vai stroncija, ievesti pusvadītāju lādiņu nesējiem caurumiem. nepieciešamo bedrīšu koncentrāciju sasniegšana padara La ₂ CuO ₄ supravadītājs. Šajā laikā, augstākā temperatūra pāreju uz supravadītāju valstij pieder savienojums HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Pie augsta spiediena, tā vērtība ir 134 K.

ZnO, cinka oksīdu varistora tiek izmantots, zilas gaismas diodes, gāzes sensori, bioloģiskos sensori, aizsargkārtas logus, lai atspoguļotu infrasarkano gaismu, kā diriģents LCD displejiem un saules baterijām. DE = 3.37 eV.

slāņveida kristāli

Divvietīgās savienojumi, piemēram, dijodīda svina, gallija selenīda un molibdēna disulfīdu atšķiras kārtojumu kristālisko struktūru. Par slāņi ir kovalentās saites ar ievērojamu spēku, ir daudz spēcīgāka, nekā van der Vālsa saites starp pašiem slāņiem. Pusvadītāji šāda veida ir interesanti, jo elektroni rīkoties slāņos kvazi-divdimensiju. Mijiedarbība no slāņiem tiek mainīta, nosakot ārpus atomus - interkalāciju.

Maģistrāļu _2, molibdēna disulfīdu lieto augstfrekvences detektori, rektifikatoru Memristor, tranzistoru. DE = 1,23 un 1,8 eV.

organiskie pusvadītāji

Piemēri pusvadītāju, pamatojoties uz organisko savienojumu - naftalīna, polyacetylene _{(CH2) n,} antracēns, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Organiskie pusvadītāji ir priekšrocības pār neorganisks: tie ir viegli, lai piešķirtu vajadzīgo kvalitāti. Vielas ar konjugātu zīmju veido -C = C-C = piemīt ievērojama optisko nelinearitāti un, pateicoties tam, in optoelektronikai piemēroti. Turklāt enerģija joslu atšķirība organisks pusvadītāju Savienojums ar formulu mainīties izmaiņas, kas ir daudz vieglāk nekā ka parastās pusvadītāji. Kristāliskas allotropes Oglekļa fullerēnu, graphene, nanocaurulītes - arī pusvadītāji.

- Ar fullerēniem ir struktūra formā slēgtā izliekta daudzskaldnis ugleoroda pat atomu skaits. Dopinga fullerēnu C ₆₀ ar sārmu metāla pārveido to supravadītājs.

- grafīta oglekļa vienatomu slānis tiek veidots, ir savienots ar divdimensiju sešstūra režģi. Ieraksts ir vadītspēja un elektronu mobilitāti, augstu stingrību

- Nanocaurules tiek velmēto caurules grafīta plāksnes, kuras diametrs ir vairāki nanometri. Šie oglekļa veidi ir liels solījumu nanoelektronikas jomā. Atkarībā no sakabes var būt metālisks vai pusvadītāja kvalitāte.

magnētiskie pusvadītāji

Savienojumi ar magnētisko joniem eiropija un mangāna ir ziņkārīgs magnētiskās un pusvadītāju īpašības. Piemēri šāda veida pusvadītāju - eiropija sulfīds, selenīda eiropija un cieto šķīdumu, piemēram Cd _1-x Mn _x Te. No magnētisko jonu saturs skar abas vielas piemīt magnētiskās īpašības, piemēram, ferromagnetism un antiferromagnetism. Semimagnetic pusvadītāji - ir cietais magnētiskās pusvadītāji šķīdumi, kas satur magnētisko jonus zemā koncentrācijā. Šādi cietie šķīdumi piesaista uzmanību jūsu izredzes un liels potenciāls iespējamo lietojumu. Piemēram, atšķirībā no nemagnētiskiem pusvadītāji, tie var sasniegt miljons reižu lielāku Faradeja rotāciju.

Strong Magnētoptisko ietekme magnētisko pusvadītāju atļautu tos izmantot optisko modulāciju. Perovskites, piemēram, Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, tā īpašības ir lielāki metāls-pusvadītāju pārejas, kas tiešā atkarībā no magnētiskā lauka rezultātiem parādību milzu magneto-pretestību. Tos izmanto radio, optiskās ierīces, kas tiek kontrolēta ar magnētiskā lauka, mikroviļņu viļņvada ierīcēm.

pusvadītāju segnetoelektriķos

Šī tipa kristāli ir raksturīga ar klātbūtni to electric brīžos un spontānas polarizāciju. Piemēram, šie īpašumi ir pusvadītāji novest titanāta PbTiO _3, bārija titanāta BaTiO _3, ģermānijs telurīda, Gete, skārda Telluride SnTe, kas pie zemām temperatūrām ir segnetoelektrisko īpašības. Šie materiāli tiek izmantoti nelineāro optisko, pjezoelektriskie sensori un atmiņas ierīces.

Dažādas pusvadītāju materiālu

Papildus iepriekš minētajiem pusvadītāju materiāliem, ir daudzi citi, kas neietilpst kādā no šiem veidiem. Savienojumi ar formulu 1-3-5 elementi ₂ (AgGaS ₂₎ un 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ veido chalcopyrite kristālisko struktūru. Sazinieties tetraedriskiem savienojumus analoģiskas pusvadītāju 3-5 un 2-6 grupas, ar cinka Blende kristāla struktūrā. Savienojumi, kas veido pusvadītāju elementu 5 un 6 grupām (līdzīgi kā ₂ Se _3), - pusvadītāju veidā kristāla vai stikla. Chalcogenides no bismuta un antimona izmanto pusvadītāju termo ģeneratoriem. Šā tipa pusvadītāju īpašības ir ļoti interesanti, bet tie nav ieguvuši popularitāti sakarā ar ierobežoto pieteikumu. Tomēr fakts, ka tie pastāv, apstiprina klātbūtni vēl nav pilnībā izpētījusi lauku pusvadītāju fizikā.