Exemple de semiconductori. Tipuri, proprietăți, aplicații practice

Cel mai faimos semiconductor este siliciul (Si). Dar, în afară de el, există multe altele. Un exemplu sunt materialele semiconductoare naturale, cum ar fi amestecul de zinc (ZnS), cuprul (Cu₂

Caracteristicile semiconductorilor

Din cele 104 elemente ale tabelului periodic, 79 sunt metale, 25 sunt nemetale, dintre care 13 elemente chimice au proprietăți semiconductoare și proprietăți 12-dielectrice. Principala diferență între semiconductori este că conductivitatea lor electrică crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii. La temperaturi scăzute ele se comportă ca dielectrice, iar la temperaturi ridicate se comportă ca conductori. Aceste semiconductori diferă de metale: rezistența metalului crește proporțional cu creșterea temperaturii.

O altă diferență între un semiconductor și un metal este că rezistența semiconductorului se află sub acțiunea luminii, în timp ce acesta din urmă nu este afectat de metal. Conductivitatea semiconductorilor se modifică și prin introducerea unei cantități mici de impurități.

Semiconductorii se găsesc printre compușii chimici cu o varietate de structuri cristaline. Ele pot fi elemente precum siliciul și seleniul sau compușii dubli, cum ar fi arsenidul de galiu. Mulți compuși organici, de exemplu poliacetilenă (CH)_n, Materiale semiconductoare. Unele semiconductori prezintă magnetice (Cd_1-xMn_xTe) sau proprietăți feroelectrice (SbSI). Alții cu dopaj suficient devin superconductori (GeTe și SrTiO₃). Multe dintre supraconductoarele de temperatură ridicată descoperite recent au faze semiconductoare nemetalice. De exemplu, La₂CuO₄ este un semiconductor, dar când un aliaj cu Sr formează un supraconductor (La_1-xsr_x)₂CuO₄.

Manualele de fizică oferă o definiție a semiconductorilor ca material cu o rezistență electrică de 10^-4 până la 10⁷ lea Ommiddot. O definiție alternativă este, de asemenea, posibilă. Lățimea benzii interzise a unui semiconductor este de la 0 la 3 eV. Metalele și materialele semimetale sunt materiale cu pauză de energie zero și substanțele în care acestea depășesc 3 eV se numesc izolatoare. Există excepții. De exemplu, un diamant semiconductor are o bandă interzisă de lățime 6 eV, semi-izolatoare GaAs - 1,5 eV. GaN, materialul pentru dispozitive optoelectronice în regiunea albastră, are o zonă interzisă cu o lățime de 3,5 eV.

Deficitul energetic

orbitali valența atomilor în rețeaua cristalină sunt împărțite în două grupe de niveluri de energie - o zonă liberă, situate la cel mai înalt nivel, și determină conductivitatea electrică a semiconductorilor, iar banda de valență, de mai jos. Aceste nivele, în funcție de simetria zăpezii cristaline și de compoziția atomilor, se pot intersecta sau se pot distanța unul de celălalt. În cel de-al doilea caz, între zone există un spațiu energetic, sau cu alte cuvinte, o zonă inhibată.

Localizarea și umplerea nivelelor determină proprietățile conductive ale substanței. Pe această bază, substanțele sunt împărțite în conductori, izolatori și semiconductori. Lățimea benzii interzise a semiconductorului variază în intervalul 0,01-3 eV, diferența de energie dielectrică depășește 3 eV. Metalele nu se datorează nivelurilor suprapuse ale decalajelor energetice.

Semiconductorilor și izolatorilor, spre deosebire de metale, electronii sunt umplute banda de valență și cea mai apropiată zonă liberă, sau banda de conducție, energia valență este împrejmuită de la ruptura - porțiunea de energii interzise de electroni.

În cazul în care dielectricitatea energiei termice sau un câmp electric mic nu este suficient pentru a face un salt prin acest spațiu, electronii nu intră în banda de conducție. Nu sunt capabili să se miște în jurul rețelei cristaline și să devină purtători de curent electric.

Pentru a stimula conductivitatea electrică, un electron la nivelul valenței trebuie să primească energie care să fie suficientă pentru a depăși diferența energetică. Numai prin absorbția unei cantități de energie nu mai mică decât mărimea spațiului energetic, electronul va trece de la nivelul de valență la nivelul conductivității.

În acest caz, dacă lățimea diferenței de energie este mai mare de 4 eV, conductivitate semiconductor excitație iradiere sau încălzire este practic imposibilă - energia de excitare a electronilor la temperatura de topire nu este suficientă pentru a sări decalajul de energie prin zona. Când este încălzit, cristalul se topește înainte de apariția conducerii electronice. Astfel de substanțe includ cuarț (dE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV), multe săruri.

Impuritatea și conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor

Cristalele semiconductoare pure au conductivitate intrinsecă. Astfel de semiconductori se numesc proprietari. Semiconductorul intrinsec conține un număr egal de găuri și electroni liberi. Când este încălzit, conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor crește. La o temperatură constantă, apare o stare de echilibru dinamic între numărul de perechi de electroni-gauri formate și numărul de electroni recombinanți și găuri care rămân constante în condițiile date.

Prezența impurităților are un efect semnificativ asupra conductivității electrice a semiconductorilor. Adăugarea acestora face posibilă creșterea semnificativă a numărului de electroni liberi cu un număr mic de găuri și creșterea numărului de găuri cu un număr mic de electroni la nivelul conductivității. Semiconductorii cu impurități sunt conductoare care au conductivitate impurități.

Impuritățile, care dau cu ușurință electroni, se numesc cele donatoare. Donor impuritățile pot fi elemente chimice cu atomi, nivelurile de valență care conțin mai mulți electroni decât atomii din materialul de bază. De exemplu, fosforul și bismutul sunt impurități donatoare de siliciu.

Energia necesară pentru ca electronul să sară în zona de conducere se numește energie de activare. Semiconductorii de impurități au nevoie de mult mai puțin din aceasta decât substanța principală. Cu ușoară încălzire sau iluminare, mai ales electronii de atomi semiconductori de impuritate sunt eliberați. Locul electronului care a părăsit atomul ocupă o gaură. Dar nu există practic nici o recombinare a electronilor în găuri. Conductibilitatea găurilor donatorului este neglijabilă. Acest lucru se datorează faptului că un număr mic de atomi de impurități nu permite electronilor liberi să se apropie adesea de gaură și să o ocupe. Electronii se află în apropierea găurilor, dar nu le pot umple din cauza nivelului insuficient de energie.

Adăugarea nesemnificativă a impurității donatorului cu mai multe ordini de mărime mărește numărul de electroni de conducere în comparație cu numărul de electroni liberi din semiconductorul intrinsec. Electronii de aici sunt principalii purtători ai încărcăturilor de atomi ai semiconductorilor de impurități. Aceste substanțe sunt clasificate ca semiconductori de tip n.

Impuritățile care leagă electronii unui semiconductor, crescând numărul de găuri din el, se numesc cele acceptoare. Impuritățile acceptoare sunt elemente chimice cu un număr mai mic de electroni la nivelul valenței decât semiconductorul de bază. Bor, galiu, indiu sunt impurități acceptoare pentru siliciu.

Caracteristicile semiconductorului depind de defectele structurii sale cristaline. Acesta este motivul pentru care trebuie să crească cristale extrem de pure. Parametrii de conductivitate ai semiconductorului sunt controlați prin adăugarea de aditivi de aliere. Cristalele de siliciu sunt dopate cu fosfor (element V al subgrupului), care este un donator pentru a crea un cristal de siliciu de tip n. Pentru a obține un cristal cu conductivitate a gaurii, un acceptor de bor este introdus în siliciu. Semiconductorii cu un nivel Fermi compensat pentru al muta în mijlocul benzii interzise sunt create în mod similar.

Semiconductori cu un singur element

Cel mai obișnuit semiconductor este, desigur, siliciul. Împreună cu germaniu, a devenit un prototip al unei game largi de semiconductori cu structuri cristaline similare.

Structura cristalelor Si și Ge este aceeași cu cea a diamantului și a diamantului alfa-staniu. În el, fiecare atom este înconjurat de 4 atomi apropiați, care formează un tetraedru. Această coordonare se numește de patru ori. Cristalele cu o legătură tetradică au devenit esențiale pentru industria electronică și joacă un rol-cheie în tehnologia modernă. Unele elemente ale grupurilor V și VI ale tabelului periodic sunt de asemenea semiconductori. Exemple de semiconductori de acest tip sunt fosforul (P), sulful (S), seleniul (Se) și telurul (Te). În aceste semiconductori, atomii pot avea o coordonare triplă (P), dublă (S, Se, Te) sau cvadruplu. Ca rezultat, astfel de elemente pot exista în mai multe structuri cristaline diferite și pot fi de asemenea obținute sub formă de sticlă. De exemplu, Se a crescut în structuri de cristale monoclinice și triggonice sau sub formă de sticlă (care poate fi, de asemenea, considerată un polimer).

- Diamantul are o conductivitate termică excelentă, caracteristici mecanice și optice excelente, rezistență mecanică ridicată. Lățimea spațiului energetic este dE = 5,47 eV.

- Siliconul este un semiconductor utilizat în bateriile solare și în formă amorfă - în celulele solare subțiri. Acesta este semiconductorul cel mai folosit în fotocelule, ușor de fabricație, are proprietăți electrice și mecanice bune. dE = 1,12 eV.

- Germanium este un semiconductor utilizat în spectroscopia gamma, fotocelule cu eficiență ridicată. Utilizat în primele diode și tranzistoare. Necesită o curățare mai mică decât siliciul. dE = 0,67 eV.

- Seleniul este un semiconductor care este utilizat în redresoarele de seleniu, care au rezistență ridicată la radiații și capacitatea de autoreparare.

Conexiuni în două elemente

Proprietățile semiconductoarelor formate din elementele grupurilor 3 și 4 ale tabelului periodic amintesc proprietățile substanțelor 4 grupe. Trecerea de la 4 grupe de elemente la conexiunile 3-4 gr. face legăturile parțial ionice datorită transferului încărcării electronice de la atomul din grupa 3 la atomul din grupa 4. Ionicitatea schimbă proprietățile semiconductorilor. Este cauza unei creșteri a interacțiunii intestinale Coulomb și a energiei discontinuității energiei structurii benzii electronice. Compușii binari EXEMPLU de acest tip - indiu antimonid, InSb, GaAs arseniură de galiu, galiu antimonid GASB, indiu fosfură InP, antimonid aluminiu AlSb, fofid GaP.

crește Ionicity și valoarea ei crește în mai multe grupe de compuși 2-6 compuși, cum ar fi seleniura de cadmiu, sulfură de zinc, sulfură de cadmiu, cadmiu-telur, seleniură de zinc. Ca urmare, la majoritatea compușilor din grupele 2-6, zona interzisă este mai mare decât 1 eV, cu excepția compușilor de mercur. Merluria tellurida este un semiconductor fără un decalaj energetic, ca semimetal alfa-staniu.

Semiconductori de 2-6 grupuri cu un spațiu mare de energie se găsesc în producția de lasere și display-uri. Componente binare de 2-6 grupuri cu un spațiu redus de energie sunt potrivite pentru receptoarele cu infraroșu. Compușii binari ai elementelor din grupele 1-7 (CuBr cupros bromură, iodură de argint AgI, clorură de cupru CuCl) datorită ionicity ridicate au mai larg bandgap W eV. Ele nu sunt de fapt semiconductoare, ci izolatoare. Creșterea energiei de legare a cristalului datorată interacțiunii intestinale Coulomb promovează structurarea atomilor sare de roci cu o coordonare de șase ori mai degrabă decât cu patru. Compușii din grupurile 4-6 - sulfură de plumb și telură de plumb, sulfură de staniu - sunt, de asemenea, semiconductori. Gradul de ionicitate al acestor substanțe contribuie, de asemenea, la formarea unei coordonări de șase ori. Ionicitatea semnificativă nu împiedică prezența benzilor foarte înguste interzise, ​​ceea ce le permite să fie utilizate pentru a primi radiații infraroșii. Nitrida de galiu - un compus de 3-5 grupuri cu un decalaj energetic larg, găsit în aplicație semiconductori lasere și LED-uri care lucrează în partea albastră a spectrului.

- GaAs, galiu arseniura - la cerere, după al doilea semiconductor de siliciu este de obicei folosit ca substrat pentru alte conductoare, de exemplu, GaInNAs și InGaAs, în infraroșii setodiodah, tranzistori de înaltă frecvență și de circuite integrate, celule solare foarte eficiente, diode laser, detectori de cura nuclear. dE = 1,43 eV, ceea ce permite creșterea puterii instrumentelor în comparație cu siliciul. Fragile, conțin mai multe impurități, sunt complicate în procesul de fabricație.

- ZnS, sulfură de zinc - sare de zinc a hidrogenului sulfurat cu zonele de bandă interzisă și 3,54 3,91 eV, utilizate în lasere și ca fosfor.

- SnS, sulfura de staniu este un semiconductor utilizat în fotorezistoare și fotodiode, dE = 1,3 și 10 eV.

oxizi

Oxizii metalici sunt izolatori predominant excelenți, dar există și excepții. Exemple de semiconductori de acest tip sunt oxidul de nichel, oxidul de cupru, oxidul de cobalt, dioxidul de cupru, oxidul de fier, oxidul de europiu, oxidul de zinc. Deoarece dioxidul de cupru există sub forma unui mineral cupritic, proprietățile sale au fost studiate intensiv. Procedura de creștere a semiconductorilor de acest tip nu este încă pe deplin înțeleasă, prin urmare aplicarea lor este încă limitată. Excepția este oxidul de zinc (ZnO), grupul compus 2-6, utilizat ca un convertor și în producția de benzi adezive și plasturi.

Situația sa schimbat drastic după ce a fost descoperită supracodicitatea în mulți compuși ai cuprului cu oxigen. Primul superconductor de temperatură înaltă, descoperit de Mueller și Bednorz, a fost un compus bazat pe semiconductorul La₂CuO₄ cu un decalaj de energie de 2 eV. Prin înlocuirea lantanului trivalent cu bariu bivalent sau stronțiu, purtătorii încărcăturii cu gaură se introduc în semiconductor. Realizarea concentrației necesare de găuri se transformă în La₂CuO₄ într-un superconductor. În prezent, cea mai înaltă temperatură de tranziție către starea superconductoare aparține compusului HgBaCa₂cu₃O₈. La presiuni mari, valoarea sa este de 134 K.

ZnO, se utilizează varistor oxid de zinc, albastru diode emițătoare de lumină, senzori de gaze, senzori biologici, acoperiri ferestre pentru a reflecta lumina infrarosie, ca un conductor în display-uri LCD și baterii solare. dE = 3,37 eV.

Cristale stratificate

Compușii dubli, cum ar fi dihidroxid de plumb, selenid de galiu și disulfură de molibden se disting prin structura stratificată a cristalului. În straturile actului legături covalente forța considerabilă, este mult mai puternică decât legăturile van der Waals între straturile însele. Semiconductorii de acest tip sunt interesați de faptul că electronii se comportă în straturi cvasi-bidimensionale. Interacțiunea straturilor se modifică prin introducerea atomilor de la terți - prin intercalare.

MoS₂ Disulfidul molibden este utilizat în detectoare de înaltă frecvență, redresoare, memristori, tranzistori. dE = 1,23 și 1,8 eV.

Organice semiconductoare

Exemple de semiconductori pe bază de compuși organici sunt naftalina, poliacetilenă (CH₂)_n, antracen, poliadiacetilen, ftalocianide, polivinilcarbazol. Semiconductorii organici au un avantaj față de anorganici: pot fi ușor de acordat calitățile necesare. Substanțele cu legături conjugate de tipul -C = С-С =, au o neliniaritate optică semnificativă și, prin urmare, sunt utilizate în optoelectronică. În plus, zonele de rupere a energiei din semiconductorii organici sunt modificate printr-o modificare a formulei compuse, care este mult mai ușoară decât pentru semiconductorii convenționali. Alotropii cristalini de fulleren de carbon, grafen, nanotuburi sunt, de asemenea, semiconductori.

- Fullerenul are o structură sub forma unui polytope închis convex de la un număr par de atomi de carbon. O dopare de fulleren C₆₀ Metalul alcalin îl transformă într-un superconductor.

- Grafenul este format dintr-un strat monatomic de carbon, conectat la o rețea hexagonală bidimensională. Are o conductivitate termică record și mobilitatea electronilor, rigiditate ridicată

- Nanotuburile sunt laminate într-un tub de plăci de grafit, având câțiva nanometri în diametru. Aceste forme de carbon au o mare perspectivă în nanoelectronică. În funcție de aderență, pot fi expuse calități metalice sau semiconductoare.

Semiconductori magnetici

Compușii cu ioni magnetici de europiu și mangan au proprietăți magnetice și semiconductoare interesante. Exemple de semiconductori de acest tip sunt sulfura de europiu, selenidul de europiu și soluțiile solide precum Cd_1-xshy-Mn_xTe. Conținutul de ioni magnetici influențează modul în care proprietățile magnetice, cum ar fi antiferromagnetismul și ferromagnetismul, se manifestă în substanțe. Semiconductoarele semimagnetice sunt soluții magnetice solide de semiconductori care conțin ioni magnetici într-o concentrație mică. Astfel de soluții solide atrage atenția prin perspectivele lor și prin potențialul mare al posibilelor aplicații. De exemplu, spre deosebire de semiconductorii nemagnetici, aceștia pot realiza o rotație de Faraday de un milion de ori mai mare.

Efectele magneto-optice puternice ale semiconductoarelor magnetice fac posibilă utilizarea acestora pentru modularea optică. Perovskites ca Mn_0.7Ca_0.3O₃ proprietățile lor depășesc tranziția semiconductorilor metalici, dependența directă de acestea pe câmpul magnetic are consecința fenomenului de rezonanță magnetică gigantică. Ele sunt utilizate în radiotehnică, dispozitive optice, care sunt controlate de un câmp magnetic, în ghiduri de undă ale dispozitivelor cu microunde.

Ferroelectrice semiconductoare

Acest tip de cristal este caracterizat de prezența unor momente electrice în ele și de apariția polarizării spontane. De exemplu, astfel de proprietăți sunt posedate de semiconductori de titanat de plumb PbTiO₃, titanat de bariu BaTiO₃, germaniu telluride GeTe, SnTe telluride, care la temperaturi joase au proprietățile unui feroelectric. Aceste materiale sunt utilizate în dispozitive optice neliniare, de memorie și senzori piezoelectrici.

Varietate de materiale semiconductoare

În plus față de substanțele semiconductoare menționate mai sus, există multe altele care nu se încadrează în nici unul dintre tipurile enumerate. Compuși de elemente conform formulei 1-3-5₂ (AgGaS₂) și 2-4-5₂ (ZnSiP₂) formează cristale în structura chalcopiritei. Legăturile compușilor sunt tetraedrice, analogice cu semiconductorii semiconductori 3-5 și semiconductori 2-6, cu structură cristalină de amestec de zinc. Compușii care formează elemente ale semiconductoarelor din grupa 5 și 6 (similare cu cele din As₂Se₃), - semiconductor sub formă de cristal sau sticlă. Chalcogenidele de bismut și antimoniu sunt utilizate în generatoarele termoelectrice semiconductoare. Proprietățile semiconductorilor de acest tip sunt extrem de interesante, dar nu au câștigat popularitate din cauza aplicării limitate. Cu toate acestea, faptul că există acestea confirmă prezența chiar înainte de sfârșitul zonelor neexplorate de fizică a semiconductorilor.