Pavyzdžiai puslaidininkiuose. Tipai, savybės, praktinio pritaikymo

Labiausiai žinomas puslaidininkis yra silicis (Si). Tačiau, be jo, yra daugybė kitų. Pavyzdys yra natūralios puslaidininkinės medžiagos, tokios kaip cinko blendas (ZnS), cupritas (Cu ₂ O), galena (PbS) ir daugelis kitų. Puslaidininkių grupė, įskaitant laboratorijose sintezuotus puslaidininkius, yra viena iš daugialypių medžiagų, žinomų žmonėms, klasių.

Puslaidininkių charakteristikos

Iš 104 periodinių lentelių elementų 79 yra metalai, 25 - nemetalai, iš kurių 13 cheminių elementų turi puslaidininkių savybių, o 12 - dielektriniai. Pagrindinis skirtumas tarp puslaidininkių yra tai, kad jų elektrinis laidumas labai didėja didėjant temperatūrai. Esant žemai temperatūrai jie elgiasi kaip dielektrikai, o esant aukštai temperatūrai jie elgiasi kaip laidininkai. Šie puslaidininkiai skiriasi nuo metalų: metalo atsparumas didėja proporcingai temperatūros padidėjimui.

Kitas puslaidininkio ir metalo skirtumas yra tas, kad puslaidininkio pasipriešinimas priklauso nuo šviesos, o metalas neturi įtakos metalui. Puslaidininkių laidumas taip pat keičiasi, įvedant nedidelį priemaišų kiekį.

Puslaidininkiai yra tarp cheminių junginių, turinčių įvairias kristalines struktūras. Tai gali būti elementai, tokie kaip silicis ir selenas, arba dvigubi junginiai, tokie kaip galio arsenidas. Daugelis organinių junginių, pavyzdžiui, poliacetileno (CH) _n, yra puslaidininkinės medžiagos. Kai kurie puslaidininkiai eksponuoja magnetines (Cd _1-x Mn _x Te) arba ferroelektrines savybes (SbSI). Kiti su pakankamu dopingu tampa superlaidžiais (GeTe ir SrTiO ₃ ). Daugelis neseniai atradusių aukštos temperatūros superlaidininkų turi nemetalines puslaidininkines fazes. Pavyzdžiui, La ₂ CuO ₄ yra puslaidininkis, tačiau kai jis sudaro lydinį su Sr, jis tampa superlaidžiu (La _1-x Sr _x ) ₂ CuO ₄ .

Fizikos vadovėliai suteikia puslaidininkio apibrėžimą kaip medžiagą, kurios elektrinė varža yra nuo 10 ^-4 iki 10 ⁷ Ω · m. Taip pat galimas alternatyvus apibrėžimas. Puslaidininkio uždraustos juostos plotis yra nuo 0 iki 3 eV. Metalai ir pusmečiai yra medžiagos su nulinės energijos pertraukos ir medžiagų, kuriose jis viršija 3 eV, vadinamos izoliatoriais. Yra išimčių. Pavyzdžiui, puslaidininkių deimantų draudžiama 6 eV pločio juosta, pusiau izoliuojanti GaAs - 1,5 eV. GaN, medžiaga optoelektroniniams prietaisams mėlyname regione, turi draudžiamą 3,5 eV pločio juostą.

Energijos trūkumas

Atomų kristalinėse grotelėse valentiniai orbitalai yra suskirstyti į dvi energijos lygių grupes - laisvąją zoną, esančią aukščiausiu lygiu, ir nustatantį puslaidininkių elektrinį laidumą, o žemesnę - valentinės juostos dalį. Šie lygiai, priklausomai nuo kristalinės grotelės simetrijos ir atomų sudėties, gali susikirsti arba būti atskirti. Pastaruoju atveju tarp zonų arba, kitaip tariant, uždraustos zonos yra energijos trūkumas.

Lygių vieta ir užpildymas lemia medžiagos laidumą. Remiantis tuo, medžiagos yra padalintos į laidus, izoliatorius ir puslaidininkius. Draudžiamo puslaidininkio juostos plotis svyruoja 0.01-3 eV diapazone, dielektrinio energijos skirtumas viršija 3 eV. Metalai nėra dėl to, kad sutaptų energijos trūkumų lygis.

Priešingai nei metaluose, puslaidininkiai ir dielektrikai turi elektronų užpildytą valentinę juostą, o artimiausia laisvoji zona arba laidumo juosta yra atskirta nuo valentinės energijos spragos - uždraustos elektroninės energijos dalies.

Šiluminės energijos dielektrikuose ar mažame elektriniame lauke nepakanka sprogti per šį spragą, elektronai nepatenka į laidumo juostą. Jie negali judėti kristalinės grotelės ir tapti nešikliu elektros srovės.

Siekiant sužadinti elektrinį laidumą, valentingumo lygmens elektronui reikia suteikti energiją, kuri būtų pakankama, kad įveiktų energijos trūkumą. Tik absorbuojant energijos kiekį, ne mažesnį už energijos trūkumo dydį, elektronas eis nuo valentingumo lygio iki laidumo lygio.

Jei energijos spragos plotis viršija 4 eV, puslaidininkio laidumas generuojamas apšvitinant ar šildant praktiškai neįmanomas - elektronų sužadinimo energija esant lydymosi temperatūrai pasirodė nepakankama, kad galėtų peršokti per energijos suvartojimo zoną. Kai šildomas, krištolas ištirpsta iki elektroninio laidumo atsiradimo. Tokios medžiagos apima kvarcą (dE = 5,2 eV), deimantą (dE = 5,1 eV), daug druskų.

Puslaidininkių priemaiša ir vidinis laidumas

Gryni puslaidininkiniai kristalai turi vidinį laidumą. Tokie puslaidininkiai vadinami nuosavybe. Vidiniame puslaidininkyje yra vienodo skaičiaus skylių ir laisvų elektronų. Kai šildomas, vidinis puslaidininkių laidumas padidėja. Pastovioje temperatūroje susidaro dinaminės pusiausvyros būsena tarp formuojamų elektronų skylių porų skaičiaus ir rekombinuojančių elektronų ir skylių, kurie tam tikromis sąlygomis išlieka pastovūs, skaičiaus.

Nešvarumų buvimas turi didelės įtakos puslaidininkių elektriniam laidumui. Įrašant juos galima gerokai padidinti laisvų elektronų skaičių su nedideliu skylių skaičiumi ir padidinti laidžių skaičių su mažu elektronų skaičiumi laidumo lygiu. Priešpriešiniai puslaidininkiai yra laidininkai, kurių priemaišų laidumas.

Priemaišos, kurios lengvai atsisako elektronus, vadinamos donorais. Donoro priemaišos gali būti cheminiai elementai su atomais, kurių valentingumo lygiai turi daugiau elektronų nei bazinės medžiagos atomai. Pavyzdžiui, fosforas ir bismutas yra silicio donoro priemaišos.

Energija, reikalinga elektronui įsilieti į laidumo sritį, vadinama aktyvacijos energija. Priemaišų puslaidininkiai turi daug mažiau nei pagrindinė medžiaga. Esant nedideliam šildymui ar apšvietimui, daugiausia išleidžiami priemaišų puslaidininkių atomų elektronai. Elektrono palikimo vieta užfiksuoja skylę. Tačiau elektronuose nėra rekombinacijos. Donoro skylės laidumas yra nereikšmingas. Taip yra todėl, kad nedidelis priemaišų atomų kiekis neleidžia laisviems elektronams dažnai artėti prie skylės ir užimti. Elektronai yra šalia skylių, tačiau jie negali užpildyti jų dėl nepakankamo energijos lygio.

Nedidelis priemaišų donoro įvedimas keliais užsakymais padidina laidumo elektronų skaičių, palyginti su laisvų elektronų skaičiumi vidiniame puslaidininkyje. Čia esantys elektronai yra pagrindiniai priemaišų puslaidininkių atomų katalizatoriai. Šios medžiagos klasifikuojamos kaip n tipo puslaidininkiai.

Priemaišos, jungiančios puslaidininkių elektronus, padidinančios skylių skaičių, vadinamos akceptorinėmis. Priėmimo priemaišos yra cheminiai elementai, kuriuose valentingumo lygyje yra mažiau elektronų nei baziniame puslaidininkyje. Boras, galisas, indium yra akceptorinės priemaišos siliciui.

Puslaidininkio charakteristikos priklauso nuo jo kristalinės struktūros defektų. Tai yra priežastis, dėl kurios reikia auginti labai grynus kristalus. Puslaidininkio laidumo parametrai kontroliuojami, pridedant legiravimo priedų. Silicio kristalai yra legiruojami fosforu (V pogrupio elementu), kuris yra donoras n-tipo silicio kristalui gaminti. Norint gauti kristalą su skylės laidumu, boro akceptorius įvedamas į silicį. Panašiai sukurtos puslaidininkiai su kompensuotu Fermi lygiu, kad perkelti jį į uždraustos juostos vidurį.

Vienfaziai puslaidininkiai

Labiausiai paplitęs puslaidininkis, žinoma, yra silicis. Kartu su germaniu jis tapo plačios klasės puslaidininkių su panašių kristalų struktūrų prototipu.

Si ir Ge kristalų struktūra yra tokia pati kaip deimantų ir α-alavo. Jame kiekvienas atomas yra apsuptas 4 artimiausiais atomais, kurie sudaro tetraedrą. Šis koordinavimas vadinamas keturis kartus. Kristalų, turinčių tetradikinį ryšį, tapo pagrindine elektronikos pramonei ir atlieka pagrindinį vaidmenį šiuolaikinėse technologijose. Kai kurie periodinių lentelių V ir VI grupių elementai taip pat yra puslaidininkiai. Tokio tipo puslaidininkių pavyzdžiai yra fosforas (P), siera (S), selenas (Se) ir telūras (Te). Šiuose puslaidininkiuose atomai gali turėti trigubą (P), dvigubą (S, Se, Te) arba keturkampį koordinavimą. Kaip rezultatas, tokie elementai gali egzistuoti keliose skirtingose kristalinėse struktūrose, taip pat gali būti pagaminti iš stiklo. Pavyzdžiui, Se buvo auginamos monoklininiuose ir trigonaliuose kristaliniuose struktūrose arba stiklo pavidalu (kuris taip pat gali būti laikomas polimeru).

- Deimantas turi puikų šilumos laidumą, puikias mechanines ir optines savybes, aukštą mechaninį stiprumą. Energijos skirtumo plotis yra dE = 5,47 eV.

- Silicis - puslaidininkis, naudojamas saulės baterijose ir amorfiniame pavidale - plonasluoksnėse saulės baterijose. Tai labiausiai naudojamas puslaidininkis fotoelementuose, kurį lengva gaminti, turi geras elektrines ir mechanines savybes. DE = 1,12 eV.

- Germaniumas - puslaidininkis, naudojamas gama spektroskopijoje, didelio efektyvumo fotoelementai. Naudojamas pirmuose dioduose ir tranzistoriuose. Reikia mažiau valymo nei silicio. DE = 0,67 eV.

- Selenas - tai puslaidininkis, naudojamas seleno lygintuvuose, kurie turi didelį atsparumą spinduliavimui ir sugebėjimą savarankiškai taisyti.

Dviejų elementų jungtys

Puslaidininkių savybės, suformuotos lentelės Mendelejevo 3 ir 4 grupių elementais, primena 4 grupės medžiagų savybes . Perėjimas iš 4 elementų grupių į 3-4 g junginius. Dėl to, kad elektroninio krūvio perkėlimas iš grupės 3 atomo į grupę 4 patenka, ji iš dalies yra joninė. Ioniškumas keičia puslaidininkių savybes. Tai yra kulono interjoninės sąveikos ir energijos elektroninio juostos struktūros energijos išsiskyrimo energijos didėjimo priežastis. Šio tipo dvejetainio junginio pavyzdys yra indiuminio antimonido InSb, galio arsenido GaAs, galio antimonido GaSb, indiumfosfido InP, aliuminio antimonido AlSb, galio fosfido GaP.

Jonizmas didėja, o jo vertė dar labiau padidėja 2-6 grupių medžiagų, tokių kaip kadmio selenidas, cinko sulfidas, kadmio sulfidas, kadmio teliūridas, cinko selenidas, junginių. Dėl to daugelyje 2-6 grupių junginių draudžiama zona yra platesnė nei 1 eV, išskyrus gyvsidabrio junginius. Gyvsidabrio teliūras yra puslaidininkis be energijos trūkumo, pusmetalas, kaip alfa alavas.

2-6 grupių puslaidininkiai, turintys didelį energijos skirtumą, gali naudoti lazerių ir ekranų gamyboje. Dvejetainiai 2-6 grupių junginiai su susiaurėjančiu energijos spraumu tinka infraraudonųjų spindulių imtuvams. Dvigubi 1-7 grupių elementai (vario bromidas CuBr, sidabro jodidas AgI, vario chloridas CuCl) dėl aukšto joniškumo turi uždraustą zoną, didesnę kaip 3 eV. Jie iš tikrųjų nėra puslaidininkiai, bet izoliatoriai. Sumažėjęs kristalo įrišimo energija, atsiradęs dėl kulono interoninės sąveikos, skatina akmens druskos atomų struktūrą su šešis kartus, o ne kvadratiniu koordinavimu. 4-6 grupių junginiai - švino sulfidas ir švino teluridas, alavo sulfidas - taip pat yra puslaidininkiai. Šių medžiagų joniškumo laipsnis taip pat padeda formuoti šešis kartus koordinavimą. Reikšmingas joniškumas netrukdo jiems turėti labai siauros uždraustos juostos, leidžiančias jiems naudoti infraraudonąjį spinduliavimą. Galio nitridas yra 3-5 grupių junginys su plačiu energijos tarpu, rastas taikymas puslaidininkinių lazerių ir šviesos diodų, veikiančių mėlynoje spektro dalyje.

- GaAs, galio arsenidas yra antras puslaidininkis, kuris yra paklausęs po silicio, dažniausiai naudojamas kaip pagrindas kitiems laidininkams, pavyzdžiui, GaInNAs ir InGaAs, IR šviesos dioduose, aukšto dažnio mikroschemose ir tranzistoriuose, didelio efektyvumo fotoelementuose, lazerinių diodų, branduolinių spindulių detektoriuose. DE = 1,43 eV, kuris leidžia padidinti prietaisų galingumą, palyginti su siliciu. Trapus, sudėtyje yra daugiau priemaišų, yra sudėtinga gamyboje.

- ZnS, cinko sulfidas - vandenilio sulfido cinko druskos su 3,54 ir 3,91 eV juostos spraga, naudojamas lazeriams ir fosforui.

- SnS, alavo sulfidas yra puslaidininkis, naudojamas fotorezistoriuose ir fotodioduose, dE = 1,3 ir 10 eV.

Oksidai

Metalo oksidai yra daugiausia puikūs izoliatoriai, tačiau yra išimčių. Tokio tipo puslaidininkių pavyzdžiai yra nikelio oksidas, vario oksidas, kobalto oksidas, vario dioksidas, geležies oksidas, europio oksidas, cinko oksidas. Kadangi vario dioksidas egzistuoja cuprito mineralo pavidale, jo savybės buvo intensyviai ištirtos. Šio tipo puslaidininkių auginimo procedūra dar nėra visiškai suprantama, todėl jų taikymas vis dar yra ribotas. Išimtis yra cinko oksidas (ZnO), 2-6 grupių junginiai, naudojami kaip konverteris ir lipnios juostos bei pleistrai.

Padėtis labai pasikeitė, kai daugelyje vario ir deguonies junginių buvo aptikta superlaidumo. Pirmasis aukštos temperatūros superlaidininkas, kurį atrado Muelleris ir Bednoras, buvo junginys, pagamintas iš La ₂ CuO ₄ puslaidininkio, kurio energijos spraga buvo 2 eV. Pakeitus trivalentį lantaną dvivalenčiu bariu arba stronciu, skylės įkrovos laikikliai įvedami į puslaidininkį. Norint pasiekti būtiną skylės koncentraciją, La ₂ CuO ₄ paverčiamas superlaidžiu. Šiuo metu aukščiausia perėjimo prie superlaidžiosios temperatūros temperatūra priklauso junginiui HgBaCa ₂ Cu ₃ O ₈ . Esant aukštam slėgiui, jo vertė yra 134 K.

ZnO, cinko oksidas, naudojamas varistoruose, mėlynos šviesos diodai, dujų jutikliai, biologiniai jutikliai, langų dangos, atspindinčios infraraudonųjų spindulių šviesą, kaip LCD ekranų ir saulės baterijų laidininkas. DE = 3,37 eV.

Sluoksniuoti kristalai

Dvigubi junginiai, tokie kaip švino diiodidas, galio selenidas ir molibdeno disulfidas, išsiskiria sluoksniuoju kristalo struktūra. Kovalentinės didelės stiprybės obligacijos veikia sluoksniuose, daug stipresnės nei Van der Waalso ryšiai tarp pačių sluoksnių. Šio tipo puslaidininkiai yra įdomūs tuo, kad elektronai elgiasi sluoksniuose beveik dvimatis. Sluoksnių sąveika keičiama įvedant trečiųjų šalių atomus - interkalacija.

MoS _2, molibdeno disulfidas naudojamas aukšto dažnio detektoriuose, lygintuvuose, memristoriuose, tranzistoriuose. DE = 1,23 ir 1,8 eV.

Organiniai puslaidininkiai

Puslaidininkių, kurių pagrindas yra organiniai junginiai, pavyzdžiai yra naftalenas, poliacetilenas (CH2) _n , antracenas, polidiacetilenas, ftalocianidai, polivinilkarbazolas. Ekologiški puslaidininkiai turi pranašumą prieš neorganinius: jiems lengva priskirti reikiamas savybes. Medžiagos, turinčios konjuguotų ryšių tipo -C = С-С =, turi didelį optinį netiesiškumą ir dėl to naudojamos optoelektronikos. Be to, organinių puslaidininkių energijos pertraukimo zonos keičiamos keičiant sudėtinę formulę, kuri yra daug lengviau nei įprastų puslaidininkių. Fulereno anglies, grafeno ir nanovamzdelių kristaliniai allotropai taip pat yra puslaidininkiai.

- fulereno turi struktūrą, į uždaros cilindro briaunuotų ugleoroda lyginio skaičiaus atomų forma. Antidopingo fulereno C ₆₀ su šarminiu metalu, jis paverčiamas į superlaidininkas.

- grafito anglies vienatomes sluoksnis yra suformuotas, yra sujungti į dviejų dimensijų šešiakampio grotelių. Įrašų turi laidumo ir elektronų judrio, aukštos standumą

- nanovamzdeliai yra susukti į vamzdelį grafito plokštė, turinti daugybę kelių nanometrų skersmens. Šie anglies formos turi daug vilčių į nanoelektroniką. Priklausomai nuo movos gali būti metalinis arba puslaidininkių kokybės.

magnetiniai puslaidininkiai

Junginiai, kurių magnetinių jonų europio ir mangano turi smalsius magnetines ir puslaidininkinės savybes. Pavyzdžiai šio puslaidininkių tipo - europio sulfido, selenido europio ir kietųjų tirpalų, pavyzdžiui CD _1-x Mn _x Te. Magnetinio jonų kiekis turi įtakos abi medžiagos eksponuoti magnetinių savybių, tokių kaip ferromagnetyzm ir antiferromagnetism. Semimagnetic puslaidininkiai - yra kietos magnetiniai puslaidininkiai sprendimai, kurių sudėtyje yra magnetinių jonus mažos koncentracijos. Tokie kieti sprendimai pritraukti jūsų perspektyva ir didelį potencialą galimų prašymų dėmesį. Pavyzdžiui, priešingai nei nemagnetinių puslaidininkiuose, jie gali pasiekti milijoną kartų didesni Faradėjaus rotacija.

Stiprūs magnetooptinius poveikis magnetinių puslaidininkių leisti jas naudoti optinių moduliavimą. Perovskites, pavyzdžiui, Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, jos savybės yra pranašesnis metalo-puslaidininkio perėjimo, kuris tiesiogiai priklausomybės nuo magnetinio lauko rezultatų Milžiniškų magneto-varžos reiškinio. Jie naudojami radijo, optinių prietaisų, kurie kontroliuoja magnetinis laukas, mikrobangų bangolaidžio prietaisų.

puslaidininkių Feroelektrikai

Šio tipo kristalai yra būdinga tai, kad jų elektros momentais buvimą ir atsiradimo spontaniškai poliarizaciją. Pavyzdžiui, tokios savybės puslaidininkiai sukelti titanatas PbTiO _3, bario titanatas BaTiO _3, germanis Telluride Gete, skardos telūride SnTe, kuris žemoje temperatūroje turi feroelektrinę savybes. Šios medžiagos yra naudojamos netiesinės optinių jutiklių, pjezoelektriniai ir atminties įtaisų.

A puslaidininkinių medžiagų įvairovė

Be pirmiau minėtų puslaidininkinių medžiagų, yra daug kitų, kurie nepatenka į vieną iš šių tipų. Junginiai, kurių formulė 1-3-5 elementai ₂ (AgGaS ₂₎ ir 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ sudaro Chalkopiritas kristalinės struktūros. Susisiekti tetraedrinę junginiai analogiškas puslaidininkius 3-5 ir 2-6 grupes su cinko Blende kristalinės struktūros. Junginiai, kurie sudaro puslaidininkių elementų 5 ir 6 grupes (panašus į Kaip ₂ Se _3), - į kristalo arba stiklo forma puslaidininkinių. Chalcogenides bismuto ir stibio yra naudojami puslaidininkių šiluminių generatorių. Šio puslaidininkių rūšį savybės yra labai įdomus, tačiau jie nėra įgijo populiarumą dėl riboto taikymo. Tačiau tas faktas, kad jie egzistuoja, patvirtina dar nėra visiškai ištirtas puslaidininkių fizikos srityje buvimą.