Příklady polovodičů. Druhy, vlastnosti, praktické aplikace

Nejznámější je polovodič křemík (Si). Ale na rozdíl od něho, existuje mnoho dalších. Příklady jsou přírodní, jako polovodičové materiály jako Blende (ZnS), kuprit (Cu ₂ O), galenit (PbS) a mnoho dalších. Rodina polovodičů, včetně polovodičů připravených v laboratořích, představuje jeden z nejvíce různorodých tříd materiálů, které lidstvo zná.

Charakterizace polovodičů

Ze 104 prvků periodické tabulky jsou kovy 79, 25 - nekovy, z nichž 13 chemické prvky vykazují polovodičové vlastnosti a 12 - dielektrické. Hlavní polovodičové funkce spočívá v tom, že jejich vodivost výrazně zvyšuje se zvyšující se teplotou. Při nízkých teplotách se chovají jako izolátory a při vysoké - jako vodiče. Tyto polovodiče jsou odlišné od kovu: odolnost kovu se zvyšuje úměrně s nárůstem teploty.

Další rozdíl od polovodičového kovu je, že odpor polovodiče klesne pod vlivem světla, kdežto ve druhém kov není ovlivněn. Také vodivost polovodičů se mění, když jsou podávány s malým množstvím nečistot.

Polovodiče lze nalézt mezi chemických sloučenin s různými krystalických strukturách. Může se jednat o prvky, jako je křemík a selen, nebo dvojité sloučenin, jako je arsenide gallium. Mnoho organických sloučenin, jako je například polyacetylene, (CH) _n, - polovodičové materiály. Některé polovodiče vykazují magnetickou (CD _1-x Mn _x TE) nebo feroelektrické vlastnosti (SBSI). Další legování s dostatečnými supravodičů stanou (GeTe a SrTiO _3). Mnohé z těchto nově objevených vysokoteplotních supravodičů má kovový polovodičový fáze. Například, La ₂ CuO ₄ je polovodič, ale tvorba slitiny s Sr stává sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Fyzika učebnice dát definici jako polovodičového materiálu s elektrickým odporem 10 ^-4 až 10 ⁷ ohmů · m. Možná alternativa definice. Šířka zakázaného pásu polovodiče - od 0 do 3 eV. Kovy a polokovy - materiál s nulovou energií mezerou, a látky, ve které přesahuje W eV zvané izolátory. Existují však výjimky. Například, polovodičový diamant má široké zakázané pásmo 6 eV, semi-izolační GaAs - 1,5 eV. GaN, materiál pro optoelektronických zařízení v modré oblasti, obsahuje zakázané pásmu o šířce 3,5 eV.

mezera energie

Valenční orbitaly atomů v krystalové mřížce jsou rozděleny do dvou skupin po energetických hladin - svobodného pásma, která se nachází na nejvyšší úrovni, a určuje elektrickou vodivost polovodičů, a valenčním pásu, níže. Tyto úrovně, v závislosti na symetrii příhradová konstrukce a atomy krystalu mohou protínat nebo mohou být od sebe vzdáleny. V posledně uvedeném případě je energie mezera, nebo jinými slovy, mezi zakázaných pásových oblastí.

Umístění a stupeň plnění je určena vodivé vlastnosti materiálu. Podle tohoto znaku látky dělené vodičů, izolantů a polovodičů. Šířka zakázaného pásu polovodiče mění 0.01-3 eV, energetickou mezeru dielektrika než 3 eV. Kovy v důsledku překrytí energetických hladin nejsou mezery.

Polovodiče a izolátory, na rozdíl od kovů, elektrony jsou vyplněny valenční pásmo a nejbližší volné pásmo nebo pásma vodivosti, mocenství energie oplocen z ruptury - část zakázaných energií elektronů.

V dielektrika tepelné energie nebo zanedbatelné elektrické pole není dost, aby skok přes tento nedostatek, elektrony nejsou předmětem pásmu vodivosti. Jsou schopny se pohybovat krystalové mřížce a stávají se nositeli elektrického proudu.

Pro napájení elektrickou vodivost, by měly být elektron v úrovni valence vzhledem k energii, která by byla dostatečně překonat mezeru energie. Pouze v případě, že množství absorpce energie není menší než hodnota energetické mezeře, přejdou z úrovně valenční elektron na úrovni vedení.

V tomto případě, je-li šířka štěrbiny energie přesáhne 4 eV, vodivost polovodičové budicí ozařování nebo zahřívání je prakticky nemožné, - budicí energie elektronů při teplotě tání, není dostatečná pro skok mezery energie zónou. Při zahřátí se krystal taje před elektronickou vodivostí. Tyto látky zahrnují křemen (DE = 5,2 eV), diamant (DE = 5,1 eV), mnoho soli.

Vnější a vnitřní vodivost polovodičové

Čisté polovodičové krystaly mají vnitřní vodivost. Tyto polovodiče vlastních jménech. Vlastní polovodič obsahuje stejný počet otvorů a volných elektronů. Při ohřevu vnitřní vodivost polovodičů zvyšuje. Při konstantní teplotě, je podmínkou dynamického množství rovnovážné generovaných párů elektron-díra a počet rekombinantním elektronů a děr, které jsou stálé za těchto podmínek.

Přítomnost nečistot významně ovlivňuje elektrické vodivosti polovodiče. Přidáním umožňuje výrazně zvyšuje počet volných elektronů na malý počet otvorů a zvýšit počet otvorů s malým počtem elektronů v úrovni vedení. Nečistot polovodiče - vodiče, které mají vodivost nečistot.

Nečistoty se jednoduše darovat elektrony jsou nazývány dárce. Dárcovské nečistoty mohou být chemické prvky s atomy, na úrovni valence, které obsahují více elektronů než atomy základního materiálu. Například, fosforu a vizmut - křemíkovém dárce nečistot.

Energie potřebná pro skok elektronu v oblasti vedení, se nazývá aktivační energie. Nečistota polovodič potřebovat mnohem méně, než základní materiál. S mírným zahříváním nebo světlo převážně zbaví elektrony atomy nečistot polovodičů. Umístěte levý atom má elektronový otvor. Ale rekombinace elektron díra nekoná. dárce otvor vodivost je zanedbatelný. To je proto, že malé množství atomů nečistot neumožňují volné elektrony často blíže k otvoru, a aby se udržela. Elektrony jsou některé díry, ale nejsou schopni je naplnit z důvodu nedostatečné energetické úrovni.

Mírné přísada dárce nečistota několik řádů zvyšuje počet elektronů vedení ve srovnání s počtem volných elektronů na vnitřní polovodiče. Elektrony zde - hlavními nositeli atomových nábojů nečistot polovodičů. Tyto látky patří k polovodičů n-typu.

Nečistoty, které se vážou elektrony polovodiče, zvýšení počtu otvorů v něm, s názvem akceptor. Akceptorů nečistoty jsou chemické prvky s menším počtem elektronů v úrovni valence než základny polovodiče. Boru, gallia, india - akceptor nečistota v křemíku.

Charakteristiky polovodičových jsou závislé na jeho krystalové struktury defektů. To způsobí, že nutnost roste nesmírně čisté krystaly. Parametry polovodičového vedení řízena přídavkem dopantů. Křemíkové krystaly dopované fosforu (V podskupiny prvku), která je dárcem vytvoření krystalů křemíku n-typu. Pro krystal s p-křemíku typu podávaného boru akceptoru. Polovodiče kompenzován Fermiho ji přesunout do středu zakázané pásmo vytvořené tímto způsobem.

single-element polovodiče

Nejběžnější polovodič je, samozřejmě, křemík. Spolu s Německem, byl prototyp velkou třídu polovodičů, které mají podobné krystalové struktury.

Struktura krystalu Si a Ge jsou stejné jako u diamantu a a-cínu. To obklopují každý atom 4 nejbližší atomy, které tvoří čtyřstěn. Taková koordinace se nazývá čtyřikrát. Krystaly tetradricheskoy vazba ocelová základna pro elektronický průmysl a hrají klíčovou roli v moderních technologií. Některé prvky V a VI periodické tabulky skupiny jsou také polovodiče. Příklady tohoto typu polovodičů - fosfor (P), síru (S), selen (Se) a telur (Te). Tyto součástky mohou být trojné atomy (P), disubstituovaný (S, Se, Te) nebo čtyřnásobné koordinace. V důsledku toho takové elementy mohou existovat v několika různých krystalických struktur, a také být připraveny ve formě skla. Například, Se pěstuje v monoklinické a trigonální krystalové struktury nebo jako okno (které mohou být také považována za polymer).

- Diamond má vynikající tepelnou vodivost, vynikající mechanické a optické vlastnosti, vysokou mechanickou pevnost. Šířka mezery energie - DE = 5,47 eV.

- Křemík - polovodičové použity v solárních článků, a amorfní formy, - v tenkovrstvých solárních článků. To je nejvíce používán v polovodičových solárních článků, snadno se vyrábí, má dobré elektrické a mechanické vlastnosti. dE = 1,12 eV.

- Germanium - polovodičové použitý v gama spektroskopie, vysoký výkon solárních článků. Používá se v prvních diod a tranzistorů. To vyžaduje méně čištění než křemík. dE = 0,67 eV.

- selen - polovodič, který je používán v selenu usměrňovačů, které mají vysokou odolnost proti záření a schopnost léčit sám.

sloučeniny Dvouprvkové

Vlastnosti polovodičů vytvořených prvků 3 a 4 periodické soustavy prvků skupin podobají vlastností sloučenin 4 skupiny. Přechod od 4 skupin prvků na sloučeniny 3-4 gramy. To je částečně proto, že komunikace iontový náboj dopravy elektrony od atomu k atomu 3 Skupina 4 Skupina. Ionicity mění vlastnosti polovodiče. To způsobuje zvýšení energie a ion-ion interakce energetická mezera struktury elektronů pásma Coulombova. Příklad binární sloučeniny tohoto typu - antimonid india, InSb, galium arsenide GaAs, galium antimonide GaSb, fosfid india InP, hliník antimonide AlSb, fosfid gallia mezery.

Ionicity zvyšuje a jeho hodnota roste více skupin ve sloučeninách 2-6 sloučeniny, jako je kadmium selenidu, sulfid zinečnatý, sulfid kadmia, teluridu kademnatého, selenidu zinečnatého. Výsledkem je, že většina sloučenin 2-6 skupiny zakázané pásmo širší než 1 eV, s výjimkou sloučenin rtuti. Mercury Telluride - bez energetické mezery polovodičů, kovových polotovarů, jako je a-cínu.

Polovodiče 2-6 skupiny s větším použití find energie mezery ve výrobě laserů a displejů. Binární skupiny 6 2- sloučenina se zúženým mezery energii vhodnou pro infračervené přijímače. Binární sloučeniny prvků ze skupin 1-7 (bromid měďný CuBr, Agl jodid stříbrný, chlorid měďnatý CuCl) Vzhledem k vysoké ionicity mít širší bandgap W eV. Oni dělají ne vlastně polovodiče a izolanty. Crystal růst ukotvení energie v důsledku Coulombova meziiontový interakci usnadňuje atomy strukturování sůl s šestým pořadí, namísto kvadratický souřadnic. Sloučeniny 4-6 skupiny - sulfid, tellurid olova, cínu, sulfidické - jako polovodiče. Ionicity těchto látek rovněž podporuje koordinaci tvorbu šestkrát. Mnohem ionicity nevylučují přítomnost mají velmi úzké mezery pásma, které mohou být použity pro příjem infračerveného záření. Galliumnitrid - sloučeniny skupiny 3-5 se širokou energetickou mezerou, nacházejí uplatnění v polovodičové lasery a diody vyzařující světlo působí v modré části spektra.

- GaAs, arsenid galia - na vyžádání po druhé křemíkové polovodičové se běžně používá jako substrát pro další vodiče, například, GaInNAs a InGaAs, v setodiodah infračervené, vysokofrekvenční tranzistory a obvody, vysoce účinných solárních článků, laserové diody, detektory jaderného vyléčení. dE = 1,43 eV, což zlepšuje napájecích zařízení, ve srovnání s křemíkem. Křehký, obsahuje více nečistot obtížné vyrobit.

- ZnS, sirník zinečnatý - zinečnatá sůl sirovodíku s zakázaných pásových oblastí a 3,54 3,91 eV, které se používají v laserech a jako fosfor.

- SnS, cín sirníkové - polovodičové používá v fotoresistorech a fotodiod, dE = 1,3 a 10 eV.

oxidy

Oxidy kovů jsou s výhodou vynikající izolační látky, ale existují výjimky. Příklady tohoto typu polovodičů - oxid niklu, oxid mědi, oxid kobaltu, mědi, oxid železa, oxid europium, oxid zinečnatý. Vzhledem k tomu existuje měď uhličitý jako minerální kupritu, jeho vlastnosti byly intenzivně studovány. Postup pro pěstování tohoto typu polovodičových ještě není zcela jasná, takže je jejich použití stále ještě omezené. Výjimkou je oxid zinečnatý (ZnO), sloučenina skupiny 2-6, je používán jako snímače a na výrobu lepící pásky a omítek.

Situace se dramaticky změnila po supravodivost byla objevena v mnoha sloučenin mědi s kyslíkem. První vysoká teplota supravodič otevřít Bednorz a Muller, byla sloučenina polovodič na bázi La ₂ CuO _4, energetické mezeře 2 eV. Dosazením dvojmocné trojmocného lanthanu, barya nebo stroncia, která byla zavedena do polovodiče nosičů náboje děr. Dosažení koncentrace díry dělá La ₂ CuO ₄ supravodič. V tomto okamžiku, je nejvyšší teplota přechodu do supravodivého stavu patří sloučenina HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Při vysokém tlaku, jeho hodnota je 134 K.

ZnO, varistor oxid zinečnatý je použit, modré světelné diody, senzorů, biologických senzorů, povlaky okna odrážet infračervené světlo, jako vodič v LCD displeje a solárních baterií. dE = 3,37 eV.

vrstvené krystaly

Dvojité sloučeniny jako dijodidem olova, galia selenid a sirník molybdenu lišit vrstevnatou krystalovou strukturu. Vrstvy jsou kovalentní vazby na značné síly, mnohem silnější, než jsou van der Waalsovy vazby mezi samotnými vrstvami. Polovodiče jako typ jsou zajímavé proto, že elektrony se chovají ve vrstvách kvazi-dvojrozměrné. Interakce vrstev je změněn zavedením mimo atomů - interkalaci.

_MoS2, molybden disulfid se používá ve vysokofrekvenčních detektorů, usměrňovačů, memristoru, tranzistory. dE = 1,23 a 1,8 eV.

organické polovodiče

Příklady polovodičů na bázi organických sloučenin - naftalenu, polyacetylen (CH _{2) n,} anthracen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Organické polovodiče mají výhodu oproti neorganické: jsou snadno k udělení požadované kvality. Látky s konjugovanými vazbami tvoří C = C-C = mají podstatnou optické nelinearity a, v důsledku toho, v optoelektronice aplikovaných. Kromě toho se energie zakázaný pás organického polovodiče sloučenina obecného vzorce měnit změnou, že mnohem jednodušší, než u běžných polovodičích. Krystalické allotropes uhlíku fullerenů, grafenu, nanotrubice - také polovodičů.

- fullerenů má strukturu ve tvaru uzavřeného konvexní polyhedron ugleoroda sudý počet atomů. Antidopingového fullerenů C ₆₀ s alkalickým kovem přeměňuje ji na supravodič.

- grafit uhlík jednoatomoví vrstva je vytvořena, je připojen v dvojrozměrném hexagonální mřížky. Záznam má vodivost a pohyblivost elektronu, vysokou tuhost

- nanotrubice svine do trubice grafitové desky o průměru několika nanometrů. Tyto formy uhlíku mají velký příslib v oblasti nanoelektroniky. V závislosti na spojce, může být kovový nebo polovodičový kvality.

magnetické polovodiče

Sloučeniny s magnetickými ionty europia a manganu má kuriózní magnetických a polovodivých vlastnosti. Příklady tohoto typu polovodičů - europia sulfid, selenid europium a pevné roztoky, jako je _{CD-1 x} Mn _x Te. Obsah magnetických iontů ovlivňuje obě látky mají magnetické vlastnosti, jako jsou ferromagnetism a antiferromagnetismu. Semimagnetic polovodiče - je tvrdý magnetické součástky roztoky, které obsahují magnetické ionty v nízké koncentraci. Takové tuhé roztoky upoutat pozornost své vyhlídky a velkým potenciálem možných aplikací. Například na rozdíl od nemagnetických polovodičích, mohou dosáhnout miliónkrát větší Faradayova rotace.

Silné magnetooptické účinky magnetických polovodičů umožňují jejich použití pro optické modulace. Perovskity, jako Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, jeho vlastnosti jsou lepší než kov-polovodič přechodu, který přímé závislosti na magnetické pole v výsledky jevu obří magneto-odpor. Používají se v rádiových, optických zařízení, které jsou ovládány prostřednictvím magnetického pole, mikrovlnnou troubou vlnovodných struktur.

polovodičové feroelektrika

Tyto krystaly typu se vyznačuje tím, že se jejich elektrických momenty a výskyt spontánní polarizace. Například, takové vlastnosti polovodiče vést titaničitan PbTiO _3, titaničitan barnatý Batio _3, germanium, teluridu GeTe, cín telurid SNTE, která při nízkých teplotách mají feroelektrické vlastnosti. Tyto materiály se používají v nelineárních optických, piezoelektrické senzory a paměťových zařízení.

Různé polovodičových materiálů

Kromě polovodičových materiálů uvedených výše, existuje mnoho dalších, které nespadají do jedné z těchto typů. Sloučeniny obecného vzorce 1-3-5 prvky ₂ (AgGaS ₂₎ a 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ tvoří chalkopyritem krystalovou strukturu. Kontakt čtyřboký sloučenin analogických polovodiče 3-5 a 2-6 skupiny s zinku Blende krystalové struktuře. Sloučeniny, které tvoří polovodičových prvků 5 a 6 skupin (podobně jako ₂ Se _3), - polovodič ve formě krystalu nebo skla. Chalkogenidy bismutu a antimonu jsou používány v polovodičové termoelektrických generátorů. Vlastnosti tohoto typu polovodičů je velmi zajímavé, ale oni nemají získal popularitu kvůli omezenému použití. Avšak skutečnost, že existují, potvrdí přítomnost ještě není plně prozkoumána oblast fyziky polovodičů.