Dæmi um hálfleiðara. Tegundir, eiginleikar, hagnýt forrit

Frægasta er hálfleiðurum kísill (Si). En burtséð frá honum, það eru margir aðrir. Sem dæmi má nefna náttúrulegt, slík efni hálfleiðurum eins Blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), Galena (PBS) og margir aðrir. Fjölskyldan hálfleiðara, þar á meðal hálfleiðara unnin á rannsóknarstofum, er ein af mest fjölbreytt flokka efni sem vitað er að manni.

Lýsing á eiginleikum hálfleiðara

Af 104 þætti í lotukerfinu eru málmar 79, 25 - málmleysingjar þaðan sem 13 frumefnin og búa yfir hálfleiðandi eiginleika og 12 - dielectric. Helstu hálfleiðurum eiginleiki felst í að leiðnin þeirra eykst verulega með vaxandi hita. Við lágt hitastig, þeir haga sér eins og einangrurum, og hár - og leiðara. Þessar hálfleiðara eru mismunandi frá málmi sem: málmur viðnám eykst í hlutfalli við aukningu á hitastigi.

Annar munur frá hálfleiðara málmi er að viðnám hálfleiðara lækkar undir áhrifum ljóss, en í síðarnefnda málmur er ekki fyrir áhrifum. Einnig er mismunandi leiönina hálfleiðara þegar það er gefið til minniháttar magn af óhreinindum.

Semiconductors er að finna meðal efnasambanda með mismunandi mannvirki kristal. Þær geta verið þætti svo sem kísil og selen, eða tvöfalt efnasamböndum eins og Gallín arseníði. Margir lífræn efnasambönd, eins og polyacetylene, (CH) _n, - hálfleiðurum efni. Ákveðnar hálfleiðara sýna Magnetic (CD _1-x Mn _x Te) eða ferroelectric eiginleika (SbSI). Annar málmblendis, sem hefur nægilega orðið ofurleiðurum (Gete og SrTiO _3). Margir af nýlega uppgötvast hátt hitastig superconductors hafa málmi hálfleiðandi áfanga. Til dæmis, La ₂ CuO ₄ er hálfleiðara, en myndun á ál með Sr verður sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Physics kennslubækur gefa definltion as hálfleiðaraefninu með rafeðlisviðnám sem nemur frá 10 ^-4 til 10 ⁷ ohm · m. Kannski val skilgreiningu. Breidd bannað bils sem í hálfleiðara - frá 0 to 3 eV. Málmar og semimetals - efni með núll orku bilið, og efninu bætt við þar sem það fer yfir W eV sem kallast einangrara. Það eru undantekningar. Til dæmis, hálfleiðara demantur hefur breiður forboðna svæðinu 6 eV, hálf-einangrunar Gaas - 1,5 eV. Gan, efni til optoelectronic tæki í bláa svæðinu, hefur bannað band breidd 3,5 eV.

orka bilið

Valence svigrúm stöðu frumeinda í kristalgrindinni er skipt í tvo hópa magni orku - A Free Zone, sem staðsett er á hæsta stigi, og ákvarðar rafleiðninnar hálfleiðara, og gildisrafeindirnar band, hér fyrir neðan. Þessi stig, allt eftir samhverfu á kristals grindarskipan og atóm getur skarast eða væru aðskilin með hvert frá öðru. Í síðara tilvikinu er orka bilið, eða með öðrum orðum, á milli bannað hljómsveitinni svæði.

Staðsetning og vökvahæð er ákvörðuð af leiðandi eiginleika efnisins. Samkvæmt þessari lögun efni deilt með leiðara, einangrurum, og hálfleiðara. Breidd bannað bils sem í hálfleiðara breytilegt 0.01-3 eV, orku bilið á dielectric en 3 eV. Málmar vegna skörunar á orku eyður stigum eru það ekki.

Hálfleiðara og einangrara, öfugt við málma, eru rafeindir fyllt gildisrafeindir band og næstu tollfrjálst svæði, eða á leiðni band, er gildistengi orkan er afgirt úr rupture - hluti bannað-orku rafeinda.

Í rafsvara varmaorku eða óveruleg rafsvið er ekki nóg að gera að hoppa í gegnum þetta bil, eru rafeindir ekki háð leiðni band. Þeir eru ekki að fara í gegnum kristal grindurnar og verða berar rafstraum.

Til orku á rafleiðni, rafeind í gildisrafeindir stigi ætti að fá orku, sem væri nóg til að sigrast á orku bilið. Aðeins þegar magn frásogs orku er ekki minni en verðmæti bilið orku, mun fara frá gildisrafeindir rafeind stig á leiðni stigi.

Í því tilfelli, ef breidd orku bilið yfir 4 eV, leiðni hálfleiðara örvun geislun eða hitun er nánast ómögulegt - að örvun orka rafeinda við ríkjandi hitastig og bráðnun er ekki nóg til að hoppa orku bilið þar gírinn. Þegar hituð, kristal bráðnar í rafræna leiðni. Slík efni eru kvars (De = 5,2 eV), demanti (De = 5,1 eV), mörg sölt.

Extrinsic og innri leiðni hálfleiðara

Net hálfleiðurum kristallar hafa áhrif til leiðni. Slík hálfleiðarar réttum nöfnum. Innri hálfleiðurum inniheldur jafnmörg holur og frjáls rafeinda. Þegar hita eðlislæga leiðni hálfleiðara eykst. Vid fast hitastig, það er skilyrði fyrir dynamic jafnvægi magn af sem eru fengnar rafeinda-holu par og fjölda recombining rafeindir og holur sem starfa áfram stöðug við þessar aðstæður.

Tilvist óhreininda hefur áhrif verulega rafleiðni hálfleiðara. Bæta þeim gerir stórlega fjölga frjáls rafeinda á fáeinum holur og fjölga holur með litlum fjölda rafeinda í leiðni stigi. Óhreinindum sem hálfleiðara - leiðarana sem jafna óhreinindi leiðni.

Óhreinindi eru auðveldlega Styrkja rafeindir eru kallaðir gjafa. Gjafa óhreinindi geti frumefni með atómunum, gildisrafeindir stigum sem innihalda fleiri rafeindir en atóm af grunnefninu. Til dæmis, fosfór og bismút - a sílikon gjafa óhreinindum.

Orkan sem þarf til að hoppa af rafeindar í leiðni svæðinu, er kallað örvun orku. Óhreinindi hálfleiðurum þarf mikið minna af henni en grunnefninu. Með lítilsháttar hitun eða ljósi, aðallega leystur rafeindir atómunum á óhreinindanna hálfleiðara. Setja fór atóm tekur rafeinda holu. En rafeinda gat endurröðun á sér ekki stað. gjafa gat leiðni er hverfandi. Þetta er vegna þess að lítið magn af óhreinindum atóma leyfa ekki frjáls rafeinda oft nær holu og að halda það. Rafeindir eru nokkrar holur, en eru ekki fær um að fylla þá vegna ófullnægjandi orku stigi.

Lítilsháttar aukefni gjafa óhreinindum nokkrir pantanir eykur fjölda leiðni rafeinda í samanburði við fjölda frjáls rafeinda í innri hálfleiðurum. Rafeindir hér - helstu flytjenda lotukerfinu gjöld af óhreinindum hálfleiðara. Þessi efni tilheyra n-gerð hálfleiðara.

Óhreinindi sem binda rafeindir hálfleiðara, fjölga holur í það, kallast samþykkjandi. Acceptor óhreinindi eru frumefni með minni fjölda rafeinda í gildistengi verði en undirstaða af the hálfleiðara. Bór, gallium, indium oralloys - samþykkjandi óhreinindi í sílikon.

Eiginleikar hálfleiðara eru háðir kristal bygginguna galla þess. Þetta veldur því að nauðsyn þess að vaxa mjög hreint kristalla. Gildi hálfleiðaraefninu leiðni stjórnað með þvf að bæta dopants. Silicon kristallar íbætt með phosphoms (V undirhópum frumefni) sem breytist gjafa til að búa til kristal sílikon N-gerð. Fyrir kristal með p-gerð kísill sem gefinn er boron samþykkjandi. Hálfleiðara bætt Fermi stigi að færa það inn í the miðja af the band bilið búin til á þennan hátt.

einn-þáttur hálfleiðara

Algengasta hálfleiðurum er, að sjálfsögðu, sílikon. Ásamt Þýskalandi, var hann frumgerð af stórum flokki hálfleiðara sem hafa svipuð kristal mannvirki.

Uppbygging kristal Si og ge eru þau sömu og þessi af demantur og a-tini. Það umlykja hvert atóm 4 hvar næstu atóm sem mynda fjórflötunginn. Slík samræming er kallað fjórum sinnum. Kristallar tetradricheskoy skuldabréfa stáli stöð fyrir rafeindatækni iðnaður og gegna mikilvægu hlutverki í nútíma tækni. Sumir af þeim þáttum í V. og VI lotukerfisins hópnum eru einnig hálfleiðara. Sem dæmi um þessa tegund af hálfleiðara - fosfór (P), brennisteini (S), selen (Se) og Tellúr (TE). Þessar hálfleiðara geta verið triple atoms (P), tvíútskipt (S, Se, Te) eða fjórfalt samhæfingu. Þar af leiðandi slík atriði geta fyrirfundist í nokkrum mismunandi uppbyggingu kristallað, og einnig er hægt að búa til á formi gler. Til dæmis, Se vaxið í monoclinic og trigonal kristalbyggingum eða sem glugga (sem einnig er hægt að líta á sem fjölliðu).

- Diamond hefur framúrskarandi hitauppstreymi leiðni, framúrskarandi vélrænni og sjón eiginleika, hár vélrænni styrk. Breidd orku bilið - De = 5,47 eV.

- Silicon - hálfleiðurum sem notuð eru í sól frumur, og myndlausu formi, - í þunn-filma sól frumur. Það er mest notað í hálfleiðurum sól frumur, auðvelt að framleiða, hefur góða raf-og vélbúnaðar eiginleika. De = 1,12 eV.

- German - hálfleiðurum notað í gamma-geisli litrófsgreiningu, afkastamikil sól frumur. Notað í fyrstu díóða og smára. Það krefst minni þrif en sílikon. De = 0,67 eV.

- Selen - hálfleiðurum, sem er notað í selen afriðlar hafa mikla geislun mótstöðu og getu til að lækna sig.

Two-Frumefni í sambandi

Eiginleikar hálfleiðarar myndaðar Elements 3 og 4 í lotukerfinu, töflunum líkjast eiginleika efnasambanda 4 hópa. Umskiptin frá 4 hópa sem staka sem á að efnasambönd 3-4 gr. Það gerir samskipti meðal annars vegna þess jónandi gjald þjónusta rafeindir frá atóms til atóm 3 Group 4 Group. Ionicity breytir eiginleika hálfleiðara. Það veldur aukningu í Coulomb orku og jón-ion milliverkunum orku bilið rafeinda band uppbyggingu. DÆMI tvígildum efnasamböndum af þessari gerð - indíum antimonide, InSb, gallium arsenide GaAs, gallium antimonide gasb, indíum phosphide Náttúruvefsjárinnar, ál antimonide AlSb, gallium phosphide gap.

Ionicity eykst og gildi þess vex fleiri hópa í efnasamböndum 2-6 efnasambönd, eins og kadmíum Seleníðið, sink súlfíð, kadmíum súlfíð, kadmíum Telluride, sink Seleníðið. Þar af leiðandi, að meirihluti efnasambanda 2-6 hópum bannað band breiðari en 1 eV, nema kvikasilfurssambanda. Mercury Telluride - án þess að orku bilið hálfleiðara, hálf-málmi, eins og a-tini.

Hálfleiðara 2-6 hópar með stærri orku bilið að nota við framleiðslu á leysir og sýna. Binary hópar 6 2- efnasambandið sem myndast með minnkað skarð orku sem hentar til innrauða móttakara. Tvígildum efnasamböndum af þætti hópa 1-7 (cuprous brómíð CuBr, AGI silfur joðíð, kopar klóríð CuCI) vegna mikils ionicity hafa víðtækari bandgap W eV. Þeir gera í raun ekki hálfleiðara og einangrara. Crystal growth festingu orku vegna Coulomb interionic víxlverkun auðveldar uppbyggingarefni atóm sem salt með sjötta röð, í stað þess að annars stigs samræma. Efnasambönd 4-6 hópar - súlfíð, blý Telluride, tin súlfíð - eins og hálfleiðara. Ionicity þessara efna stuðlar einnig myndun sixfold samhæfingu. Mikið ionicity útilokar ekki tilvist sem þeir hafa mjög þröngt band eyður, þeir geta vera notaður til að fá innrauða geislun. Gallium nitride - efnasamband hópar 3-5 með a breiður orku bilið, finna forrit í hálfleiðurum leysir og ljós-emitting díóða sem starfa í bláa hluta litrófsins.

- GaAs, gallium arsenide - á eftirspurn eftir annarri sílikon hálfleiðurum er almennt notað sem undirlag fyrir aðra leiðara, til dæmis, GaInNAs og InGaAs í setodiodah innrauða, hátíðni smára og ICS, mjög duglegur sólarrafhlöðum, leysir díóða, skynjari kjarnorku lækna. De = 1,43 eV, sem bætir máttur tæki í samanburði við sílikon. Brothætt, inniheldur fleiri óhreinindi Erfitt er að framleiða.

- ZnS, sink súlfíð - sínk salt brennisteinsvetnis við hinn forboðna hljómsveitinni svæðanna og 3,54 3,91 eV, sem notuð eru í leysa og sem fosfór.

- SNS, tin súlfíð - hálfleiðara sem notuð eru í photoresistors og photodiodes, De = 1,3 og 10 eV.

oxíð

The málmoxíð eru ákjósanlega framúrskarandi einangrurum, en það eru undantekningar. Sem dæmi um þessa tegund af hálfleiðara - nikkel oxiði, Koparoxíð, cobalt oxíð, kopar díoxíð, járnoxíð, Europium oxíði, sink oxíð. Þar sem kopar díoxíð er til staðar sem steinefnið cuprite, voru eiginleika hennar rannsökuð ákafur. The aðferð til ræktunar þessari tegund af hálfleiðara er ekki enn alveg ljóst, svo sem notkun þeirra er enn takmörkuð. Undantekningu er sink oxíð (ZnO), efnaflokkar 2-6, er notaður sem transducer og í framleiðslu á lím spólur og plástrar.

Ástandið breyst verulega eftir að superconductivity var uppgötvað í mörgum efnasamböndum með kopar saman við súrefni. Fyrsti Hátt hitastig Superconductor opna Bednorz og Muller, efnasamband hálfleiðara byggð á LA ₂ Cuo _4, orku bilið 2 EV. Að skipta út tvígildan þrígildrar lanthanum, en það er baríum eða strontíum, sem sett er í hálfleiðara hleðslu flytjenda af holum. Ná nauðsynlegum holu styrk sem gerir La ₂ Cuo ₄ ofurleiðara. Á þessum tíma, hámarks hitastig yfir í hið ofurleiðari ríkisins tilheyrir og hjá efnasambandi HgBaCa ₂ Cu, ₃ O _8. Undir miklum þrýstingi, gildi þess er 134 K.

ZnO, sink oxíð Varistor er notað, blá ljós-emitting díóða, gasskynjurum líffræðilegum skynjara, húðun glugga til að endurspegla innrautt ljós, sem hljómsveitarstjóri í LCD skjám og sól rafhlöður. De = 3.37 eV.

lagskiptar kristallar

Double efiiasambönd eins og diiodide blý, gallium Seleníðið og mólýbdeni disulphide eru mismunandi lagskipta kristal bygginguna. Lögin eru samgild tengi af töluverðri styrk, miklu sterkari en van der Waals tengi milli laga sig. Hálfleiðara svo gerð eru áhugaverð vegna þess að rafeindirnar haga sér í lögum hálf-tvívíð. Milliverkanir af lögum er breytt með því að innleiða utan atómum - innskota.

MOS _2, mólýbden dísúlfíð er notað í skynjari hátíðni, afriðlar, Memristor, smára. De = 1,23 og 1,8 eV.

lífræn hálfleiðarar

Dæmi um hálfleiðara á grundvelli lífrænna efnasambanda - naftalen, polyacetylene _{(CH2) n,} antrasen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Lífræn hálfleiðarar hafa yfirburði yfir ekki lífræna: þeir eru auðvelt að gefa þau gæði sem óskað. Efni með samtengdu tengi myndist -C = C-C = búa yfir verulegri optical ekki línulegt og, vegna þessa, í Optoelectronics beitt. Þar að auki, orkubandbil lífrænt hálfleiðara Efnasamband með formúluna breytileg breyting sem mun auðveldara en hefðbundin hálfleiðara. Kristallað allotropes á fullerenes kolefni, Graphene, nanotubes - líka hálfleiðara.

- Fullerene er með byggingu, í formi lokuðum kúptum polyhedron ugleoroda jafnvel fjöldi atóma. A lyfjamisnotkun fullerene C ₆₀ við alkalí málm umbreytir honum samt í ofurleiðara.

- grafít kolefni einatóma lagið er myndað, er tengdur í tvívíð hexagonal grindurnar. Færsla hefur leiðni og rafeind hreyfanleika, hár stífni

- nanotubes eru vals inn í rörið grafít plötunni sem hefur með þvermál sem er nokkrum nanómetrar. Þessar tegundir af kolefni hafa mikla loforð í nanoelectronics. Það fer eftir festingu má málmi eða hálfleiðurum gæði.

segulmagnaðir hálfleiðara

Efnasambönd með segul jónum af Europium og mangan hafa forvitinn Magnetic og hálfleiðandi eiginleika. Sem dæmi um þessa tegund af hálfleiðara - Europium súlfíð, Seleníðið Europium og föstum lausnir, svo Cd _1-x Mn _x Te. Innihald segul jóna hefur áhrif á bæði efnin sýna seguleiginleika svo sem eins og ferromagnetism og antiferromagnetism. Semimagnetic hálfleiðara - er hart segulmagnaðir hálfleiðara lausnir sem innihalda á segulmagnaðir jóna í lágum styrk. Slík solid lausn vekja athygli möguleika og mikla möguleika á hugsanlegum umsóknum. Til dæmis, í mótsögn við non-segulmagnaðir hálfleiðara, geta þeir náð milljón sinnum stærri Faraday snúningur.

Sterk magnetooptical áhrif segulmagnaðir hálfleiðara leyfa notkun þeirra til sjón mótum. Perovskites, eins og Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, eru eiginleikar hennar betri en málm-hálfleiðara umskipti, þar sem beinar fíkn á segul niðurstöður sviðin í fyrirbæri risastór magneto-viðnáms. Þau eru notuð í útvarpi, sjón-tæki, sem er stjórnað af segulsviði, örbylgjuofn waveguide tæki.

hálfleiðurum ferroelectrics

Þessi tegund kristallar einkennist af nærveru í rafknúnum alltaf þegar og verða af sjálfsdáðum skautun. Til dæmis, eru slík eiginleikar hálfleiðara leiða titanate PbTiO _3, baríum titanate BaTiO _3, German Telluride, Gete, tin Telluride SnTe sem við lágt hitastig með ferroelectric eiginleika. Þessi efni eru notuð í ólínulegum sjón, piezoelectric skynjurum og minni tæki.

A fjölbreytni af hálfleiðara efni

Auk þess að hálfleiðurum efni sem nefnd eru hér að ofan, þá eru margir aðrir sem falla ekki undir einn af þessum tegundum. Efnasambönd með formúlu 1-3-5 þættir ₂ (AgGaS ₂₎ og 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ mynda chalcopyrite kristal bygginguna. Hafa samband við tetrahedral fram efnasambönd hliðstæðra hálfleiðara 3-5 og 2-6 hópa með zinc Blende kristal bygginguna. Efnasambönd sem mynda hálfleiðara Elements 5 og 6 hópa (svipað og til dæmis ₂ Se _3), - í hálfleiðurum í formi kristal eða gler. Chalcogenides af bismút og antímon eru notuð í hálfleiðurum thermoelectric rafala. Eiginleikar þessa tegund af hálfleiðara er mjög áhugavert, en þeir hafa ekki náð vinsældum vegna takmarkaðs umsókn. Hins vegar sú staðreynd að þeir eru fyrir hendi, staðfestir tilvist enn ekki rannsakað að fullu á sviði hálfleiðara eðlisfræði.