Eżempji ta 'semikondutturi. Tipi, proprjetajiet, l-applikazzjonijiet prattiċi

L-aktar famuża hija l silikon semikondutturi (Si). Imma barra minnu, hemm ħafna oħrajn. Eżempji huma naturali, materjali semikondutturi bħal blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PBS) u ħafna oħrajn. Il-familja ta 'semikondutturi, inklużi semikondutturi ppreparati fil-laboratorji, tirrappreżenta waħda mill-klassijiet aktar diversa ta' materjali magħrufa għall-bniedem.

Karatterizzazzjoni ta 'semikondutturi

Mill-elementi 104 tat-tabella perjodika huma metalli 79, 25 - nonmetals li minnu l-13 elementi kimiċi għandhom proprjetajiet semikunduttur u 12 - dielettriku. Karatteristika semikondutturi prinċipali jikkonsisti f'dak konduttività tagħhom żżid b'mod sinifikanti bit-temperatura tiżdied. F'temperaturi baxxi, huma jaġixxix bħal iżolaturi, u fl għoli - kif kondutturi. Dawn semikondutturi huma differenti minn metall: Reżistenza metall jiżdied b'mod proporzjonali maż-żieda fit-temperatura.

Differenza oħra mid-metall semikondutturi huwa li r-reżistenza tal-semikondutturi inaqqas taħt l-influwenza ta 'dawl, filwaqt li fl-aħħar il-metall ma jiġix affettwat. Ukoll l-konduttività ta 'semikondutturi tvarja meta jingħata għal ammont żgħir ta' impurità.

Semikondutturi huma jinstabu fost komposti kimiċi bi strutturi kristall differenti. Dawn jistgħu jkunu elementi bħal silikon u selenju, jew komposti doppja bħal gallju. Komposti ħafna organiċi, bħal polyacetylene, (CH) _n, - materjali semikondutturi. Ċerti semikondutturi juru manjetika (Cd _{1 x} Mn _x Te) jew proprjetajiet ferroelettriċi (SbSI). Oħra ta 'liga ma superkondutturi jsiru suffiċjenti (GETE u SrTiO _3). Ħafna mill-superkondutturi ta 'temperatura għolja għadhom kif ġew żvelati jkollu fażi semikunduttur metalliku. Per eżempju, La ₂ CuO ₄ huwa semikonduttur, iżda l-formazzjoni tal-liga ma 'Sr isir sverhrovodnikom (La _{1 x} Sr _{x) 2} CuO _4.

kotba fiżika jagħtu definizzjoni bħala l-materjal semikonduttur bi Reżistività elettrika ta 'bejn 10 ^-4 sa 10 ⁷ ohms · m. Forsi definizzjoni alternattiva. Il-wisa 'tal-faxxa projbit tal-semikondutturi - 0-3 eV. Metalli u semimetals - minn materjal vojt enerġija żero, u s-sustanza li dan jaqbeż W eV imsejħa iżolaturi. Hemm eċċezzjonijiet. Per eżempju, djamant semikondutturi għandu projbit wiesgħa żona 6 eV, ta 'semi insulazzjoni GaAs - 1,5 eV. Gan, materjal għal apparati optoelectronic fir-reġjun blu, għandu medda ta 'frekwenzi pprojbita ta' 3.5 eV.

l-vojt enerġija

orbitals valenza tal atomi fil-kannizzata kristall huma maqsuma f'żewġ gruppi ta 'livelli ta' enerġija - żona ħielsa, li jinsabu fl-ogħla livell, u jiddetermina l-konduttività elettrika ta 'semikondutturi, u l-istrixxa valenza, hawn taħt. Dawn il-livelli, skond il-simetrija tal-istruttura kannizzata kristall u atomi jistgħu jiltaqgħu jew ikunu spazjati minn xulxin. Fl-aħħar każ hemm nuqqas ta 'enerġija, jew fi kliem ieħor, bejn iż-żoni band projbit.

Il-post u l-livell ta 'mili huwa determinat mill-proprjetajiet konduttivi tal-materjal. Skond din is-sustanza karatteristika, diviż bl-kondutturi, iżolaturi, u semikondutturi. Il-wisa 'tal-faxxa projbit tal-semikondutturi tvarja 0.01-3 eV, id-differenza enerġija tal-dielettriku minn 3 eV. Metalli minħabba l-koinċidenza ta 'livelli lakuni enerġija mhumiex.

Semikondutturi u iżolaturi, b'kuntrast għall-metalli, l-elettroni huma mimlija medda valenza u ż-żona ħielsa eqreb jew il-faxxa konduzzjoni, l-enerġija valenza huwa maqtugħa minn qsim - porzjon ta 'enerġiji projbiti ta' elettroni.

Fil dielettriċi enerġija termali jew kamp elettriku negliġibbli mhuwiex biżżejjed biex jagħmlu l-qabża permezz ta 'dan il-vojt, l-elettroni mhumiex soġġetti għall-faxxa konduzzjoni. Huma kapaċi jiċċaqalqu permezz tal-kannizzata kristall u jsiru trasportaturi ta 'l-kurrent elettriku.

Energize l-konduttività elettrika, elettron fil-livell valenza għandhom jingħataw l-enerġija, li tkun biżżejjed biex tegħleb il-qasma enerġija. Huwa biss meta l-ammont ta 'assorbiment ta' enerġija mhux iżgħar mill-valur ta 'distakk enerġija, se jgħaddu mill-valenza livell elettron fuq il-livell konduzzjoni.

F'dak il-każ, jekk il-wisa 'tal-vojt enerġija jisboq 4 eV, konduttività semikondutturi irradjazzjoni eċitazzjoni jew tisħin huwa virtwalment impossibbli - l-enerġija eċċitazzjoni tal-elettroni fil-temperatura tat-tidwib mhuwiex biżżejjed biex jaqbżu l-vojt enerġija miż-żona. Meta msaħħan, il-kristall idub qabel il-konduttività elettroniċi. Sustanzi bħal dawn jinkludu kwarz (dE = 5,2 eV), djamant (dE = 5,1 eV), ħafna imluħa.

Estrinsiċi u intrinsika semikondutturi konduttività

kristalli semikondutturi nett jkollhom konduttività intrinsika. Tali semikondutturi ismijiet xierqa. semikondutturi intrinsika fih numru ugwali ta 'toqob u elettroni ħielsa. Meta tisħin konduttività intrinsika ta semikondutturi żidiet. F'temperatura kostanti, hemm kundizzjoni ta 'ammont ekwilibriju dinamiku ta' pari elettron toqba iġġenerat u n-numru ta 'elettroni u toqob jiżżewweġ, li jibqgħu kostanti taħt dawn il-kondizzjonijiet.

Il-preżenza ta 'impuritajiet jaffettwa b'mod sinifikanti l-konduttività elettrika ta' semikondutturi. Żiedhom jippermetti jżidu sew l-għadd ta 'elettroni ħielsa fuq numru żgħir ta' toqob u jiżdied in-numru ta 'toqob b'numru żgħir ta' elettroni fil-livell konduzzjoni. semikondutturi impurità --kondutturi li għandhom il-impurità konduttività.

Impuritajiet huma faċilment jiddonaw elettroni huma msejħa donatur. impuritajiet donaturi jistgħu jkunu elementi kimiċi ma 'l-atomi, il-livelli valenza li fihom elettroni aktar mill-atomi tal-materjal tal-bażi. Per eżempju, fosfru u bismut - a impuritajiet donaturi silikon.

L-enerġija meħtieġa għall-qabża ta elettron fir-reġjun konduzzjoni, huwa msejjaħ enerġija attivazzjoni. semikondutturi impurità bżonn ħafna inqas minnu mill-materjal tal-bażi. Bil-tisħin żgħir jew dawl b'mod predominanti meħlusa elettroni ta 'atomi tal-semikondutturi impurità. Poġġi ħalla l-atomu jieħu toqba elettron. Iżda l-rikombinazzjoni toqba elettron ma sseħħx. konduttività toqba donatur huwa negliġibbli. Dan huwa minħabba ammont żgħir ta 'atomi impurità ma jippermettux elettroni ħielsa spiss eqreb lejn l-toqba u biex iżommha. Elettroni huma xi toqob, iżda mhumiex kapaċi biex jimlewhom minħabba livell ta 'enerġija insuffiċjenti.

Addittiv impurità żgħira donatur diversi ordnijiet jżid in-numru ta 'elettroni konduzzjoni meta mqabbla man-numru ta' elettroni ħielsa fil-semikondutturi intrinsika. Elettroni hawn - it-trasportaturi prinċipali ta 'ħlasijiet atomiċi ta' semikondutturi impurità. Dawn is-sustanzi jappartjenu lill-semikondutturi n--tip.

Impuritajiet li jorbtu elettroni ta 'l-semikondutturi, tiżdied in-numru ta' toqob fiha, imsejħa aċċettatur. impuritajiet aċċettatur huma elementi kimiċi ma 'numru iżgħar ta' elettroni fil-livell valenza mill-bażi tal-semikondutturi. Boron, gallju, l-indju - impurità aċċettatur tas-silikon.

Il-karatteristiċi tal-semikondutturi huma dipendenti fuq difetti istruttura kristall tagħha. Dan jikkaġuna l-ħtieġa ta 'tkabbir kristalli estremament pur. Il-parametri tal-konduttività semikondutturi kkontrollata biż-żieda ta dopants. kristalli tas-silikon doped bil-fosfru (element sottogrupp V) li hija donatur biex joħolqu silikon kristall n-tip. Għal kristall bil-aċċettatur boron-tip pġ silikon amministrati. Semikondutturi kkumpensati livell Fermi li jġorrhom fis-nofs tad-differenza medda maħluqa b'dan il-mod.

semikondutturi-element wieħed

L-semikondutturi aktar komuni huwa, ovvjament, silikon. Flimkien mal-Ġermanja, kien l-prototip ta 'klassi kbira ta' semikondutturi li għandhom strutturi kristall simili.

Istruttura kristallina Si u Ge huma l-istess bħal dak ta 'djamant u α-landa. Hija jdawru kull atomu 4 eqreb atomi li jiffurmaw tetrahedron. Tali koordinazzjoni jissejjaħ erba 'darbiet. Kristalli tetradricheskoy bażi azzar bond għall-industrija elettronika u għandhom rwol ewlieni fit-teknoloġija moderna. Uħud mill-elementi V u VI tal-grupp tabella perjodika huma wkoll semikondutturi. Eżempji ta 'dan it-tip ta' semikondutturi - fosfru (P), kubrit (S), selenju (Se) u Tellurju (Te). Dawn semikondutturi jistgħu jkunu atomi tripla (P), disubstituted (S, Se, Te) jew koordinazzjoni erba 'darbiet. Bħala riżultat dawn l-elementi jistgħu jeżistu f'diversi strutturi kristallin differenti, u jkunu lesti wkoll fil-forma ta 'ħġieġ. Per eżempju, Se mkabbra fl-istrutturi kristall monoclinic u trigonal jew bħala tieqa (li tista 'wkoll titqies bħala polimeru).

- Diamond għandha konduttività termali eċċellenti, il-proprjetajiet mekkaniċi u ottiċi eċċellenti, robustezza mekkanika għolja. Il-wisa 'tal-vojt enerġija - dE = 5,47 eV.

- Silicon - semikondutturi użati fiċ-ċelluli solari, u l-forma amorfu, - fi skema ċelluli solari film irqiq. Hija l-aktar użata fiċ-ċelluli solari semikondutturi, faċli għall-manifattura, għandu proprjetajiet elettriċi u mekkaniċi tajba. dE = 1,12 eV.

- Germanium - semikondutturi użati fil-ispettroskopija gamma-ray, prestazzjoni għolja ċelluli solari. Użati fl-ewwel diodes u transisters. Hija teħtieġ tindif inqas minn silikon. dE = 0,67 eV.

- Selenju - semikonduttur, li huwa użat fil-rettifikaturi selenju li jkollhom reżistenza radjazzjoni għolja u l-abbiltà għall-fejqan innifsu.

Komposti Żewġ element

Proprjetajiet ta 'Semikondutturi Elementi 3 u 4 tal-gruppi perjodiċi tabella ffurmati jixbhu l- proprjetajiet ta' komposti 4 gruppi. It-tranżizzjoni mill-4 gruppi ta 'elementi li komposti 3-4 gr. Jagħmel komunikazzjoni parzjalment minħabba elettroni joniċi trasport ħlas minn atomu biex atomu 3 Grupp 4 Grupp. Ionicity tibdel il-karatteristiċi ta 'semikondutturi. Dan jikkawża żieda fil-enerġija u jone tal-litju interazzjoni vojt enerġija istruttura medda elettron Coulomb. EŻEMPJU komposti żewġ fibri ta 'dan it-tip - antimonide indju, InSb, GaAs gallju arseniku, gallju antimonide GaSb, phosphide indju INP, antimonide aluminju AlSb, GaP gallju fosfin.

żidiet Ionicity u l-valur tagħha tikber aktar gruppi f'komposti 2-6 komposti, bħal selenide kadmju, sulfid taż-żingu, sulfid tal-kadmju, tellurur tal-kadmju, selenid taż-żingu. Bħala riżultat, il-maġġoranza ta 'komposti 2-6 gruppi projbit medda usa' minn 1 eV, ħlief komposti tal-merkurju. Merkurju Telluride - mingħajr semikondutturi vojt enerġija, semi-metall, bħall-α-landa.

Semikondutturi 2-6 gruppi b'użu akbar ssib lakuna enerġija fil-produzzjoni tal-lasers u displays. gruppi Binarju 6 2- kompost b'enerġija distakk naqas adattati għal riċevituri infrared. Komposti żewġ fibri ta 'elementi tal-gruppi 1-7 (CuBr kupriku bromur, AGI jodur fidda, klorur tar-ram CuCl) minħabba l-ionicity għolja għandhom usa bandgap W eV. Huma jagħmlu ma attwalment semikondutturi, u iżolaturi. tkabbir ta 'kristalli ankrar enerġija minħabba Coulomb interazzjoni interionic tiffaċilita atomi istrutturar melħ bil-sitt ordni, minflok il-kwadratiċi jikkoordinaw. Komposti 4-6 gruppi - sulfid, Telluride ċomb, landa sulfid - kif semikondutturi. Ionicity ta 'dawn is-sustanzi tippromwovi wkoll il-koordinazzjoni formazzjoni b'sitt darbiet. Ħafna ma ionicity jipprekludix il-preżenza dawn ikollhom differenzi frekwenza dejqa ħafna, dawn jistgħu jintużaw biex tirċievi radjazzjoni infra-ħamra. Gallju nitrad - gruppi kompost 3-5 bi spazju enerġija wiesa ', issib applikazzjoni fil lejżers semikondutturi u light-emitting diodes li joperaw fil-parti blu tal-ispettru.

- GaAs, gallju - on-demand wara t-tieni semikondutturi silikon huwa komunement użat bħala sottostrat għal kondutturi oħra, per eżempju, GaInNAs u InGaAs, fil infra-aħmar setodiodah, transisters frekwenza għolja u ICS, ċelloli solari effiċjenti ħafna, laser diodes, ditekters tal-kura nukleari. dE = 1,43 eV, li jtejjeb il-mezzi ta 'enerġija meta mqabbla ma' silikon. Fraġli, fih aktar impuritajiet diffiċli għall-manifattura.

- ZnS, żingu sulfid - melħ taż-żingu ta 'sulfidi idroġeni ma' l-żoni band projbit u 3.54 3.91 eV, użati fil lasers u bħala fosforu.

- SNS, sulfid landa - semikondutturi użati f'fotoreżisturi u photodiodes, dE = 1,3 u 10 eV.

ossidi

L-ossidi tal-metall preferibbilment huma iżolaturi eċċellenti, iżda hemm eċċezzjonijiet. Eżempji ta 'dan it-tip ta' semikondutturi - ossidu tan-nikil, ossidu tar-ram, ossidu tal-kobalt, dijossidu ramm, ossidu tal-ħadid, ossidu ewropjum, ossidu taż-żingu. Peress teżisti dijossidu ram bħala l-cuprite minerali, il-proprjetajiet tiegħu kienu studjati b'mod intensiv. Il-proċedura għall-kultivazzjoni ta 'dan it-tip ta' semikondutturi għadu mhux ċar għal kollox, għalhekk l-użu tagħhom għadu limitat. Eċċezzjoni hija l-ossidu taż-żingu (ZnO), il-gruppi komposti 2-6, jintuża bħala l-transducer u fil-produzzjoni ta tejpijiet li jwaħħlu u tikħil.

Is-sitwazzjoni inbidlet b'mod drammatiku wara superconductivity ġiet skoperta f'ħafna komposti ta 'ram ma ossiġnu. L-ewwel supertrażmettituri temperatura għolja tiftaħ Bednorz u Muller, kien semikondutturi komposti bbażati fuq La ₂ CuO _4, id-differenza enerġija tat-2 eV. Tissostitwixxi bivalenti trivalenti lantanum, barju jew strontium, introdotti fil-trasportaturi ta 'ċarġijiet semikondutturi ta toqob. Kisba tal-konċentrazzjoni toqba meħtieġ jagħmel La ₂ CuO ₄ supertrażmettituri. F'dan iż-żmien, l-ogħla temperatura ta 'transizzjoni għall-istat superkonduttivi jappartjeni kompost HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Fi pressjoni għolja, il-valur tagħha huwa 134 K.

ZnO, varistor ossidu taż-żingu huwa użat, blu dajowds jarmu d-dawl, sensuri tal-gassijiet, sensuri bijoloġiċi, twieqi kisi li jirriflettu d-dawl infra-aħmar, bħala konduttur fil-wiri LCD u batteriji solari. dE = 3.37 eV.

kristalli ub'saffi

Komposti Double bħal ċomb diiodide, selenid gallju u disulfid tal-molibdenu differenti istruttura tal-kristall stratifikata. Is-saffi huma rabtiet kovalenti ta 'saħħa konsiderevoli, aktar b'saħħithom mill-bonds Waals van der bejn is-saffi nfushom. Semikondutturi bħal tip huma interessanti minħabba li l-elettroni jaġixxu fi strati ta 'kważi żewġ dimensjonijiet. Interazzjoni ta 'saffi tinbidel bl-introduzzjoni atomi barra - interkalazzjoni.

MoS _2, disulfide molibdenu huwa użat fil ditekters frekwenza għolja, rettifikaturi, memristor, transisters. dE = 1,23 u 1.8 eV.

semikondutturi organiċi

Eżempji ta 'semikondutturi fuq il-bażi ta' komposti organiċi - naftalina, polyacetylene (CH _{2) n,} antraċen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. semikondutturi organiċi għandhom vantaġġ fuq mhux organiċi: huma faċli biex jagħtu l-kwalità mixtieqa. Sustanzi bonds konjugat jiffurmaw = -C = C-C jippossjedu sostanzjali non-linearità ottiċi u, minħabba dan, fil opto-elettronika applikati. Barra minn hekk, id-distakk medda enerġija semikondutturi organiku kompost tal-formula jvarjaw bidla li ħafna eħfef minn dak ta 'semikondutturi konvenzjonali. allotropes kristallina ta fullerenes karbonju, graphene, nanotubes - ukoll semikondutturi.

- Fullerene għandha struttura fil-forma ta 'magħluqa ugleoroda polyhedron konvess anke numru ta' atomi. A fullerene doping C ₆₀ ma 'metall alkali tibdilha supertrażmettituri.

- saff monoatomiku karbonju grafit huwa ffurmat, huwa konness b'mod kannizzata eżagonali żewġ dimensjonijiet. Rekord għandu konduttività u l-mobilità elettroni, riġidità għolja

- nanotubes huma rrumblati fi pjanċa tubu grafit li għandhom dijametru ta 'diversi f'nanometri. Dawn il-forom ta 'karbonju għandhom potenzjal kbir fil-nanoelettronika. Jiddependi fuq l-agganċament jista 'jkun metallika jew semikondutturi kwalità.

semikondutturi manjetiċi

Komposti b'jonji manjetiċi ta ewropjum u manganiż għandhom proprjetajiet manjetiċi u semikunduttur kurjuż. Eżempji ta 'dan it-tip ta' semikondutturi - sulfid ewropjum, ewropjum selenid u soluzzjonijiet solidi, bħal Cd _1-x Mn _x Te. Il-kontenut tal-joni manjetiċi taffettwa kemm is-sustanzi jesebixxu propjetajiet manjetiċi bħall-ferromagnetism u antiferromagnetism. semikondutturi Semimagnetic - huwa iebes semikondutturi soluzzjonijiet manjetiċi li fihom jonji manjetiċi fil-konċentrazzjoni baxxa. Tali soluzzjonijiet solidu jiġbdu l-attenzjoni tal-prospett tiegħek u l-potenzjal kbir ta 'applikazzjonijiet possibbli. Per eżempju, b'kuntrast mal-semikondutturi mhux manjetiċi, huma jistgħu jilħqu miljun darba akbar Faraday rotazzjoni.

Effetti manjetikottiċi qawwija ta 'semikondutturi manjetiċi jistgħu jintużaw għal modulazzjoni ottiċi. Perovskites, bħall Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, proprjetajiet tiegħu huma superjuri għal tranżizzjoni-metall semikondutturi, li dipendenza diretta fuq ir-riżultati kamp manjetiku tal-fenomenu tat ġgant manjeti-reżistenza. Dawn huma użati fil-radju, apparat ottiċi, li huma kkontrollati minn kamp manjetiku, apparati waveguide microwave.

ferroelectrics semikondutturi

Dan kristalli tip huwa kkaratterizzat mill-preżenza fil-mumenti elettriku tagħhom u l-okkorrenza ta 'polarizzazzjoni spontanju. Pereżempju, dawn il-proprjetajiet huma semikondutturi jwassal titanat PbTiO _3, barju titanat BaTiO _3, tellurur ġermanju, GETE, landa tellurur SnTe, li f'temperaturi baxxi għandhom proprjetajiet ferroelettriċi. Dawn il-materjali huma użati fil ottiċi, sensuri pjeżoelettriċi linjari u apparat ta 'memorja.

Varjetà ta 'materjali semikondutturi

Minbarra l-materjali semikondutturi msemmija hawn fuq, hemm ħafna oħrajn li ma jaqgħux taħt wieħed minn dawn it-tipi. Komposti ta 'formula 1-3-5 elementi ₂ (AgGaS ₂₎ u 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ jiffurmaw struttura tal-kristall chalcopyrite. Kuntatt komposti tetrahedral semikondutturi simili 3-5 u 2-6 gruppi bi struttura żingu kristall blende. Komposti li jiffurmaw elementi semikondutturi 5 u 6 gruppi (simili għal As ₂ Se _3), - l-semikondutturi fil-forma ta 'kristall jew ħġieġ. Chalcogenides ta bismut u l-antimonju jintużaw ġeneraturi termo semikondutturi. Il-proprjetajiet ta 'dan it-tip ta' semikondutturi huwa estremament interessanti, iżda dawn ma jkunux kisbu popolarità minħabba l-applikazzjoni limitata. Madankollu, il-fatt li dawn jeżistu, jikkonferma l-preżenza ta 'għada mhux investigati bis-sħiħ qasam tal-fiżika semikondutturi.