Esimerkkejä puolijohteiden. Tyypit, ominaisuudet, käytännön sovelluksia

Tunnetuin on puolijohde pii (Si). Sen lisäksi häneltä on monia muita. Esimerkkejä ovat luonnollisia, kuten puolijohde-aineet kuten välke (ZnS), kupriitti (Cu _2O), lyijyhohde (PbS) ja monet muut. Perheen puolijohteiden, kuten puolijohteet valmistetaan laboratorioissa, on yksi kaikkein monipuolinen materiaaliluokkia tiedetään mies.

Luonnehdinta puolijohteet

N 104 elementit jaksollisen ovat metallit 79, 25 - epämetalliatomeja josta 13 alkuaineita hallussaan puolijohdeominaisuuksia ja 12 - dielektrisen. Pääpuolijohdinkytkinelementin ominaisuus koostuu siitä, että niiden johtavuus kasvaa merkittävästi lämpötilan kasvaessa. Alhaisissa lämpötiloissa, ne käyttäytyvät kuten eristeet, ja korkealla - kuten johtimet. Nämä puolijohteet ovat eri metalli: metalli vastus kasvaa verrannollisesti lämpötilan nousun.

Toinen ero puolijohde metalli on, että vastus puolijohde laskee alle valon vaikutuksesta, kun taas jälkimmäisessä metalli ei vaikuta. Myös johtavuus puolijohteiden vaihtelee, kun niitä annetaan pienen määrän epäpuhtautta.

Puolijohteet joukossa kemiallisia yhdisteitä, joilla on erilaiset kiderakenteet. Nämä voivat olla elementtejä, kuten pii ja seleeni, tai kaksinkertainen yhdisteet, kuten galliumarsenidi. Monet orgaaniset yhdisteet, kuten polyasetyleeniä, (CH) _n, - puolijohdemateriaalien. Tietyt puolijohteet osoittavat magneettinen (Cd _1-x Mn _x Te) tai ferrosähköisen ominaisuudet (SbSI). Seostamalla teräkseen riittävän ovat suprajohtavia (GETE ja SrTiO _3). Monet äskettäin löydetty korkean lämpötilan suprajohteet on metallinen puolijohtavan vaihe. Esimerkiksi, La ₂ CuO ₄ on puolijohde, mutta muodostumista seoksen Sr tulee sverhrovodnikom (La _{1-xSr x) 2} CuO _4.

Fysiikan oppikirjoista antaa määritelmä kuin puolijohde, jonka sähköinen resistiivisyys on 10 ^{-4-10 7} ohmia · m. Ehkä vaihtoehtoista määritelmää. Leveys kielletty kaistan puolijohde - 0-3 eV. Metallit ja puolimetallien - materiaalia, jolla on nolla energia-aukon, ja aine, jossa se ylittää W eV kutsutaan eristeet. Poikkeuksiakin. Esimerkiksi, puolijohde timantti on laaja kielletty vyöhyke 6 eV GaAs-- 1,5 eV. GaN, materiaalina optoelektronisten laitteiden sinisellä alueella, on kielletty kaistan leveys 3,5 eV.

energia aukko

Valenssi orbitaaleja atomien kidehilassa on jaettu kahteen ryhmään energiatason - vapaa-alueelle, joka sijaitsee korkeimmalla tasolla, ja määrittää sähkönjohtavuus puolijohteiden, ja valenssivyön, alla. Näillä tasoilla riippuen symmetria kidehilan rakenne ja atomit voidaan leikata tai olla erillään toisistaan. Jälkimmäisessä tapauksessa on olemassa energia-aukon, tai toisin sanoen, välinen kielletty bändi alueilla.

Sijainti ja täyttöaste määritetään johtavan materiaalin ominaisuuksia. Tämän ominaisuuden ainetta jaettuna johtimet, eristeet, ja puolijohteet. Leveys kielletty kaistan puolijohteen vaihtelee 0,01-3 eV energia-aukon dielektrisen kuin 3 eV. Metallit peiton takia energian aukkoja taso ei ole.

Puolijohteiden ja eristeiden, toisin kuin metallit, elektronit ovat täynnä valenssivyön ja lähimmän vapaa, tai johtuminen bändi, valenssi energia on aidattu repeämä - osasta kielletty energioiden elektroneja.

Vuonna eristeitä lämpöenergiaa haitallista sähkökenttä ei riitä tekemään hypätä tämän aukon, elektronit eivät kuulu johtuminen bändi. Ne eivät pysty liikkumaan läpi kidehilassa ja tulla kantajia sähkövirran.

Energisoimiseksi sähkönjohtavuus, elektronin valenssi taso olisi annettava energia, joka olisi riittävä poistamaan energia-aukon. Vain silloin, kun energian määrä imeytyminen ei ole pienempi kuin arvo energia-aukon, tulee kulkea valenssielektroni tasolla johtuminen tasolla.

Siinä tapauksessa, jos leveys energia-aukon yli 4 eV, johtokyky puolijohde magnetointi säteilytys tai lämmitys on lähes mahdotonta - herätteen energia elektronien sulamis- lämpötila ei ole riittävä hypätä energia-aukon kautta vyöhykkeen. Kun sitä kuumennetaan, kide sulaa ennen sähkönjohtavuuden. Tällaisia aineita ovat kvartsi (dE = 5,2 eV), timantti (dE = 5,1 eV), monet suolat.

Ulkoisten ja sisäisten johtavuus puolijohde

Netto puolijohdekiteitä on luontainen johtokyky. Tällaiset puolijohteet oikeilla nimillä. Itseispuolijohteen sisältää yhtä monta reikää ja vapaita elektroneja. Kun lämmitys luontainen johtokyky puolijohteiden kasvaa. Vakiolämpötilassa, on tila dynaamisen tasapainon määrä syntyy elektroni-aukko parien ja määrä rekombinaatiota elektronit ja aukot, jotka pysyvät vakiona näissä olosuhteissa.

Epäpuhtauksien läsnäolo vaikuttaa merkittävästi sähkönjohtavuutta puolijohteiden. Lisäämällä ne mahdollistaa suuresti lisätä vapaiden elektronien lukumäärä, on pieni määrä reikiä ja lisätä reikiä pieni määrä elektronien johtuminen tasolla. Epäpuhtaus puolijohteet - johtimet ottaa epäpuhtauden johtavuus.

Epäpuhtaudet helposti luovuttaa elektroneja kutsutaan luovuttaja. Luovuttaja epäpuhtaudet voivat olla alkuaineita atomien kanssa, valenssi tasoja, jotka sisältävät enemmän elektroneja kuin atomien pohjamateriaalin. Esimerkiksi, fosfori ja vismuttia - pii luovuttaja epäpuhtauksia.

Tarvittava energia hyppy elektronin johtuminen alueella, kutsutaan aktivaatioenergia. Epäpuhtaus puolijohde tarvitsevat paljon vähemmän se kuin perusmateriaali. Hieman lämmitys- tai valoa pääasiassa vapautettu elektronien atomien epäpuhtauden puolijohteet. Aseta vasen atomi vie elektroniaukko. Mutta elektroniaukko rekombinaatiota ei tapahdu. luovuttaja reikä johtavuus on mitättömän pieni. Tämä johtuu siitä, että pieni määrä epäpuhtausatomeilla eivät salli vapaita elektroneja usein lähempänä reikää ja pitää sitä. Elektronit ovat reikiä, mutta ne eivät pysty täyttämään niitä riittämättömän energiatason.

Hieman lisäaine luovuttaja epäpuhtaus useita tilauksia määrä kasvaa johtavuuselektronit verrattuna vapaiden elektronien itseispuolijohteen. Elektronit täällä - tärkeimmät harjoittajat atomi kuluja epäpuhtauden puolijohteita. Nämä aineet kuuluvat n-tyypin puolijohteita.

Epäpuhtaudet, jotka sitovat elektronit puolijohde, määrän lisääminen reikiä, kutsutaan akseptori. Akseptori epäpuhtaudet ovat alkuaineita, joilla on pienempi määrä elektronien valenssi tasolla kuin pohjan puolijohde. Boori, gallium, indium - tunnustaja epäpuhtautena piin.

Ominaisuudet puolijohde ovat riippuvaisia sen kiderakenne vikoja. Tämä aiheuttaa tarpeen kasvavat erittäin puhtaiden. Parametrit puolijohde johtuminen säädettiin lisäämällä lisäaineiden. Piikiteitä seostettu fosforilla (V alaryhmä elementti), joka on luovuttaja luoda piikiteen n-tyypin. Crystal kanssa p-tyypin pii annetaan booria akseptori. Puolijohteet kompensoida Fermi tasolla siirtää sen keskelle välisen aukon luotu tällä tavalla.

single-elementti puolijohteet

Yleisin puolijohteiden on tietenkin, piitä. On Saksan ohella hän oli prototyyppi suuren luokan puolijohteita, jotka ovat samanlaisia kiderakenteet.

Rakenne Crystal Si ja Ge ovat samat kuin timantti ja α-tina. Se ympäröi kukin atomi 4 lähimpään atomeja, jotka muodostavat tetraedri. Tämä yhteensovittaminen kutsutaan neljä kertaa. Kiteet tetradricheskoy bond teräspohja elektroniikkateollisuudelle ja avainasemassa nykyaikaiseen teknologiaan. Jotkut elementit V ja VI jaksollisen ryhmä ovat myös puolijohteita. Esimerkkejä tämän tyyppisestä puolijohteet - fosfori (P), rikki (S), seleeni (Se) ja telluuri (Te). Näiden puolijohteet voivat olla kolminkertainen atomeja (P), disubstituoitu (S, Se, Te) tai nelinkertaiseksi koordinointia. Tämän vuoksi tällaiset elementit voivat esiintyä useissa eri kiderakenteet, ja myös valmistaa muodossa lasin. Esimerkiksi, Se kasvatettu monokliinisen ja trigonaalinen kiderakenteet tai ikkuna (joka voidaan myös pitää polymeeriä).

- Diamond on erinomainen lämmönjohtavuus, erinomaiset mekaaniset ja optiset ominaisuudet, suuri mekaaninen lujuus. Leveys energia-aukon - dE = 5,47 eV.

- Silicon - puolijohde käyttää aurinkokennoja, ja amorfinen muoto, - joka thin-film aurinkokennoja. Se on eniten käytetty puolijohde aurinkokennoja, helppo valmistaa, on hyvät sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. dE = 1,12 eV.

- germanium - puolijohde käytetty gamma-ray-spektroskopia, korkean suorituskyvyn aurinkokennoja. Käytetään ensimmäisessä diodit ja transistorit. Se vaatii vähemmän puhdistusta kuin pii. dE = 0,67 eV.

- Seleeni - puolijohde, jota käytetään seleeni tasasuuntaajat, jolla on suuri säteilyn kestävyys ja kyky parantaa itsensä.

Kahden elementin yhdisteet

Ominaisuudet Puolijohteiden muodostettu elementtien 3 ja 4 jaksollisen ryhmät muistuttavat ominaisuudet yhdisteiden 4 ryhmää. Siirtyminen 4 ryhmän elementtien yhdisteitä 3-4 g. Se tekee viestintä osittain koska ionivarauksen kuljetus elektroneja atomi on atomi 3 Ryhmä 4 Ryhmä. Ionisuus muuttaa ominaisuuksia puolijohteiden. Se aiheuttaa lisäyksen Coulombin energia ja ioni-ioni vuorovaikutus energia-aukon elektronin vyörakenne. Esimerkki binary tämän tyyppisiä yhdisteitä - indiumantimonidi, InSb, galliumarsenidi GaAs, galliumantimonidi GaSb, indiumfosfidi InP, alumiini antimonide AlSb, galliumfosfidi GaP.

Ionisuus kasvaa ja sen arvo kasvaa useammalla ryhmällä yhdisteitä 2-6 yhdisteitä, kuten kadmiumselenidi, sinkkisulfidi, kadmiumsulfidi, kadmiumtelluridi, sinkkiselenidi. Tämän seurauksena suurin osa yhdisteistä 2-6 ryhmien kielletty nauha leveämpi kuin 1 eV, paitsi elohopeayhdisteiden. Elohopea Telluride - ilman energia-aukon puolijohde, semi-metalli, kuten α-tina.

Puolijohteet 2-6 ryhmää, jossa on suurempi energia-aukon Käytä tuotannossa laserit ja näyttöjä. Binääriryhmissä 6 2- yhdiste, jossa on kavennettu aukko energiaa sopivat infrapuna-vastaanottimen. Binary yhdisteet alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ryhmien 1-7 (bromidin CuBr, Agl hopea jodidi, kupari kloridi CuCl), koska suuri ionisuus on laajempi bandgap W eV. He eivät varsinaisesti puolijohteet ja eristeet. Kiteiden kasvun ankkurointi energiaa, koska Coulombin interionic vuorovaikutus helpottaa rakenteen atomien suolaa kuudenneksi järjestyksessä, sijaan neliöllinen koordinoida. Yhdisteet 4-6 ryhmät - sulfidi, lyijy telluridi, tinasulfidi - kuten puolijohteet. Ionisuus näistä aineista myös edistää muodostumista kuusinkertaisesti koordinointia. Paljon ionisuus ei sulje pois niillä on hyvin kapea aukkoja, niitä voidaan käyttää vastaanottamaan infrapunasäteilyä. Gallium nitridi - yhdiste ryhmien 3-5, jossa on laaja energia-aukon, on käyttöä puolijohdelaserit ja valodiodeja toimivat sininen osa spektrin.

- GaAs, galliumarsenidi - kysynnän jälkeen toinen pii puolijohde on yleisesti käytetty substraattina muiden johtimien, esimerkiksi, GaInNAs ja InGaAs, ja setodiodah infrapuna-, suurtaajuus transistorit ja ICS, erittäin tehokas aurinkokennot, laserdiodit, ilmaisimet ydin- parannuskeinoa. dE = 1,43 eV, mikä parantaa tehoa laitteita verrattuna pii. Hauras, sisältää enemmän epäpuhtauksia vaikeita valmistaa.

- ZnS, sinkkisulfidi - sinkkisuola rikkivedyn kanssa kielletyn bändi alueet ja 3,54 3,91 eV, jota käytetään laserit ja fosfori.

- SnS, tinasulfidi - puolijohde käytetään valovas- ja valodiodien, dE = 1,3 ja 10 eV.

oksidit

Metallioksidit edullisesti ovat erinomaisia eristeitä, mutta on olemassa poikkeuksia. Esimerkkejä tämän tyyppisestä puolijohteet - nikkelioksidia, kuparioksidia, kobolttioksidia, kupari dioksidi, rautaoksidi, europium, sinkkioksidia. Koska kupari dioksidi esiintyy mineraali kupriitti, sen ominaisuuksia tutkittiin intensiivisesti. Menettely viljelyyn tämäntyyppisen puolijohteiden ei ole vielä täysin selvää, joten niiden käyttö on edelleen vähäistä. Poikkeuksena on sinkkioksidi (ZnO), yhdiste ryhmät 2-6, käytetään anturin ja tuotannon teipit ja laastarit.

Tilanne muuttui dramaattisesti sen jälkeen, kun suprajohtavuus löydettiin monia yhdisteitä kuparin hapen kanssa. Ensimmäinen korkean lämpötilan suprajohteen avata Bednorz ja Muller, oli yhdiste puolijohde perustuu La ₂ CuO ₄ energia-aukon 2 eV. Korvaamalla kaksiarvoinen kolmiarvoinen lantaanin, barium tai strontium, tuodaan puolijohde varauksen kuljettajia reikiä. Saavuttaa tarvittava reikä konsentraatio tekee La ₂ CuO ₄ suprajohde. Tällä hetkellä korkein lämpötila siirtymisen suprajohtava tila kuuluu yhdisteeksi HgBaCa ₂ Cu _{3O 8.} Korkeassa paineessa, sen arvo on 134 K.

ZnO, sinkkioksidi varistori käytetään, sinistä valoa säteilevää diodia, kaasu-anturi, biologiset anturit, pinnoitteet ikkunat heijastaa infrapunavaloa, kuten johdin LCD-näytöt ja aurinkokennot. dE = 3,37 eV.

kerroksellinen kiteet

Kaksinkertainen yhdisteitä, kuten dijodidi lyijyä, gallium lyijyselenidiä ja molybdeenidisulfidi eroavat kerroksellinen kiderakenne. Kerrokset ovat kovalenttisidoksellisia erittäin vahvassa, paljon vahvempi kuin van der Waalsin sidokset kerrosten itsensä. Puolijohteet Tälläisellä ovat kiinnostavia, koska elektronit käyttäytyvät kerroksiin lähes kaksiulotteinen. Vuorovaikutus kerrosten muutetaan tuomalla ulkopuolella atomia - interkalaation.

_MoS2, molybdeenidisulfidia käytetään korkean taajuuden ilmaisimia, tasasuuntaajat, memristori, transistorit. dE = 1,23 ja 1,8 eV.

orgaaninen puolijohteet

Esimerkkejä puolijohteiden perusteella orgaanisten yhdisteiden - naftaleeni, polyasetyleeni (CH _{2) n,} antraseeni, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinyylikarbatsoli. Orgaanisten puolijohteiden on etulyöntiasema kuin luonnonmukaisia: niitä on helppo levittää haluttu laatu. Aineet, joilla konjugaatin sidoksia muodostavat -C = C-C = omaavat huomattavia optinen epälineaarisuus ja, tämän vuoksi, optoelektroniikassa sovelletaan. Lisäksi energian välisen aukon orgaaninen puolijohde kaavan vaihdella muutos, että paljon helpompaa kuin perinteisten puolijohteiden. Kiteistä allotropes hiiltä Fulleriineja grafeeni, nanoputket - myös puolijohteet.

- fullereeni on rakenne muodossa suljetun kupera polyhedron ugleoroda parillinen määrä atomeja. Doping-fullereeni C ₆₀ alkalimetallin muuntaa sen suprajohteen.

- grafiittihiilen yksiatomista kerros on muodostettu, on kytketty kahden kaksiulotteisen kuusikulmaisen hilan. Tietueen on johtavuus ja elektronin liikkuvuus, korkea jäykkyys

- Nanoputket on rullattu putkeen grafiitti levy, jonka halkaisija on useita nanometriä. Nämä hiilen muodot ovat erittäin lupaavilta nanoelektroniikan. Riippuen kytkimen voi olla metallinen tai puolijohde laatu.

magneettiset puolijohteet

Yhdisteet, joilla on magneettinen ionien europiumilla ja mangaani on utelias magneettisia ja puolijohdeominaisuuksia. Esimerkkejä tämän tyyppisestä puolijohteet - europiumilla sulfidi, selenide europiumilla ja kiinteiden liuosten, kuten Cd _1-x Mn _x Te. Sisällöstä magneettisen ionien vaikuttaa sekä aineilla magneettiset ominaisuudet, kuten ferromagnetismin ja antiferromagne- tismi. Semimagnetic puolijohteet - on magneettisesti kovan puolijohteita liuoksia, jotka sisältävät magneettista ioneja joiden pitoisuus on alhainen. Sellaiset kiinteät ratkaisut houkutella huomiota teidän näköpiirissä ja suuret mahdollisuudet mahdollisia sovelluksia. Esimerkiksi toisin kuin ei-magneettinen puolijohteita, ne voivat saavuttaa miljoona kertaa suurempi Faradayn kierto.

Vahvat magneettioptiselta vaikutukset magneettisten puolijohteiden mahdollistavat niiden käytön optisen modulaation. Perovskiitit, kuten Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, sen ominaisuudet ovat ylivoimaiset, metalli-puolijohde siirtyminen, joka suora riippuvuus magneettikentän tuloksia ilmiö giant Magneto-vastus. Niitä käytetään radio-, optiset laitteet, joita ohjataan magneettikentässä, mikroaaltouuni aaltojohtolaitteiden.

puolijohde ferrosähköisiä

Tämän tyypin kiteitä on ominaista läsnäolo niiden sähkö- hetkiä ja esiintyminen spontaanin polarisaation. Esimerkiksi sellaisia ominaisuuksia ovat puolijohteiden johtaa titanaatti PbTiO _3, bariumtitanaattia BaTiO _3, germanium telluridi, GETE, tina telluridi SnTe, joka alhaisissa lämpötiloissa on ferrosähköinen ominaisuuksia. Näitä aineita käytetään epälineaarisia optisia, pietsosähköinen anturi ja muistilaitteita.

Erilaisia puolijohdemateriaalien

Lisäksi puolijohde edellä mainittiin, on olemassa monia muita, jotka eivät kuulu yksikään näistä tyypeistä. Kaavan 1-3-5 elementtien ₂ (AgGaS ₂₎ ja 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ muodostavat kalkopyriittikide rakenne. Ota tetraedrielementtiverkossa analogisista yhdisteistä puolijohteiden 3-5 ja 2-6 ryhmien sinkkivälkerikastetta kiderakenne. Yhdisteistä, jotka muodostavat puolijohde-elementtien 5 ja 6 ryhmät (samanlaiset kuin ₂ Se _3), - puolijohde muodossa kiteen tai lasi. Kalkogenideja vismuttia ja antimonia käytetään puolijohteiden lämpömittarilla generaattorit. Ominaisuuksia tällainen puolijohteiden on erittäin mielenkiintoinen, mutta he eivät ole saaneet suosiota rajattiin. Kuitenkin se, että ne ovat olemassa, vahvistaa läsnäoloa ei ole vielä täysin tutkittu alalla puolijohdefysiikkaan.