Mga halimbawa ng mga Semiconductors. Uri, mga katangian, mga praktikal na aplikasyon

Ang pinaka-tanyag ay ang semiconductor silikon (Si). Pero bukod sa kanya, may mga marami pang iba. Halimbawa ay natural na, tulad materyales semiconductor bilang blende (ZnS), kuprayt (Cu ₂ O), galena (PBS) at marami pang iba. Ang pamilya ng Semiconductors, kabilang Semiconductors inihanda sa laboratoryo, ay kumakatawan sa isa sa mga pinaka magkakaibang klase ng mga materyales na kilala sa tao.

Pagsasalarawan ng Karakter ng Semiconductors

Ng 104 mga elemento ng periodic table ay metal 79, 25 - nonmetals mula sa kung saan ang 13 elemento kemikal nagtataglay semiconducting aari at 12 - dielectric. Main semiconductor tampok na binubuo sa na ang kanilang koryente ay nagdaragdag makabuluhang pagtaas ng temperatura. Sa mababang temperatura, kumilos sila tulad ng insulators, at sa mataas na - bilang conductors. Ang mga Semiconductors ay naiiba mula sa metal: metal paglaban pinatataas proportionally sa pagtaas sa temperatura.

Ang isa pang pagkakaiba mula sa semiconductor metal ay na ang paglaban ng semiconductor bumababa sa ilalim ng impluwensiya ng liwanag, habang sa huli ng metal ay hindi apektado. Gayundin ang koryente ng Semiconductors ay nag-iiba kapag pinangangasiwaan sa isang menor de edad na halaga ng kahalayan.

Semiconductors ay matatagpuan sa gitna ng chemical compounds na may iba't ibang mga istraktura ng kristal. Ang mga maaaring maging mga elemento tulad ng silikon at siliniyum, o double compounds tulad ng galyum arsenide. Maraming mga organic compounds, tulad ng polyacetylene, (CH) _n, - mga materyales semiconductor. Ang ilang mga Semiconductors nagpapakita ng magnetic (Cd _1-x Mn _x Te) o ferroelectric properties (SbSI). Iba pang mga alloying may sapat na maging superconductors (Gete at SrTiO _3). Marami sa mga bagong tuklas na mataas na temperatura superconductors ay may metallic semiconducting phase. Halimbawa, La ₂ CuO ₄ ay isang semiconductor, ngunit ang pagbuo ng mga haluang metal na may Sr nagiging sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Physics textbook bigyan ng kahulugan bilang ang materyal semiconductor na may isang electrical resistivity mula sa 10 ^-4 hanggang 10 ⁷ ohms · m. Marahil isang alternatibong kahulugan. Ang lapad ng ipinagbabawal na band ng semiconductor - mula 0 hanggang 3 EV. Mga Metal at semimetals - isang materyal na may mga zero enerhiya puwang, at ang mga sangkap na kung saan ito ay lumampas W eV tinatawag insulators. May mga pagbubukod. Halimbawa, ang isang semiconductor brilyante ay may isang malawak na ipinagbabawal zone 6 eV, isang semi-insulating GaAs - 1,5 EV. Gan, isang materyal para sa optoelectronic aparato sa asul na rehiyon, ay may ipinagbabawal na band lapad ng 3.5 EV.

ang enerhiya gap

Valence orbitals ng mga atoms sa kristal sala-sala ay nahahati sa dalawang grupo ng mga antas ng enerhiya - isang libreng zone, nakatayo sa ang pinakamataas na antas, at tumutukoy sa paglipat ng koryente ng Semiconductors, at ang valence band, sa ibaba. Ang mga antas, depende sa mahusay na proporsyon ng sala-sala istraktura ng kristal at atoms ay maaaring magsalubong o na may pagitan mula sa bawat isa. Sa huli kaso doon ay isang enerhiya na agwat sa, o sa ibang salita, sa pagitan ng mga ipinagbabawal na band zone.

Ang lokasyon at ang antas ng pagpuno ay tinutukoy ng mga kondaktibo katangian ng materyal. Ayon sa tampok na substansiya na hinati sa conductors, insulators, at Semiconductors. Ang lapad ng ipinagbabawal na band ng semiconductor ay nag-iiba 0.01-3 eV, ang enerhiya agwat ng dielectric than 3 EV. Mga Metal dahil sa ang overlap ng enerhiya gaps antas ay hindi.

Semiconductors at insulators, sa kaibahan sa metal, ang mga electron ay napunan valence band at ang pinakamalapit na libreng zone, o ang pagpapadaloy banda, ang valence enerhiya ay nabakuran off mula sa rupture - bahaging ito ng ipinagbabawal na mga enerhiya ng mga electron.

Sa dielectrics thermal enerhiya o bale-wala electric field ay hindi sapat upang gumawa ng jump sa pamamagitan ng puwang, ang mga electron ay hindi napapailalim sa pagpapadaloy band. Ang mga ito ay hindi upang ilipat sa pamamagitan ng mga kristal sala-sala at maging carrier ng electric kasalukuyang.

Upang pasiglahin ang paglipat ng koryente, ang isang elektron sa antas ng valence ay dapat ibigay ang enerhiya, na kung saan ay magiging sapat na upang pagtagumpayan ang enerhiya puwang. Lamang kapag ang dami ng enerhiya pagsipsip ay hindi mas maliit kaysa sa halaga ng enerhiya na agwat sa, ang mawawala sa mga elektron antas ng valence sa antas pagpapadaloy.

Sa kasong iyon, kung ang lapad ng enerhiya puwang ay lumampas 4 eV, kondaktibiti semiconductor paggulo pag-iilaw o pag-init ay halos imposible - ang paggulo enerhiya ng mga electron sa temperatura ng pagtunaw ay hindi sapat upang tumalon ang enerhiya puwang sa pamamagitan ng zone. Kapag pinainit, ang kristal natutunaw sa harap ng electronic kondaktibiti. Ang ganitong mga sangkap ay kinabibilangan ng kuwarts (dE = 5,2 eV), diamond (dE = 5,1 eV), maraming mga asing-gamot.

Extrinsic at tunay kondaktibiti semiconductor

Net crystals semiconductor may tunay kondaktibiti. Ang ganitong mga Semiconductors pangngalang pantangi. Tunay semiconductor ay naglalaman ng isang patas na bilang ng mga butas at libre electron. Kapag pag-init intrinsic kondaktibiti ng Semiconductors ay nagtataas. Sa pare-pareho ang temperatura, doon ay isang kondisyon ng dynamic na punto ng balanse halaga ng nabuo elektron-butas na mga pares at ang bilang ng recombining mga electron at butas, na nananatili pare-pareho sa ilalim ng mga kondisyon.

Ang pagkakaroon ng mga impurities makabuluhang nakakaapekto sa koryente ng Semiconductors. Pagdaragdag sa mga ito ay nagbibigay-daan lubhang pagtaas ng bilang ng mga libreng mga electron sa isang maliit na bilang ng mga butas at dagdagan ang bilang ng mga butas na may isang maliit na bilang ng mga electron sa antas pagpapadaloy. Kahalayan Semiconductors - ang conductor pagkakaroon ng kahalayan kondaktibiti.

Impurities ay madaling-abuloy electron ay tinatawag na donor. Donor impurities ay maaaring chemical elemento na may mga atoms, ang mga antas ng valence na naglalaman ng higit pang mga electron sa atoms ng base na materyal. Halimbawa, posporus at bismuth - isang silikon donor impurities.

Ang enerhiya na kinakailangan para sa jump ng isang elektron sa rehiyon pagpapadaloy, ay tinatawag na activation enerhiya. Kahalayan semiconductor kailangan ng isang pulutong mas mababa ng mga ito kaysa sa base materyal. Sa pamamagitan ng isang bahagyang pag-init o liwanag nakararami napalaya electron ng mga atoms ng kahalayan Semiconductors. Lugar iniwan ang atom ay tumatagal ng isang elektron hole. Ngunit ang mga elektron butas recombination ay hindi kumuha ng lugar. donor hole koryente ay bale-wala. Ito ay dahil ang isang maliit na halaga ng kahalayan atom ay hindi nagpapahintulot ng libreng mga electron ay madalas na mas malapit sa hole at upang i-hold ito. Electron ang ilang mga butas, ngunit hindi magagawang upang punan ang mga ito dahil sa hindi sapat na antas ng enerhiya.

Ang isang bahagyang additive donor kahalayan ilang mga order ay nagdaragdag ng bilang ng mga pagpapadaloy electron kumpara sa bilang ng mga libreng mga electron sa tunay semiconductor. Electron dito - ang pangunahing carrier ng atomic singil ng kahalayan Semiconductors. Ang mga sangkap nabibilang sa Semiconductors n-uri.

Impurities na panagutin ang mga electron ng semiconductor, ang pagtaas ng bilang ng mga butas sa loob nito, na tinatawag na acceptor. Acceptor impurities ay mga kemikal na elemento na may isang mas maliit na bilang ng mga electron sa valence antas kaysa sa base ng semiconductor. Boron, galyum, indium - acceptor karumihan sa silikon.

Ang mga katangian ng ang semiconductor ay nakasalalay sa kanyang kristal na istraktura depekto. Ito nagiging sanhi ng mga pangangailangan ng lumalaking lubos na purong kristal. Ang mga parameter ng semiconductor pagpapadaloy kinokontrol ng ang karagdagan ng dopants. Silicon crystals doped sa posporus (V subgroup element) na kung saan ay isang donor upang lumikha ng kristal silikon n-uri. Para sa kristal na may isang p-uri silikon pinangangasiwaan boron-tanggap. Semiconductors bayad Fermi antas upang ilipat ito sa gitna ng band gap nilikha sa ganitong paraan.

solong-element Semiconductors

Ang pinaka-karaniwang semiconductor ay, siyempre, silikon. Sama-sama sa Germany, siya ang prototype ng isang malaking klase ng mga Semiconductors na may katulad na kristal istraktura.

Istraktura crystal Si at Ge ay katulad na ng mga diamante at α-lata. Ito ay palibutan ang bawat atom 4 pinakamalapit atoms na bumubuo ng isang apsulok. Ang ganitong koordinasyon ay tinatawag na apat na beses. Kristal tetradricheskoy bond bakal base para sa industriya ng electronics at i-play ng isang pangunahing papel sa modernong teknolohiya. Ang ilang mga elemento V at VI ng pana-panahong mga grupo talahanayan ay Semi-konduktor din. Mga halimbawa ng ganitong uri ng Semiconductors - posporus (P), sulfur (S), siliniyum (Se) at teluriyum (Te). Mga Semiconductors ay maaaring triple atom (P), disubstituted (S, Se, Te) o isang apat na-tiklop na koordinasyon. Bilang isang resulta tulad ng mga elemento ay maaaring umiiral sa maraming iba't ibang mga mala-kristal na kaayusan, at din maging handa sa anyo ng salamin. Halimbawa, Se lumago sa monoclinic at trigonal kristal istraktura o bilang window (na kung saan ay maaari ding itinuturing bilang isang polimer).

- Diamond ay may mahusay na thermal kondaktibiti, mahusay na mekanikal at optical properties, mataas na mekanikal lakas. Ang lapad ng enerhiya agwat - dE = 5,47 EV.

- Silicon - semiconductor na ginagamit sa solar cell, at walang hugis na form, - sa isang manipis-film solar cell. Ito ay ang pinaka ginagamit sa semiconductor solar cell, madaling paggawa, ay may magandang electrical at mechanical properties. dE = 1,12 EV.

- Germanyum - semiconductor ginagamit sa gamma-ray spectroscopy, mataas na pagganap ng solar cells. Ginamit sa unang diodes at transistors. Nangangailangan ito ng mas mababa sa paglilinis kaysa sa silikon. dE = 0,67 EV.

- siliniyum - isang semiconductor, na kung saan ay ginagamit sa rectifiers selenium pagkakaroon ng isang mataas na radiation paglaban at ang kakayahan upang pagalingin mismo.

Dalawang-element compounds

Mga katangian ng Semiconductors nabuo elemento 3 at 4 ng mga pana-panahong mga grupo ng talahanayan makahawig ang mga katangian ng compounds mayroong 4 groups. Ang paglipat mula sa 4 na grupo ng mga elemento upang kumatha 3-4 gr. Ito ay gumagawa ng komunikasyon bahagyang dahil ionic singil transportasyon ng mga electron mula sa isang atom na atom 3 Group 4 Group. Ionicity nagbabago ang mga katangian ng Semiconductors. Ito ay nagiging sanhi ng isang pagtaas sa ang Coulomb enerhiya at ion-ion pakikipag-ugnayan enerhiya gap electron band istraktura. EXAMPLE binary compounds ng ganitong uri - indium antimonide, InSb, galyum arsenide GaAs, galyum antimonide gasb, indium pospayd InP, aluminum antimonide AlSb, galyum pospayd puwang.

Ionicity pagtaas at ang halaga nito ay lumalaki higit pang mga pangkat sa compounds 2-6 compounds, tulad ng kadmyum selenide, sink sulfide, cadmium sulfide, kadmyum telluride, sink selenide. Bilang isang resulta, ang karamihan ng mga compounds 2-6 grupo ipinagbabawal band mas malawak kaysa sa 1 eV, maliban compounds mercury. Mercury Telluride - nang walang enerhiya agwat sa semiconductor, semi-metal, tulad ng α-lata.

Semiconductors 2-6 mga grupo na may mas malaking enerhiya gap find paggamit sa produksyon ng mga lasers at display. Binary grupo 6 2- compound na may mapakipot agwat enerhiya angkop para sa infrared receiver. Binary compounds ng mga elemento ng mga grupo ng 1-7 (cuprous bromuro Cubr, AGI pilak yodido, tanso kloruro CuCl) dahil sa ang mataas ionicity ay may mas malawak na bandgap W EV. hindi sila tunay na Semiconductors, at insulators. Crystal paglago angkora enerhiya dahil sa Coulomb interionic pakikipag-ugnayan pinapadali iistraktura atom asin sa ika-anim na sunod, sa halip ng parisukat coordinate. Compounds 4-6 group - sulfide, nangunguna telluride, lata sulfide - bilang Semiconductors. Ionicity ng mga sangkap din nagpapalaganap ng pagbuo sixfold koordinasyon. Karamihan hindi ionicity maghadlang sa presensiya mayroon silang isang napaka-makitid band gaps, maaari nilang magamit para sa pagtanggap ng infrared radiation. Galyum nitride - isang compound grupo ng 3-5 na may malawak na enerhiya gap, hanapin aplikasyon sa semiconductor laser at light-emitting diodes operating sa asul na bahagi ng spectrum.

- GaAs, galyum arsenide - on demand pagkatapos ng ikalawang silikon semiconductor ay karaniwang ginagamit bilang isang substrate para sa iba pang mga conductors, halimbawa, GaInNAs at InGaAs, sa setodiodah infrared, mataas na dalas ng transistors at ICS, mataas na mahusay solar cells, laser diodes, detector ng nuclear lunas. dE = 1,43 eV, na kung saan ay nagpapabuti sa kapangyarihan device kumpara sa silikon. Malutong, ay naglalaman ng higit pang mga impurities mahirap na paggawa.

- ZnS, sink sulfide - sink asin ng hydrogen sulpid sa mga ipinagbabawal na band zone at 3.54 3.91 eV, na ginagamit sa lasers at bilang isang pospor.

- SnS, lata sulfide - semiconductor na ginagamit sa photoresistors at photodiodes, dE = 1,3 at 10 EV.

oxides

Ang metal oxides mas maganda ay mahusay insulators, ngunit may mga pagbubukod. Mga halimbawa ng ganitong uri ng Semiconductors - nickel oxide, tanso oksido, kobalt oksido, tanso dioxide, bakal oksido, metal na uri ng kimiko oxide, oksido de sink. Dahil tanso dioxide ay umiiral bilang ang mineral kuprayt, mga katangian nito ay nag-aral intensively. Ang pamamaraan para sa paglilinang ng mga ganitong uri ng semiconductor ay hindi pa ganap na malinaw, para sa kanilang gamit ay limitado pa rin. Ang isang pagbubukod ay oksido de sink (ZnO), tambalang grupo 2-6, ay ginagamit bilang ang transduser at sa produksyon ng adhesive tape at plaster.

Ang sitwasyon ay nagbago kapansin-pansing matapos superconductivity ay natuklasan sa maraming mga compounds ng tanso na may oxygen. Ang unang mataas na temperatura superconductor buksan Bednorz at Muller, ay tambalang semiconductor batay sa La ₂ CuO _4, ang enerhiya gap ng 2 EV. Substituting divalent trivalent lanthanum, barium o estrontyum, ipinakilala sa semiconductor charge carrier ng mga butas. Pagkamit ng mga kinakailangang hole concentration ay gumagawa La ₂ CuO ₄ superconductor. Sa oras na ito, ang pinakamataas na temperatura ng paglipat sa superconducting estado-aari tambalan HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Sa mataas na presyon, ang halaga nito ay 134 K.

ZnO, oksido de sink varistor ay ginagamit, bughaw na ilaw-emitting diodes, gas sensor, biological mga sensor, Pintura bintana upang sumalamin infrared na ilaw, bilang isang konduktor sa LCD display at solar baterya. dE = 3.37 EV.

layered crystals

Double compounds tulad diiodide lead, galyum selenide at molibdenum disulphide naiiba layered kristal istraktura. Ang mga layer ay covalent Bonds ng hindi kakaunti lakas, magkano ang mas malakas kaysa sa van der Waals bono sa pagitan ng mga layer sa kanilang sarili. Semiconductors tulad uri ay kagiliw-giliw na dahil ang electron kumilos sa mga patong ng isang mala-dalawang-dimensional. Pakikipag-ugnayan ng mga layer ay nagbago sa pamamagitan ng pagpapasok sa labas atoms - intercalation.

MoS _2, molibdenum disulfide ay ginagamit sa mataas na frequency detektor, rectifiers, memristor, transistors. dE = 1,23 at 1.8 EV.

organic Semiconductors

Mga halimbawa ng Semiconductors sa batayan ng organic compounds - naptalina, polyacetylene (CH _{2) n,} antrasin, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Organic Semiconductors magkaroon ng isang kalamangan sa mga di-organikong: ang mga ito ay madaling magbigay ang nais na kalidad. Sangkap na may conjugate bonds bumuo -C = C-C = nagtataglay makabuluhang optical non-linearity at, dahil sa ito, sa Optoelectronics inilapat. Bukod dito, ang enerhiya band gap organic semiconductor tambalan ng formula ay nag-iiba pagbabago na lubhang mas madaling kaysa sa maginoo Semiconductors. Mala-kristal allotropes ng carbon fullerenes, graphene, nanotubes - din Semiconductors.

- Fullerene ay may isang istraktura sa anyo ng isang closed matambok polyhedron ugleoroda kahit na bilang ng mga atoms. Ang isang doping fullerene C ₆₀ na may isang alkali metal transforms ito sa isang superconductor.

- grapayt carbon monoatomic layer ay nabuo, ay konektado sa isang dalawang-dimensional hexagonal lattice. Record ay may koryente at ang mga elektron kadaliang mapakilos, mataas na tigas

- Nanotubes ay pinagsama sa isang tube grapayt plate pagkakaroon ng isang diameter ng ilang nanometers. Ang mga uri ng carbon ay may mahusay na pangako sa nanoelectronics. Depende sa pagkabit ay maaaring metallic o semiconductor kalidad.

magnetic Semiconductors

Compounds na may magnetic ions ng metal na uri ng kimiko at mangganeso ay may curious magnetic at semiconducting properties. Mga halimbawa ng ganitong uri ng Semiconductors - metal na uri ng kimiko sulfide, selenide metal na uri ng kimiko at solid solusyon, tulad Cd _1-x Mn _x Te. Ang nilalaman ng magnetic ions ay nakakaapekto sa parehong mga sangkap nagpapakita ng magnetic properties tulad ng ferromagnetism at antiferromagnetism. Semimagnetic Semiconductors - ay isang mahirap magnetic Semiconductors solusyon na naglalaman ng magnetic ions sa mababang konsentrasyon. Ang ganitong mga solid solusyon maakit ang pansin ng iyong mga prospect at mahusay na mga potensyal na ng mga posibleng mga application. Halimbawa, sa kaibahan sa mga di-magnetic Semiconductors, maaari nilang maabot ang isang milyong beses na mas malaki Faraday pag-ikot.

Strong magnetooptical epekto ng magnetic Semiconductors payagan ang kanilang paggamit para sa optical modulasyon. Perovskites, tulad Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, pag-aari nito ay superior sa metal-semiconductor transition na ito, na kung saan direktang pagpapakandili sa ang magnetic resulta field sa phenomenon ng mga higanteng magneto-resistivity. Sila ay ginagamit sa radyo, optical aparato, na kung saan ay kinokontrol sa pamamagitan ng isang magnetic field, microwave weyb gayd device.

ferroelectrics semiconductor

Ang uri crystals ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagkakaroon sa kanilang electric sandali at pangyayari ng kusang polariseysyon. Halimbawa, tulad aari ay Semi-konduktor humantong titanate PbTiO _3, barium titanate BaTiO _3, germanyum telluride, Gete, lata telluride SnTe, na sa mababang mga temperatura kung ferroelectric properties. Ang mga materyales ay ginagamit sa nonlinear optical, piezoelectric sensor at memory device.

Ang iba't-ibang ng mga materyales semiconductor

Bilang karagdagan sa mga materyales semiconductor na nabanggit sa itaas, may mga maraming iba na hindi mahulog sa ilalim ng isa sa mga uri. Compounds ng formula 1-3-5 elemento ₂ (AgGaS ₂₎ at 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ bumuo ng isang chalcopyrite kristal istraktura. Makipag-ugnay sa tetrahedral compounds kahalintulad Semiconductors 3-5 at 2-6 group na may isang sim blende kristal istraktura. Compounds aling form elemento semiconductor 5 at 6 groups (katulad ng As ₂ Se _3), - ang semiconductor sa anyo ng mga kristal o salamin. Chalcogenides ng bismuth at antimonyo ginagamit sa semiconductor thermoelectric generators. Ang mga katangian ng ganitong uri ng semiconductor ay lubhang kawili-wili, ngunit hindi sila ay may nagkamit popularity dahil sa limitadong application. Gayunpaman, ang katotohanan na sila ay umiiral, Kinukumpirma ang pagkakaroon ng hindi pa ganap Inimbestigahan sa larangan ng semiconductor pisika.