Primeri polprevodnikov. Vrste, lastnosti, praktična uporaba

Najbolj znan polprevodnik je silicij (Si). Toda, razen njega, obstaja veliko drugih. Primer je naravni polprevodniški material, kot so cinkove barve (ZnS), cuprite (Cu₂

Značilnosti polprevodnikov

Od 104 elementov periodične tabele je 79 kovin, 25 nekovin, od tega 13 kemični elementi imajo polprevodniške lastnosti in 12-dielektrične lastnosti. Glavna razlika med polprevodniki je, da se njihova električna prevodnost znatno poveča s povečano temperaturo. Pri nizkih temperaturah se obnašajo kot dielektriki, pri visokih temperaturah pa se obnašajo kot vodniki. Ti polprevodniki se razlikujejo od kovin: odpornost kovine se poveča sorazmerno z zvišanjem temperature.

Druga razlika med polprevodnikom in kovino je, da odpornost polprevodnika pade pod delovanje svetlobe, medtem ko kovine ne vpliva na slednje. Prevodnost polprevodnikov se spreminja tudi z uvedbo majhne količine nečistoč.

Polprevodniki se nahajajo med kemičnimi spojinami z različnimi kristalnimi strukturami. Lahko so elementi, kot so silicij in selen, ali dvojne spojine, kot galijev arzenid. Veliko organskih spojin, na primer poliacetilena (CH)_n, Polprevodniški materiali. Nekateri polprevodniki imajo magnetne lastnosti (Cd_1-xMn_xTe) ali feroelektričnih lastnosti (SbSI). Drugi, ki imajo dovolj dopinga, postanejo superprevodniki (GeTe in SrTiO₃). Številni nedavno odkriti visokotemperaturni superprevodniki imajo nemetalne polprevodniške faze. Na primer, La₂CuO₄ je polprevodnik, toda ko zlitina s Sr tvori superprevodnik (La_1-xSr_x)₂CuO₄.

Učbeniki v fiziki dajejo polprevodniško definicijo kot material z električnim uporom 10^-4 do 10⁷ Ommiddot-m. Možna je tudi alternativna opredelitev. Širina prepovedanega traku polprevodnika je od 0 do 3 eV. Kovine in semimetali so materiali z ničelnim odmorom in snovi, v katerih presega 3 eV, imenujemo izolatorji. Obstajajo izjeme. Na primer, polprevodniški diamant ima prepovedan pas širine 6 eV, polizolacijski GaAs - 1,5 eV. GaN, material za optoelektronske naprave v modrem območju ima prepovedano območje s širino 3,5 eV.

Energijska vrzel

Valence orbitale atomov v kristalni mreži so razdeljeni v dve skupini lupin - prosto cono, ki se nahaja na najvišji stopnji, in določa električne prevodnosti polprevodnikov ter valenčno pas, spodaj. Te stopnje glede na simetrijsko kristalno strukturo rešetke in atomi lahko križajo ali se med seboj razmaknjene. V slednjem primeru med območji obstaja energetska reža ali z drugimi besedami zaviralna cona.

Položaj in polnjenje ravni določata prevodne lastnosti snovi. Na tej podlagi so snovi razdeljene na prevodnike, izolatorje in polprevodnike. Širina prepovedanega traku polprevodnika se giblje v razponu od 0,01-3 eV, razlika v dielektrični energiji presega 3 eV. Kovine niso posledica prekrivanja ravni energetskih vrzeli.

Polprevodniki in izolatorji, v nasprotju s kovinami, so elektroni napolnjeni valenčno pas in najbližjo prosto cono ali prevodni pas, je valenca energija ograjene iz rupture - odsek nedovoljeno energij elektronov.

V dielektriki toplotne energije ali majhnega električnega polja ni dovolj, da skoči skozi to vrzel, elektroni ne vstopajo v cono prevodnosti. Ne morejo se premikati okoli kristalne rešetke in postati nosilci električnega toka.

Da bi vzbujali električno prevodnost, je treba na valenčni ravni dobiti energijo, ki bi zadostovala za premostitev energetske vrzeli. Samo s absorpcijo količine energije, ki ni manjša od velikosti energetske reže, bo elektron od nivoja valence do ravni prevodnosti.

V tem primeru, če je širina reže energije presega 4 eV, prevodnost polprevodnikov vzbujanje obsevanje ali ogrevanje je praktično nemogoče - vzbujanje energija elektronov pri temperaturi tališča se ne zadostujejo za skok vrzeli energije skozi cono. Ko se segreje, se kristal stopi pred pojavom elektronskega prevoda. Takšne snovi vključujejo kremen (dE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV), veliko soli.

Nečistoča in notranja prevodnost polprevodnikov

Čisti polprevodniški kristali imajo intrinzično prevodnost. Take polprevodnike imenujemo lastniške. Notranji polprevodnik vsebuje enako število lukenj in prostih elektronov. Pri segrevanju se intenzivna prevodnost polprevodnikov poveča. Pri konstantni temperaturi se pojavi stanje dinamičnega ravnovesja med številom nastalih parov elektronske luknje in številom elektronov in luknjic, ki se kombinirajo, ki v danih pogojih ostajajo konstantni.

Prisotnost nečistoč ima velik vpliv na električno prevodnost polprevodnikov. Z dodajanjem le-teh je mogoče znatno povečati število prostih elektronov z majhnim številom lukenj in povečati število lukenj z majhnim številom elektronov na ravni prevodnosti. Polarizatorji nečistoč so vodniki, ki imajo prevodnost nečistoč.

Nečistote, ki se zlahka oddajajo elektronom, se imenujejo donatorske. Donorske nečistoče so lahko kemični elementi z atomi, katerih valenčne ravni vsebujejo več elektronov kot atomi osnovnega materiala. Na primer, fosfor in bizmut so donorske nečistoče silicija.

Energija, potrebna za to, da se elektron skoči v območje prevodnosti, se imenuje energija aktiviranja. Potrebni polprevodniki potrebujejo veliko manj kot glavna snov. Z rahlim segrevanjem ali osvetlitvijo se sproščajo predvsem elektroni nečistočnih polprevodniških atomov. Mesto elektrona, ki je zapustil atom, zavzame luknjo. Vendar pa praktično ni rekombinacije elektronov v luknje. Konduktivnost luknje donorja je zanemarljiva. To je zato, ker majhno število atomov nečistoč ne dovoljuje prostih elektronov, da se pogosto približujejo luknji in jo zavzemajo. Elektroni so blizu lukenj, vendar jih ne morejo napolniti zaradi nezadostne ravni energije.

Nebistveni dodatek nečistote donorjev za več vrst velikosti poveča število prevodnih elektronov v primerjavi s številom prostih elektronov v intrinzičnem polprevodniku. Elektroni tukaj so glavni nosilci stroškov atomov nečistočnih polprevodnikov. Te snovi so razvrščene kot polprevodniki n-tipa.

Nečistote, ki vežejo elektrone polprevodnika, povečujejo število lukenj v njem, se imenujejo akceptorji. Nečistoče sprejemnika so kemični elementi z manjšim številom elektronov na ravni valence od osnovnega polprevodnika. Boron, galij, indij so akceptorske nečistoče za silicij.

Značilnosti polprevodnika so odvisne od pomanjkljivosti kristalne strukture. To je razlog za potrebo po rasti izredno čistih kristalov. Parametre prevodnosti polprevodnika nadzira dodajanje legirnih dodatkov. Silicijeve kristale dopolnimo s fosforjem (element V podskupine), ki je donator za ustvarjanje silicijevega kristala n-tipa. Za pridobitev kristala z prevodnostjo luknje je v silicij vnesen akon akrona. Na podoben način se ustvarijo polprevodniki s kompenziranim nivojem Fermi, da se premaknejo na sredino prepovedanega pasu.

Polprevodniki z enim elementom

Najpogostejši polprevodnik je, seveda, silicij. Skupaj z germanijem je postal prototip velikega razreda polprevodnikov s podobnimi kristalnimi strukturami.

Struktura Si in Ge kristalov je enaka kot pri diamantih in alfa - tin. V njem je vsak atom obdan s 4 najbližjimi atomi, ki tvorijo tetraedron. Ta koordinacija se imenuje štirikrat. Kristali s tetradno vezjo so postali osnovni za elektronsko industrijo in igrajo ključno vlogo v sodobni tehnologiji. Nekateri elementi V in VI skupin periodne tabele so tudi polprevodniki. Primeri polprevodnikov te vrste so fosfor (P), žveplo (S), selen (Se) in telur (Te). V teh polprevodnikih imajo atomi lahko trojni (P), dvojni (S, Se, Te) ali četverno koordiniranje. Tako lahko taki elementi obstajajo v več različnih kristalnih strukturah in jih je mogoče dobiti tudi v obliki stekla. Na primer, Se je gojil v monokliničnih in trigonskih kristalnih strukturah ali v obliki stekla (ki ga je mogoče obravnavati tudi kot polimer).

- Diamant ima odlično toplotno prevodnost, odlične mehanske in optične lastnosti, visoko mehansko trdnost. Širina energetske reže je dE = 5,47 eV.

- Silicon je polprevodnik, ki se uporablja v sončnih baterijah in v amorfni obliki - v tankoplastnih sončnih celicah. To je najbolj uporaben polprevodnik v fotocelicah, enostaven za izdelavo, ima dobre električne in mehanske lastnosti. dE = 1,12 eV.

- Germanium je polprevodnik, uporabljen v gama spektroskopiji, fotocelice visoke učinkovitosti. Uporablja se pri prvih diode in tranzistorjih. Zahteva manj čiščenja kot silikon. dE = 0,67 eV.

- Selen je polprevodnik, ki se uporablja v selenskih usmernikih, ki imajo visoko odpornost proti sevanju in sposobnost samopopravljanja.

Dve-elementni priključki

Podobne so lastnosti polprevodnikov, ki jih sestavljajo elementi skupin 3 in 4 periodične tabele lastnosti snovi 4 skupine. Prehod iz 4 skupin elementov v povezave 3-4 gr. povzroča, da so vezi delno ionske zaradi prenosa elektronskega naboja iz atoma skupine 3 v atom skupine 4. Ioničnost spremeni lastnosti polprevodnikov. To povzroči povečanje energije in ionsko-ionsko interakcijo z energijo reže strukturo elektronov pasu Coulombov. Primer binarne spojine te vrste - indij antimonide, InSb galijev arzenid GaAs, galija antimonide GaSb, indija fosfid INP, aluminij antimonide AlSb galijev fosfid vrzel.

Ionicity poveča in njegova vrednost raste več skupin v spojinah 2-6 spojine, kot je kadmij selenida, cinkov sulfid, kadmija sulfid, kadmijev telurid, cinkovega selenida. Posledično je v večini spojin skupin 2-6 prepovedana cona širša od 1 eV, razen spojin živega srebra. Žveplov telurid je polprevodnik brez energetske vrzeli, polimetala, kot je alfa - tin.

Polprevodniki 2-6 skupin z veliko energetsko vrzel najdejo vlogo pri proizvodnji laserjev in prikazov. Za infrardeče sprejemnike so primerne binarne spojine z 2 do 6 skupinami z zoženo energijsko režo. Binarni spojine elementov iz skupin 1-7 (bakrov bromid Čubr, AGI srebro jodida, bakrovega klorida CuCI) zaradi visoke ionicity imajo večjo energijsko špranjo W eV. Pravzaprav niso polprevodniki, ampak izolatorji. Rast energije vezave kristala zaradi interakcije Coulombove interakcije spodbuja strukturiranje atomov kamnita sol s šestkratno in ne kvadratno koordinacijo. Spojine 4-6 skupin-svinčevega sulfida in svinčevega telurida, kositrov sulfid-so tudi polprevodniki. Stopnja ioniziranosti teh snovi prispeva tudi k oblikovanju šestkratne koordinacije. Pomembna ionizacija ne preprečuje prisotnosti zelo ozkih prepovedanih trakov, kar omogoča, da se jih uporablja za sprejem infrardečega sevanja. Galijev nitrid - spojina 3-5 skupin s široko energijsko vrzel, ki je bila najdena v polprevodniški laserji in LED diode, ki delujejo v modrem delu spektra.

- GaAs, galij arzenida - na zahtevo po drugem silicijevega polprevodnika se običajno uporablja kot substrat za druge vodnike, na primer, GaInNAs in InGaAs v setodiodah IR, visokofrekvenčni tranzistorje in IC, visoko učinkovitih sončnih celic, laserske diode, detektorji jedrskega zdraviti. dE = 1,43 eV, kar omogoča povečanje moči instrumentov v primerjavi s silikonom. Krhka, vsebuje več nečistoč, je zapletena v predelovalnih dejavnostih.

- ZnS, cinkov sulfid - cinkova sol vodikovega sulfida s območjih prepovedanih pasu in 3,54 3,91 eV, ki se uporabljajo laserji in kot fosfor.

- SnS, tin sulfid je polprevodnik, ki se uporablja v fotorezistorjih in fotodiode, dE = 1,3 in 10 eV.

Oksidi

Kovinski oksidi so pretežno odlični izolatorji, vendar obstajajo izjeme. Primeri polprevodnikov te vrste so nikeljoksid, bakrov oksid, kobaltov oksid, bakrov dioksid, železov oksid, europijev oksid, cinkov oksid. Ker obstaja bakrov dioksid v obliki kupitra mineralov, so njegove lastnosti intenzivno proučevane. Postopek za pridobivanje takšnih polprevodnikov še ni v celoti razumljen, zato je njihova uporaba še vedno omejena. Izjema je cinkov oksid (ZnO), spojina 2-6 skupin, ki se uporablja kot pretvornik in pri proizvodnji lepilnih trakov in obližev.

Razmere so se drastično spremenile po odkritju superprevodnosti v številnih spojinah bakra s kisikom. Prvi visokotemperaturni superprevodnik, ki sta ga odkrila Mueller in Bednorz, je bila spojina na osnovi polprevodnika La₂CuO₄ z energijsko vrzeljo 2 eV. Z zamenjavo trivalentnega lantana z dvovalentnim barijem ali stroncijevim nosilcem se v polprevodnik vnesejo nosilci nabojne luknje. Doseganje potrebne koncentracije lukenj se spremeni v La₂CuO₄ v superprevodniku. V tem trenutku najvišja temperatura prehoda v stanje superprevodnosti pripada spojini HgBaCa₂Cu₃O_{8. mesto}. Pri visokih tlakih je njegova vrednost 134 K.

ZnO, uporabimo Varistor cinkov oksid, modre svetleče diode, plinske senzorje, bioloških senzorji, premazih okna odraža infrardečo svetlobo, kot prevodnik v LCD zaslonov in solarnih akumulatorjev. dE = 3,37 eV.

Slojni kristali

Dvoplastne spojine, kot so svinčev diiodid, galinijev selenid in molibden disulfid, se odlikujejo s plastično strukturo kristala. V sloju deluje kovalentne vezi precej močnejša od vez Van der Waals med samimi sloji. Takšni polprevodniki so zanimivi, ker se elektroni obnašajo v plasti kvazi-dvodimenzionalni. Interakcija plasti se spremeni z uvedbo atomov tretjih oseb - z interkalacijo.

MoS_2, Disulfidni molibden se uporablja v visokofrekvenčnih detektorjih, usmernikih, memristorjih, tranzistorjih. dE = 1,23 in 1,8 eV.

Organski polprevodniki

Primeri polprevodnikov na osnovi organskih spojin so naftalen, poliacetilen (CH₂)_n, antracen, poliacetilen, ftalocianidi, polivinilkarbazol. Organski polprevodniki imajo prednost pred anorganskimi: lahko jih zlahka dobijo potrebne lastnosti. Snovi s konjugiranimi vezmi vrste -C = S-S = imajo pomembno optično nelinearnost in se zato v optoelektroniki uporabljajo. Poleg tega so območja z energijskim prelomom organskih polprevodnikov spremenjena s spremembo sestavljene formule, kar je veliko lažje kot pri konvencionalnih polprevodnikih. Kristalni alotropi ogljikovega fulerena, grafena, nanocevk so tudi polprevodniki.

- Fulleren ima strukturo v obliki konveksnega zaprtega politopa iz enakega števila atomov ogljika. Doping fulerena C₆₀ Alkalijska kovina jo pretvori v superprevodnik.

- Grafen je sestavljen iz monatomske ogljikove plasti, ki je povezana z dvodimenzionalno heksagonalno mrežo. Ima rekordno toplotno prevodnost in elektronsko mobilnost, visoko togost

- Nanocevke potopimo v cev grafitnih plošč, ki imajo premer več nanometrov. Te oblike ogljika imajo veliko možnosti za nanoelektroniko. Glede na oprijemljivost se lahko razstavijo kovinske ali polprevodne lastnosti.

Magnetni polprevodniki

Spojine z magnetnimi ioni europija in mangana imajo zanimive magnetne in polprevodniške lastnosti. Primeri takšnih polprevodnikov so: europium sulfide, europium selenide in trdne raztopine, kot so Cd_1-xshy-Mn_xTe. Vsebina magnetnih ionov vpliva na to, kako se magnetne lastnosti, kot sta antiferromagnetizem in feromagnetizem, manifestirajo v snovi. Polimagnetni polprevodniki so trdne magnetne raztopine polprevodnikov, ki vsebujejo magnetne ione v majhni koncentraciji. Takšne trdne rešitve privabljajo pozornost njihovih možnosti in velik potencial možnih aplikacij. Na primer, za razliko od nemagnetnih polprevodnikov, lahko dosežejo milijonkrat večjo rotacijo Faradayja.

Močni magnetno-optični učinki magnetnih polprevodnikov omogočajo njihovo uporabo za optično modulacijo. Perovskite, kot je Mn_0,7Ca_0,3O_3, njihove lastnosti presežejo prehod kovin in polprevodnikov, katerega neposredna odvisnost od magnetnega polja je posledica pojava velikanske magnetno-upornosti. Uporabljajo se v radijskem inženirstvu, optičnih napravah, ki jih nadzira magnetno polje, v valovodih mikrovalovnih naprav.

Semiconductor ferroelectrics

Za to vrsto kristala je značilna prisotnost električnih momentov v njih in pojav spontane polarizacije. Na primer, takšne lastnosti imajo svinčevi polprevodniki PbTiO titanata₃, barijev titanat BaTiO₃, germanijev teluride GeTe, SnTe telurid, ki pri nizkih temperaturah imajo lastnosti feroelektrike. Ti materiali se uporabljajo v nelinearnih optičnih, pomnilniških napravah in piezoelektričnih senzorjih.

Raznolikost polprevodniških materialov

Poleg zgoraj omenjenih polprevodniških snovi obstaja še veliko drugih, ki ne spadajo pod nobene od navedenih vrst. Spojine elementov po formuli 1-3-5₂ (AgGaS₂) in 2-4-5₂ (ZnSiP₂) oblikujejo kristale v strukturi halkopirita. Veze spojin so tetraedične, podobne 3-5 in 2-6 polprevodniškim polprevodnikom s kristalinično strukturo cinkove zmesi. Spojine, ki tvorijo elemente polprevodnikov skupine 5 in 6 (podobno As₂Se₃), - polprevodnik v obliki kristala ali stekla. Halcogenidi bizmuta in antimona se uporabljajo v polprevodniških termoelektričnih generatorjih. Lastnosti polprevodnikov te vrste so izredno zanimive, vendar zaradi omejene uporabe niso pridobili priljubljenosti. Vendar dejstvo, da obstajajo, potrjuje prisotnost še pred koncem neraziskanih področij fizike polprevodnikov.