Приклад напівпровідників. Типи, властивості, практичне! Застосування

Найвідомішім полупроводником є Кремній (Si). Але, кроме него, є много других. Прикладом могут служити Такі природні напівпровіднікові матеріали, як цинкова обманка (ZnS), Купрій (Cu₂O), галеніт (PbS) и много других. Сімейство Напівпровідників, включаючі напівпровіднікі, сінтезовані в лабораторіях, представляет собою один з найбільш різнобічніх класів матеріалів, відоміх людіні.

характеристика Напівпровідників

З 104 елементів табліці Менделєєва 79 є металами, 25 - неметаламі, з якіх 13 хімічніх елементів ма ють напівпровідніковімі властівостямі и 12 - діелектрічнімі. Основна відмінність Напівпровідників Полягає в тому, что їх електропровідність значний растет при підвіщенні температури. При низьких температурах смороду поводять подібно діелектріків, а при високих - як провідники. Цім напівпровіднікі відрізняються від металів: Опір металу растет пропорційно збільшенню температури.

Іншою відмінністю напівпровідніка від металу є ті, что Опір напівпровідніка падає під дією світла, в тій годину як на метал Останній НЕ впліває. Такоже змінюється провідність Напівпровідників при введенні незначної кількості домішки.

Напівпровіднікі зустрічаються среди хімічніх Сполука з різноманітнімі крісталічнімі структурами. Це могут буті Такі елементи, як Кремній и селен, або подвійні сполуки, як арсенід галію. Много органічніх Сполука, например поліацетілен (СН)_n, - Напівпровіднікові матеріали. Деякі напівпровіднікі віявляють магнітні (Cd_1-xMn_xTe) або сегнетоелектрічеськіе Властивості (SbSI). Інші при Достатньо легировании стають сверхпроводниками (GeTe и SrTiO₃). Много з недавно відкритих високотемпературна надпровідніків ма ють неметалеві полупроводящіе фази. Например, La₂CuO₄ є напівпровідніком, но при утворенні сплаву з Sr становится сверхроводніком (La_1-xSr_x)₂CuO₄.

Підручники фізики дають напівпровідніка визначення як матеріалу з електричних опором від 10^-4 до 10⁷ Ом·-м. Можливо і альтернативне визначення. Ширина забороненої зони напівпровідніка - від 0 до 3 еВ. Метали и напівметалі - це матеріали з нульового енергетична розрівом, а Речовини, у якіх вона перевіщує З еВ, назівають ізоляторамі. Є й віняткі. Например, напівпровідніковій алмаз має заборонених зону шириною 6 еВ, напівізолюючіх GaAs - 1,5 еВ. GaN, материал для оптоелектронних приладів в синій області, має заборонених зону шириною 3,5 еВ.

Відео: Напівпровіднікові прилади? Це дуже непросто!

енергетичний зазор

Валентні орбіталі атомів в крісталічній решітці розділені на две групи енергетичних рівнів - вільну зону, розташовану на віщому Рівні и визначальності електропровідність Напівпровідників, и валентність зону, розташовану нижчих. ЦІ Рівні, в залежності від сіметрії решітки кристала и складу атомів, могут перетінатіся або розташовуватіся на відстані один від одного. В последнего випадка между зонами вінікає енергетичний розрив або, іншімі словами, Заборонена зона.

Розташування та Заповнення рівнів візначає електропровідні Властивості Речовини. За цією Ознакою Речовини ділять на провідники, ізоляторі и напівпровіднікі. Ширина забороненої зони напівпровідніка варіюється в межах 0,01-3 еВ, енергетичний зазор діелектріка перевіщує 3 еВ. Метали через перекриття рівнів енергетичних розрівів НЕ ма ють.

Напівпровіднікі и діелектрікі, на протівагу металів, ма ють заповнений Електрон валентність зону, а найближче вільна зона, або зона провідності, відгороджена від валентної енергетична розрівом - ділянкою заборонених енергій електронів.

У діелектріках теплової ЕНЕРГІЇ або незначна електричного поля недостатньо для Здійснення Стрибки через цею проміжок, Електрон в зону провідності НЕ потрапляють. Смороду НЕ здатні пересуватіся по крісталічній решітці и ставаті переноснікамі електричного Струму.

Щоб порушіті електропровідність, Електрон на валентном Рівні нужно надаті Енергію, якої б вистача для Подолання енергетічної розріву. Лише при поглінанні кількості ЕНЕРГІЇ, що не меншої, чем величина енергетичного зазору, електрон перейшовши з валентного уровня на рівень провідності.

У тому випадка, если ширина енергетичного розріву перевіщує 4 еВ, збудження провідності напівпровідніка опроміненням або нагріванням практично Неможливо - енергія збудження електронів при температурі плавлення віявляється недостатньою для Стрибки через зону енергетичного розріву. При нагріванні кристал розплавіться до Виникнення Електронної провідності. До таких Речовини відносіться кварц (dE = 5,2 еВ), алмаз (dE = 5,1 еВ), много СОЛІ.

Відео: Урок 7.3. напівпровіднікові діоді

Домішкова и власна провідність Напівпровідників

Чисті напівпровіднікові кристали ма ють Власний провідність. Такі напівпровіднікі назіваються Власний. Власний напівпровіднік містіть рівну Кількість дірок и вільніх електронів. При нагріванні власна провідність Напівпровідників растет. При Постійній температурі вінікає стан дінамічної рівновагі кількості утворюються електронно-доручення пар и кількості рекомбінуючіх електронів и дірок, Які залішаються незміннімі при Даних условиях.

Наявність домішок значний впліває на електропровідність Напівпровідників. Додавання їх дозволяє набагато збільшити Кількість вільніх електронів при невелика чіслі дірок и збільшити Кількість дірок при невелика чіслі електронів на Рівні провідності. Домішкові напівпровіднікі - це провідники, что володіють примесной провідністю.

Домішки, Які з легкістю віддають Електрон, назіваються Донорно. Донорно домішкамі могут буті хімічні елементи з атомами, валентні Рівні якіх містять більшу Кількість електронів, чем атоми базового Речовини. Например, фосфор и вісмут - це донорні домішки кремнію.

Енергія, необхідна для Стрибки електрона в область провідності, носити Назву ЕНЕРГІЇ актівізації. Домішковім Напівпровідників необходимо набагато менше ее, чем ОСНОВНОЇ Речовини. При невелика нагріванні або освітленні звільняються в основном Електрон атомів домішковіх Напівпровідників. Місце покинувши атом електрона займає дірка. Альо рекомбінації електронів в діркі практично НЕ відбувається. Діркова провідність донора незначна. Це відбувається тому, что мала Кількість атомів домішки НЕ дозволяє вільним Електрон часто набліжатіся до діркі и займаті ее. Електрон знаходяться около дірок, но НЕ здатні їх заповнити через недостатнє енергетичного уровня.

Незначна добавка донорної домішки на кілька порядків збільшує число електронів провідності в порівнянні з кількістю вільніх електронів у власному напівпровідніку. Електрон тут - основні переноснікі зарядів атомів домішковіх Напівпровідників. ЦІ Речовини відносять до Напівпровідників n-типу.

Домішки, Які пов`язують Електрон напівпровідніка, збільшуючі в ньом Кількість дірок, назівають Акцепторна. Акцепторних домішкамі службовців хімічні елементи з меншими числом електронів на валентном Рівні, чем у базового напівпровідніка. Бор, Галій, індій - акцепторні домішки для кремнію.

Характеристики напівпровідніка знаходяться в залежності від дефектів его крісталічної структур. Це є причиною необхідності вирощування гранично чистих крісталів. Параметрами провідності напівпровідніка керують Шляхом додавання легуючіх присадок. Кристали кремнію легируют фосфором (елемент V підгрупі), Який є донором, щоб создать кристал кремнію n-типу. Для Отримання кристала з доречнійпровідністю в Кремній що вводить акцептор бор. Напівпровіднікі з компенсованім рівнем фермі для переміщення его в середину забороненої зони створюють подібним чином.

одноелементні напівпровіднікі

Найпошіренішім полупроводником є, звичайна, Кремній. Разом з германієм ВІН ставши прототипом широкого класу Напівпровідників, что володіють подібнімі структурами кристала.

Структура крісталів Si и Ge та ж, что у алмазу и &alpha - олова. У ній КОЖЕН атом оточують 4 найближче атома, Які утворюють тетраедр. Така коордінація назівається чотірікратної. Кристали з тетрадріческой зв`язком стали базовими для Електронної промісловості и Грають ключовими роль в сучасній технології. Деякі елементи V и VI групи табліці Менделєєва такоже є напівпровіднікамі. Приклад Напівпровідників цього типу - фосфор (Р), сірка (S), селен (Se) и телур (Те). У ціх напівпровідніках атоми могут мати трикратне (Р), дворазовій (S, Se, Ті) або чотірікратну Координацію. В результате подібні елементи могут існуваті в декількох різніх крісталічніх структурах, а такоже буті отрімані у виде скла. Например, Se вірощувався в моноклінної и тригональной крісталічніх структурах або у виде скла (Пожалуйста можна такоже вважаті полімером).

- Алмаз має відмінну термічної провідність, чудовим механічнімі и оптичні характеристиками, скроню механічною міцністю. Ширина енергетичного розріву - dE = 5,47 еВ.

- Кремній - напівпровіднік, Який вікорістовується в Сонячних батареях, а в аморфній форме - в тонкоплівковіх Сонячних батареях. Є найбільш вікорістовуванім полупроводником в фотоелементах, простий у ВИРОБНИЦТВІ, має гарні ЕЛЕКТРИЧНА и механічнімі властівостямі. dE = 1,12 еВ.

- Германій - напівпровіднік, Який вікорістовується в гамма-спектроскопії, Високоефективний фотоелементах. Вікорістовувався в дерло діодах и транзисторах. Требует менше очищення, чем Кремній. dE = 0,67 еВ.

- Селен - напівпровіднік, Який застосовується в селенових Випрямляч, что володіють скроню радіаційною стійкістю и здатністю до самовідновлення.

двоелементним з`єднання

Властивості Напівпровідників, Утворення елементами 3 та 4 груп табліці Менделєєва, нагадують Властивості Речовини 4 групи. Перехід від 4 групи елементів до з`єднань 3-4 гр. Робить зв`язку частково іоннімі через перенесення заряду електронів від атома 3 групи до атома 4 групи. Ионности змінює Властивості Напівпровідників. Вона є причиною Збільшення кулонівського межіонного взаємодії и ЕНЕРГІЇ енергетичного розріву зонної Структури електронів. Приклад бінарного з`єднання цього типу - антімонід індію InSb, арсенід галію GaAs, антімонід галію GaSb, фосфід індію InP, антімонід алюмінію AlSb, фосфід галію GaP.

Ионности растет, а значення ее ще более растет в з`єднаннях Речовини 2-6 груп, таких як селенід кадмію, сульфід цинку, сульфід кадмію, телуриду кадмію, селенід цинку. В результате у більшості з`єднань 2-6 груп Заборонена зона ширше 1 еВ, кроме Сполука ртуті. Теллурид ртуті - напівпровіднік без енергетичного зазору, напівметал, подібно &alpha - олова.

Напівпровіднікі 2-6 груп з великим енергетична зазором знаходять! Застосування у ВИРОБНИЦТВІ лазерів и дісплеїв. Бінарні сполуки 2 6 груп зі звуженім енергетична розрівом підходять для інфрачервоніх пріймачів. Бінарні сполуки елементів 1-7 груп (бромід МІДІ CuBr, йодид срібла AgI, хлорид МІДІ CuCl) через скроню ионности володіють Заборонений зоною ширше З еВ. Смороду практично НЕ напівпровіднікі, а ізоляторі. Зростання ЕНЕРГІЇ зчеплення кристала через кулонівського межіонного взаємодії спріяє структуруванню атомів кам`яної СОЛІ з шестіразовій, а не квадратічної коордінацією. З`єднання 4-6 груп - сульфід и теллурид свинцю, сульфід олова - такоже напівпровіднікі. Степень ионности Даних Речовини теж спріяє Утворення шестіразовій коордінації. Значний ионности НЕ перешкоджає наявності у них очень вузьких заборонених зон, что дозволяє використовуват їх для прийому ІК-випромінювання. Нітрід галію - з`єднання 3-5 груп з широким енергетична зазором, знайшов! Застосування в напівпровідніковіх лазерах и світлодіодах, что Працюють в блакітній части спектра.

Відео: PN Перехід (The PN Junction) - Версія російською

- GaAs, арсенід галію - другий по затребуваності после кремнію напівпровіднік, что часто вікорістовується в якості підкладкі для других провідніків, например, GaInNAs и InGaAs, в ІК-сетодіодах, вісокочастотніх мікросхемах и транзисторах, Високоефективний фотоелементах, лазерних діодів, детекторах ядерного лікування. dE = 1,43 еВ, что дозволяє підвіщіті Потужність приладів в порівнянні з кремнієм. Кріхкій, містіть более домішок, складаний у віготовленні.

- ZnS, сульфід цинку - цинкова сіль сірководневої кислоти з діапазоном забороненої зони 3,54 и 3,91 еВ, вікорістовується в лазерах и в якості люмінофора.

Відео: кераміку, роблять так !!!

- SnS, сульфід олова - напівпровіднік, Який вікорістовується в фоторезисторах и фотодиодах, dE = 1,3 и 10 еВ.

оксиди

Оксиди металів в основном є прекрасним ізоляторамі, но є и віключення. Приклад Напівпровідників цього типу - оксид нікелю, оксид МІДІ, оксид кобальту, двоокіс МІДІ, оксид заліза, оксид європію, оксид цинку. Так як двоокіс МІДІ існує у виде мінералу купріта, ее Властивості посил досліджуваліся. Процедура вирощування Напівпровідників цього типу Ще не зовсім зрозуміла, тому їх! Застосування поки обмежена. Віняток ставити оксид цинку (ZnO), з`єднання 2-6 груп, застосовуваного в якості перетворювач и в ВИРОБНИЦТВІ клеять стрічок и пластірів.

Положення кардинально змінілося после того, як у багатьох з`єднаннях МІДІ з кисня булу Відкрита надпровідність. Дерло високотемпературна надпровідніком, відкрітім Мюллером и Беднорцем, стало з`єднання, Заснований на напівпровідніку La₂CuO₄ з Енергетичною зазором 2 еВ. Заміщаючі трівалентній лантан двовалентнім барієм або стронцієм, в напівпровіднік вводяться переноснікі заряду діркі. Досягнення необхідної концентрації дірок перетворює La₂CuO₄ в надпровіднік. У Сейчас годину найбільша температура переходу в надпровідній стан Належить з`єднанню HgBaCa₂Cu₃O₈. При високого тиску ее значення ставити 134 К.

ZnO, оксид цинку, вікорістовується в варисторах, блакитних світлодіодах, датчиках газу, біологічних сенсорах, покриття вікон для відображення інфрачервоного світла, як провідник в ЖК-дисплеях и Сонячних батареях. dE = 3.37 еВ.

шаруваті кристали

Подвійні сполуки, подібні дііодіду свинцю, селенід галію и дісульфіду молібдену, відрізняються шаруватім Будова кристала. У кулях діють ковалентні зв`язки значної сили, набагато сільніше ван-дер-ваальсовскіх зв`язків между самими кулями. Напівпровіднікі такого типу цікаві тім, что Електрон поводять в кулях квазі-двумерно. Взаємодія шарів змінюється введенням сторонніх атомів - інтеркаляцією.

MoS_2, дісульфід молібдену застосовується в вісокочастотніх детекторах, Випрямляч, мемрістор, транзисторах. dE = 1,23 и 1,8 еВ.

Органічні напівпровіднікі

Приклад Напівпровідників на основе органічніх Сполука - нафталін, поліацетілен (CH₂)_n, антрацен, полідіацетілен, фталоціаніді, полівінілкарбазол. Органічні напівпровіднікі ма ють предпочтение перед неорганічнімі: їм легко надаваті потрібні якості. Речовини Із зв`язаними зв`язками увазі -С = С-С =, ма ють значний оптічної нелинейностью І, Завдяк цьом, застосовуються в оптоелектроніці. Кроме того, зони енергетичного розріву органічніх Напівпровідників змінюються зміною формули сполуки, что набагато легше, чем у звичайний Напівпровідників. Кристалічні аллотропии вуглецю фулерен, графен, нанотрубки - теж напівпровіднікамі.

- Фуллерен має структуру у виде опуклого замкнутого багатогранніка з парного кількості атомів углеорода. А легування фулеренів С₆₀ Лужний металом перетворює его в надпровіднік.

- Графен Утворення одноатомних кулею вуглецю, з`єднаного в двовімірну гексагональних решітку. Володіє рекордної теплопровідністю и рухлівістю електронів, скроню жорсткістю

- Нанотрубки представляються собою згорнуті в трубку пластини графіту, что ма ють кілька нанометрів в діаметрі. ЦІ форми вуглецю ма ють велику перспективу в наноелектронікі. Залежних від зчеплення могут проявляті металеві або напівпровіднікові якості.

магнітні напівпровіднікі

З`єднання з магнітними іонамі європію и марганцю ма ють цікавімі магнітними и напівпровідніковімі властівостямі. Приклад Напівпровідників цього типу - сульфід европия, селенід европия и тверді розчини, подібні Cd_1-x­-Mn_xTe. Зміст магнітніх іонів впліває на ті, як в Речовини проявляються Такі магнітні Властивості, як антіферомагнетізм и феромагнетізм. НАПІВМАГНІТНІХ напівпровіднікі - це тверді магнітні розчини Напівпровідників, Які містять магнітні іоні в невелікій концентрації. Такі тверді розчини звертають на себе Рамус своєю перспектівністю и великим потенціалом можливий ЗАСТОСУВАННЯ. Например, На Відміну Від немагнітніх Напівпровідників, в них можна досягті в мільйон разів БІЛЬШОГО фарадеевского Обертаном.

Сильні магнитооптические ЕФЕКТ магнітніх Напівпровідників дозволяють використовуват їх для оптічної модуляції. Перовскіту, подібні Mn_0,7Ca_0,3O_3, своими властівостямі перевершують Перехід метал-напівпровіднік, пряма залежність которого від магнітного поля має наслідком явіще гігантської магнето-резистивности. Застосовуються в радіотехнічніх, оптичних приладнати, Які управляються магнітнім полем, в хвілеводах СВЧ-прістроїв.

напівпровіднікові сегнетоелектрікі

Цей тип крісталів відрізняється наявністю в них електричних моментів и Виникнення спонтанної полярізації. Например, такими властівостямі володіють напівпровіднікі титанат свинцю PbTiO₃, титанат барію BaTiO₃, теллурид германію GeTe, теллурид олова SnTe, Які при низьких температурах ма ють Властивості сегнетоелектріка. Ці матеріали застосовуються в нелінійно-оптичних, ЗП і п`єзодатчікі.

Різноманітність напівпровідніковіх матеріалів

Кроме згаданіх вищє напівпровідніковіх Речовини, є много других, Які НЕ потрапляють ні під один з перерахованого тіпів. З`єднання елементів за формулою 1-3-5<sub>2</sub> (AgGaS<sub>2</sub>) І 2-4-5<sub>2</sub> (ZnSiP<sub>2</sub>) Утворюють кристали в структурі халькопирита. Зв`язки з`єднань тетраедричних, аналогічно Напівпровідників 3-5 и 2-6 груп з крісталічною структурою цінкової обманки. З`єднання, Які утворюють елементи Напівпровідників 5 и 6 груп (подібно As₂Se₃), - Напівпровіднікові в форме кристала або скла. Халькогеніді вісмуту и сурми Використовують в напівпровідніковіх термоелектрічніх генераторах. Властивості Напівпровідників цього типу Надзвичайно цікаві, но смороду не стали популярними через обмеження! Застосування. Однако, что смороду існують, підтверджує наявність ще до кінця НЕ дослідженіх областей фізики Напівпровідників.