Esempi di semiconduttori. Tipi, proprietà, applicazioni pratiche

Il più noto è il silicio semiconduttore (Si). Ma oltre a lui, ci sono molti altri. Esempi sono, tali materiali semiconduttori naturali come blenda (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PbS) e molti altri. La famiglia di semiconduttori, tra cui i semiconduttori preparati in laboratori, rappresenta una delle più diverse classi di materiali che l'uomo conosca.

Caratterizzazione di semiconduttori

Dei 104 elementi della tavola periodica sono metalli 79, 25 – metalloidi da cui i 13 elementi chimici possiedono proprietà di semiconduttore e 12 – dielettrici. Funzione semiconduttore principale consiste nel fatto che la loro conduttività aumenta significativamente con l'aumentare della temperatura. A basse temperature, si comportano come isolanti, e ad alto – come conduttori. Questi semiconduttori sono differenti da metallo: metallo di resistenza aumenta proporzionalmente all'aumento della temperatura.

Un'altra differenza dal metallo semiconduttore è che la resistenza del semiconduttore diminuisce sotto l'influenza della luce, mentre nel secondo il metallo non viene influenzato. Anche la conducibilità dei semiconduttori varia quando somministrato ad una quantità minore di impurità.

Semiconduttori si trovano tra i composti chimici con diverse strutture cristalline. Questi possono essere elementi come il silicio e selenio, o composti doppi come arseniuro di gallio. Molti composti organici, quali poliacetilene, (CH) _n, – materiali semiconduttori. Alcuni semiconduttori mostrano magnetico (Cd _1-x Mn _x Te) o in ferroelettrici (SBSI). Altra lega con diventano superconduttori sufficienti (GETE e SrTiO _3). Molti dei superconduttori ad alta temperatura recentemente scoperte hanno fase metallica semiconduttore. Ad esempio, La ₂ CuO ₄ è un semiconduttore, ma la formazione della lega con Sr diventa sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

testi di fisica danno definizione come materiale semiconduttore con una resistività elettrica da 10 ^-4 a 10 ⁷ ohm · m. Forse una definizione alternativa. La larghezza della banda proibita del semiconduttore – da 0 a 3 eV. Metalli e semimetalli – un materiale da zero energy gap, e la sostanza in cui esso supera W eV detti isolatori. Ci sono delle eccezioni. Ad esempio, un diamante semiconduttore ha un'ampia proibita zona 6 eV, un semi-isolante GaAs – 1,5 eV. GaN, un materiale per dispositivi optoelettronici nella regione blu, ha una larghezza di banda proibita di 3,5 eV.

il gap di energia

Valenza orbitali di atomi nel reticolo cristallino sono divisi in due gruppi di livelli energetici – una zona libera, situate al più alto livello, e determina la conducibilità elettrica di semiconduttori, e la banda di valenza, sotto. Questi livelli, a seconda della simmetria della struttura reticolo cristallino e atomi possono intersecarsi o essere distanziati l'uno dall'altro. In quest'ultimo caso v'è un gap di energia, o in altre parole, tra le zone di banda proibita.

La posizione e il livello di riempimento è determinata dalle proprietà conduttive del materiale. Secondo questa sostanza caratteristica diviso per i conduttori, isolanti e semiconduttori. La larghezza della banda proibita del semiconduttore varia 0,01-3 eV, il gap di energia del dielettrico di 3 eV. Metalli a causa della sovrapposizione di livelli di gap di energia non sono.

Semiconduttori ed isolanti, contrariamente ai metalli, gli elettroni sono riempiti banda di valenza e la zona libera più vicina, o banda di conduzione, l'energia valenza è recintata dalla rottura – porzione di energie proibite di elettroni.

Nei dielettrici energia termica o campo elettrico trascurabile non è sufficiente a rendere il salto attraverso questa lacuna, gli elettroni non sono soggette alla banda di conduzione. Essi sono in grado di muoversi attraverso il reticolo cristallino e diventano portatori della corrente elettrica.

Per eccitare la conducibilità elettrica, un elettrone nel livello valenza dovrebbe essere data l'energia, che sarebbe sufficiente per superare il gap di energia. Solo quando la quantità di assorbimento di energia non è minore del valore di energy gap, passerà dal livello elettrone di valenza al livello di conduzione.

In tal caso, se la larghezza del gap di energia supera 4 eV, conducibilità semiconduttore eccitazione irradiazione o riscaldamento è praticamente impossibile – l'energia di eccitazione degli elettroni alla temperatura di fusione non è sufficiente a saltare il divario energia attraverso la zona. Quando riscaldato, il cristallo si fonde prima della conduttività elettronica. Tali sostanze includono quarzo (dE = 5,2 eV), diamante (dE = 5,1 eV), molti sali.

Estrinseca ed intrinseca semiconduttore conducibilità

cristalli semiconduttori nette hanno una conduttività intrinseca. Tali semiconduttori nomi propri. semiconduttore intrinseco contiene un numero uguale di fori ed elettroni liberi. Quando si riscalda conducibilità intrinseca di semiconduttori aumenta. A temperatura costante, v'è una condizione di equilibrio dinamico quantità di coppie elettrone-lacuna generate e il numero di elettroni e lacune ricombinanti, che rimangono costanti in queste condizioni.

La presenza di impurità influenza in modo significativo la conducibilità elettrica di semiconduttori. aggiungendoli permette un notevole aumento del numero di elettroni liberi in un piccolo numero di fori e di aumentare il numero di fori con un piccolo numero di elettroni nel livello di conduzione. semiconduttori impurità – conduttori aventi conducibilità impurità.

Le impurità vengono facilmente donare elettroni sono chiamati donatore. impurità donatrici possono essere elementi chimici con gli atomi, i livelli di valenza che contengono più elettroni che gli atomi del materiale di base. Ad esempio, fosforo e bismuto – un'impurità donatrici silicio.

L'energia necessaria per il salto di un elettrone nella regione di conduzione, è chiamata energia di attivazione. L'impurità semiconduttori bisogno di un sacco di meno di esso rispetto al materiale di base. Con un leggero riscaldamento o luce prevalentemente liberato elettroni degli atomi dei semiconduttori impurità. Inserire lasciato l'atomo prende un foro di elettroni. Ma la ricombinazione buco elettrone non ha luogo. foro donatore conducibilità è trascurabile. Questo perché una piccola quantità di atomi di impurità non permettono elettroni liberi spesso più vicino al foro e per tenerlo. Gli elettroni sono alcuni fori, ma non sono in grado di riempire loro a causa di insufficiente livello di energia.

Un leggero additivo donatore impurezza diversi ordini aumenta il numero di elettroni di conduzione rispetto al numero di elettroni liberi nel semiconduttore intrinseco. Gli elettroni qui – i principali portatori di cariche atomiche di semiconduttori impurità. Queste sostanze appartengono ai semiconduttori di tipo n.

Impurità che legano gli elettroni del semiconduttore, aumentando il numero di fori in esso, detto accettore. impurità accettrici sono elementi chimici con un minor numero di elettroni di valenza livello della base del semiconduttore. Boro, gallio, indio – accettore impurezza in silicio.

Le caratteristiche del semiconduttore dipendono suoi difetti struttura cristallina. Ciò causa la necessità di crescita di cristalli estremamente puri. I parametri di conduzione semiconduttore controllato con l'aggiunta di droganti. cristalli di silicio drogati con fosforo (elemento sottogruppo V) che è un donatore per creare silicio monocristallino di tipo n. Per il cristallo con un accettore boro silicio di tipo p somministrata. Semiconduttori compensati livello di Fermi per spostarlo in mezzo band gap creato in questo modo.

semiconduttori a singolo elemento

Il semiconduttore più comune è, naturalmente, silicio. Insieme con la Germania, è stato il prototipo di una vasta classe di semiconduttori che hanno strutture cristalline simili.

struttura cristallina Si e Ge sono la stessa di quella di diamante e α-stagno. Si circondano ogni atomo 4 atomi vicini che formano un tetraedro. Tale coordinamento è chiamato quattro volte. Cristalli tetradricheskoy Base in acciaio bond per l'industria elettronica e svolgono un ruolo chiave nella tecnologia moderna. Alcuni degli elementi V e VI del gruppo tavola periodica sono anche semiconduttori. Esempi di questo tipo di semiconduttori – fosforo (P), zolfo (S), Selenio (Se) e tellurio (Te). Questi semiconduttori possono essere atomi triple (P), disostituito (S, Se, Te) o un coordinamento di quattro volte. Di conseguenza possono esistere tali elementi in diverse strutture cristalline differenti, e anche essere preparata in forma di bicchiere. Ad esempio, Se coltivate in strutture cristalline monoclino e trigonale o come una finestra (che può anche essere considerato come un polimero).

– Diamond ha un'ottima conducibilità termica, eccellenti proprietà meccaniche ed ottiche, elevata resistenza meccanica. La larghezza della fessura energia – dE = 5,47 eV.

– Silicone – semiconduttore usato nelle celle solari, e forma amorfa, – in un celle solari a film sottile. È il più utilizzato nelle celle solari a semiconduttori, di facile costruzione, ha buone proprietà elettriche e meccaniche. DE = 1,12 eV.

– Germanio – semiconduttore usato nella spettroscopia a raggi gamma, celle solari ad alte prestazioni. Uso nei primi diodi e transistori. Esso richiede meno pulizia di silicio. DE = 0,67 eV.

– Selenio – un semiconduttore, che viene utilizzato nelle raddrizzatori selenio aventi una elevata resistenza alle radiazioni e la capacità di guarire se stesso.

composti di due elementi

Proprietà dei semiconduttori formate elementi 3 e 4 dei gruppi tavola periodica assomigliano le proprietà dei composti 4 gruppi. Il passaggio da 4 gruppi di elementi di composti 3-4 gr. Rende comunicazione in parte perché ionici elettroni di trasporto di carica da un atomo all'altro 3 Gruppo 4 Gruppo. Ionicità modifica le proprietà dei semiconduttori. Provoca un aumento nell'interazione energia e ione-ione energy gap di banda di elettroni struttura Coulomb. ESEMPIO composti binari di questo tipo – antimoniuro di indio, InSb, GaAs arseniuro di gallio, antimoniuro di gallio GaSb, fosfuro di indio InP, antimoniuro di alluminio AlSb, fosfuro di gallio lacuna.

aumenti Ionicità e il suo valore cresce più gruppi di composti 2-6 composti, quali seleniuro di cadmio, solfuro di zinco, solfuro di cadmio, tellururo di cadmio, seleniuro di zinco. Di conseguenza, la maggior parte dei composti 2-6 gruppi banda proibita più ampia di 1 eV, ad eccezione di composti di mercurio. Mercury Telluride – senza spacco semiconduttore energia, semi-metallo, come α-stagno.

Semiconduttori 2-6 gruppi con un maggior utilizzo scoperta energy gap nella produzione di laser e display. gruppi binari 6 2- composti con un'energia gap ridotto adatto per ricevitori a infrarossi. composti binari di elementi dei gruppi 1-7 (Cubr rameoso bromuro, ioduro di Agi argento, cloruro di rame CuCl) dovute alla elevata ionicità hanno ampia bandgap W eV. Essi in realtà non semiconduttori e isolanti. crescita di cristalli di ancoraggio energia dovuta alla interazione coulombiana interionic facilita atomi strutturanti sale con sesto ordine, anziché la coordinata quadratica. Composti 4-6 gruppi – solfuro, tellururo di piombo, stagno solfuro – come semiconduttori. Ionicità di queste sostanze promuove anche il coordinamento formazione sei volte. Molto non Ionicità preclude la presenza hanno un gap banda molto stretta, possono essere utilizzati per la ricezione di radiazione infrarossa. Nitruro di gallio – un gruppi composti 3-5 con un ampio intervallo di banda, trovano applicazione in laser a semiconduttore e diodi emettitori di luce che operano nella parte blu dello spettro.

– GaAs, arseniuro di gallio – su richiesta dopo il secondo semiconduttore di silicio è comunemente usato come substrato per altri conduttori, per esempio, GaInNAs e InGaAs, in setodiodah infrarossi, transistori ad alta frequenza e circuiti integrati, celle solari altamente efficienti, diodi laser, rivelatori di cura nucleare. dE = 1,43 eV, che migliora i dispositivi di potenza rispetto al silicio. Fragile, contiene più impurità difficili da fabbricare.

– ZnS, solfuro di zinco – sale di zinco del solfuro di idrogeno con le zone banda proibita e 3,54 3,91 eV, utilizzati nei laser e come fosforo.

– SnS, solfuro di stagno – semiconduttore utilizzato in fotoresistori e fotodiodi, dE = 1,3 e 10 eV.

ossidi

Gli ossidi metallici sono preferibilmente eccellenti isolanti, ma ci sono eccezioni. Esempi di questo tipo di semiconduttori – ossido di nichel, ossido di rame, ossido di cobalto, biossido di rame, ossido di ferro, ossido di europio, ossido di zinco. Poiché biossido rame esiste come cuprite minerale, le sue proprietà sono state studiate intensamente. La procedura per la coltivazione di questo tipo di semiconduttore non è ancora del tutto chiaro, quindi il loro uso è ancora limitato. Un'eccezione è l'ossido di zinco (ZnO), gruppi composti 2-6, viene utilizzato come trasduttore e nella produzione di nastri adesivi e intonaci.

La situazione è cambiata drasticamente dopo la superconduttività è stato scoperto in molti composti di rame con l'ossigeno. Il primo superconduttore ad alta temperatura aprire Bednorz e Muller, fu semiconduttore composto basato su La ₂ CuO _4, il gap di energia di 2 eV. Sostituendo bivalente trivalente lantanio, bario o stronzio, introdotto nei portatori di carica semiconduttore di fori. Raggiungere la concentrazione necessaria foro rende La ₂ CuO ₄ superconduttore. A questo punto, la temperatura più alta di transizione allo stato superconduttivo appartiene composti HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Ad alta pressione, il suo valore è 134 K.

ZnO, ossido di zinco varistore viene utilizzato, i diodi emettitori di luce blu, sensori di gas, sensori biologici, rivestimenti finestre per riflettere la luce infrarossa, come conduttore nei display LCD e batterie solari. DE = 3.37 eV.

cristalli stratificati

Composti doppi come piombo diioduro, seleniuro di gallio e bisolfuro di molibdeno differiscono struttura cristallina stratificata. Gli strati sono legami covalenti di notevole forza, molto più forti dei legami di van der Waals fra gli strati stessi. Semiconduttori come tipo sono interessanti perché gli elettroni si comportano in strati di un quasi-bidimensionale. Interazione dei livelli viene modificato introducendo atomi esterni – intercalazione.

MoS _2, bisolfuro di molibdeno è usato nei rivelatori ad alta frequenza, raddrizzatori, memristor, transistori. DE = 1,23 e 1,8 eV.

semiconduttori organici

Esempi di semiconduttori sulla base di composti organici – naftalene, poliacetilene (CH _{2) n,} antracene, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. semiconduttori organici hanno un vantaggio rispetto non biologici: sono facili da impartire la qualità desiderata. Sostanze aventi legami coniugati formano -C = C-C = possiedono sostanziale ottico non linearità e, per questo, in optoelettronica applicate. Inoltre, la band gap energetico composto organico semiconduttore di formula variano cambiamento molto più semplice di quella dei semiconduttori convenzionali. allotropi cristalline di fullereni di carbonio, grafene, nanotubi – anche semiconduttori.

– Fullerene ha una struttura a forma di un poliedro convesso chiusa ugleoroda numero pari di atomi. Un drogaggio fullerene C ₆₀ con un metallo alcalino trasforma in un superconduttore.

– strato monoatomico grafite è formato, è collegata in un reticolo esagonale bidimensionale. Record ha conducibilità e la mobilità degli elettroni, alta rigidità

– nanotubi sono rotolato in una piastra tubiera di grafite avente un diametro di diversi nanometri. Queste forme di carbonio hanno una grande promessa nel campo della nanoelettronica. A seconda del giunto può essere di qualità metallico o semiconduttore.

semiconduttori magnetici

Composti con ioni magnetici di europio e manganese hanno curiosi proprietà magnetiche e semiconduttori. Esempi di questo tipo di semiconduttori – solfuro europio, seleniuro europio e soluzioni solide, quali Cd _1-x Mn _x Te. Il contenuto degli ioni magnetici colpisce sia sostanze presentano proprietà magnetiche come ferromagnetismo e antiferromagnetism. Semimagnetic semiconduttori – è un disco soluzioni semiconduttori magnetici contenenti ioni magnetici a bassa concentrazione. Tali soluzioni solide attirare l'attenzione del vostro prospetto e un grande potenziale di applicazioni possibili. Ad esempio, a differenza dei semiconduttori non magnetici, possono raggiungere un milione di volte più grande Faraday rotazione.

Forti effetti magneto di semiconduttori magnetici consentono il loro utilizzo per la modulazione ottica. Perovskiti, come Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, le sue proprietà sono superiori a transizione metallo-semiconduttore, che dipendenza diretta i risultati del campo magnetico del fenomeno della magnetoresistenza gigante resistività. Essi sono utilizzati in radio, dispositivi ottici, che sono controllati da un campo magnetico, un dispositivo a microonde in guida d'onda.

ferroelettrici semiconduttore

Questo cristalli tipo è caratterizzato dalla presenza nella loro momenti elettrici e la comparsa di polarizzazione spontanea. Ad esempio, tali proprietà sono semiconduttori portano titanato PbTiO _3, bario titanato Batio _3, tellururo di germanio, Gete, stagno tellururo SnTe, che alle basse temperature hanno proprietà ferroelettrici. Questi materiali sono utilizzati nella ottici, sensori piezoelettrici lineari e dispositivi di memoria.

Una varietà di materiali semiconduttori

Oltre ai materiali semiconduttori di cui sopra, ci sono molti altri che non rientrano in uno di questi tipi. I composti di formula 1-3-5 elementi ₂ (AgGaS ₂₎ e 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ formano una struttura cristallina calcopirite. Contattare composti tetraedrici semiconduttori analoghi 3-5 e 2-6 gruppi con una struttura cristallina blenda. Composti che formano elementi a semiconduttore 5 e 6 gruppi (simili a As ₂ Se _3), – il semiconduttore in forma di cristallo o vetro. Calcogenuri di bismuto e antimonio sono utilizzati nei generatori termoelettrici semiconduttori. Le proprietà di questo tipo di semiconduttore è estremamente interessante, ma non hanno guadagnato popolarità a causa della limitata applicazione. Tuttavia, il fatto che esistono, conferma la presenza di non ancora completamente studiate campo della fisica dei semiconduttori.