Добрі поради » Цікаве » Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

22-02-2016, 17:12
2 232
0
Найвідомішим є напівпровідником кремній (Si). Але, крім нього, є багато інших. Прикладом можуть служити такі природні напівпровідникові матеріали, як цинкова обманка (ZnS), куприт (Cu 2 O), галеніт (PbS) і багато інших. Сімейство напівпровідників, включаючи напівпровідники, синтезовані в лабораторіях, являє собою один з найбільш різнобічних класів матеріалів, відомих людині.

Характеристика напівпровідників

Із 104 елементів таблиці Менделєєва 79 є металами, 25 – неметалами, 13 з яких хімічних елементів володіють напівпровідниковими властивостями і 12 – діелектричними. Основна відмінність напівпровідників полягає в тому, що їх електропровідність значно зростає при підвищенні температури. При низьких температурах вони ведуть себе подібно діелектриків, а при високих — як провідники. Цим напівпровідники відрізняються від металів: опір металу зростає пропорційно збільшенню температури.


Іншою відмінністю напівпровідника від металу є те, що опір напівпровідника падає під дією світла, в той час як на метал останній не впливає. Також змінюється провідність напівпровідників при введенні незначної кількості домішки. Напівпровідники зустрічаються серед хімічних сполук з різноманітними кристалічними структурами. Це можуть бути такі елементи, як кремній і селен, або подвійні сполуки, як арсенід галію. Багато органічні сполуки, наприклад поліацетилен (СН) n, – напівпровідникові матеріали. Деякі напівпровідники виявляють магнітні (Cd 1-x Mn x Te) або сегнетоелектричні властивості (SbSI). Інші при достатньому легуванні стають надпровідниками (GeTe і SrTiO 3 ). Багато хто з нещодавно відкритих високотемпературних надпровідників мають неметалеві полупроводящие фази. Наприклад, La 2 CuO 4 є напівпровідником, але при утворенні сплаву з Sr стає сверхроводником (La 1-x Sr x ) 2 CuO 4 .


Підручники фізики дають напівпровідника визначення матеріалу з електричним опором від 10 -4 до 10 7 Ом·м. Можливо й альтернативне визначення. Ширина забороненої зони напівпровідника - від 0 до 3 ев. Метали і полуметаллы – це матеріали з нульовим енергетичним розривом, а речовини, у яких вона перевищує З ев, називають ізоляторами. Є і винятки. Наприклад, напівпровідниковий алмаз має заборонену зону шириною 6 ев, полуизолирующий GaAs – 15 ев. GaN, матеріал для оптоелектронних приладів в синій області, має заборонену зону шириною 35 ев.
Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Енергетичний зазор

Валентні орбіталі атомів в кристалічній решітці розділені на дві групи енергетичних рівнів – вільну зону, розташовану на вищому рівні і визначає електропровідність напівпровідників, і валентну зону, розташовану нижче. Ці рівні, залежно від симетрії решітки кристала і складу атомів, можуть перетинатися або розташовуватися на відстані один від одного. В останньому випадку між зонами виникає енергетичний розрив або, іншими словами, заборонена зона.
Розташування та заповнення рівнів визначає електропровідні властивості речовини. За цією ознакою речовини ділять на провідники, ізолятори і напівпровідники. Ширина забороненої зони напівпровідника варіюється в межах 001–3 ев, енергетичний зазор діелектрика перевищує 3 ев. Метали через перекриття енергетичних рівнів розривів не мають. Напівпровідники і діелектрики, в противагу металів, мають заповнену електронами валентну зону, а найближча вільна зона, або зона провідності, відгороджена від валентної енергетичних розривом ділянкою заборонених енергій електронів. В діелектриках теплової енергії або незначного електричного поля недостатньо для здійснення стрибка через цей проміжок, електрони в зону провідності не потрапляють. Вони не здатні пересуватися по кристалічній решітці і ставати переносниками електричного струму. Щоб порушити електропровідність, електрону на валентном рівні потрібно надати енергію, якої б вистачило для подолання енергетичного розриву. Лише при поглинанні кількості енергії, не меншого, ніж величина енергетичного зазору, електрон перейде з валентного рівня на рівень провідності. У тому випадку, якщо ширина енергетичного розриву перевищує 4 ев, порушення провідності напівпровідника опроміненням або нагріванням практично неможливо – енергія збудження електронів при температурі плавлення виявляється недостатньою для стрибка через зону енергетичного розриву. При нагріванні кристал розплавиться до виникнення електронної провідності. До таких речовин відноситься кварц (dE = 52 ев), алмаз (dE = 51 ев), багато солі.
Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Домішкова і власна провідність напівпровідників

Чисті напівпровідникові кристали мають власну провідність. Такі напівпровідники називаються власними. Власний напівпровідник, що містять рівне число дірок і вільних електронів. При нагріванні власна провідність напівпровідників зростає. При постійній температурі виникає стан динамічної рівноваги кількості утворюються електронно-діркових пар і кількості електронів і дірок рекомбінує, які залишаються постійними при даних умовах.
Наявність домішок надає значний вплив на електропровідність напівпровідників. Додавання дозволяє набагато збільшити кількість вільних електронів при невеликому числі дірок і збільшити кількість дірок при невеликому числі електронів на рівні провідності. Домішкові напівпровідники – це провідники, що володіють домішковою провідністю. Домішки, які легко віддають електрони, називаються донорними. Донорними домішками можуть бути хімічні елементи з атомами, валентні рівні яких містять більшу кількість електронів, чим атоми базового речовини. Наприклад, фосфор і вісмут – це донорні домішки кремнію. Енергія, необхідна для стрибка електрона в область провідності, носить назву енергії активізації. Домішковим напівпровідників необхідно набагато менше її, ніж основного речовини. При невеликому нагріванні або освітленні звільняються переважно електрони атомів домішкових напівпровідників. Місце покинув атом електрона займає дірка. Але рекомбінації електронів в дірки практично не відбувається. Діркова провідність донора незначна. Це відбувається тому, що мала кількість атомів домішки не дозволяє вільним електронам часто наближатися до дірці і займати її. Електрони знаходяться близько дірок, але не здатні їх заповнити унаслідок недостатнього енергетичного рівня. Незначна добавка донорної домішки на кілька порядків збільшує число електронів провідності в порівнянні з кількістю вільних електронів у власному напівпровіднику. Електрони тут – основні переносники зарядів атомів домішкових напівпровідників. Ці речовини відносять до напівпровідників n-типу. Домішки, які пов'язують електрони напівпровідника, збільшуючи в ньому кількість дірок, називають акцепторними. Акцепторними домішками служать хімічні елементи з меншим числом електронів на валентном рівні, ніж у базового напівпровідника. Бор, галій, індій – акцепторні домішки для кремнію. Характеристики напівпровідника знаходяться в залежності від дефектів його кристалічної структури. Це є причиною необхідності вирощування гранично чистих кристалів. Параметрами провідності напівпровідника керують шляхом додавання легуючих присадок. Кристали кремнію легують кремнієм, фосфором (елемент V підгрупи), який є донором, щоб створити кристал кремнію n-типу. Для отримання кристала з дірковою провідністю в кремній вводять акцептор бор. Напівпровідники з компенсованим рівнем Фермі для переміщення його в середину забороненої зони створюють подібним чином.
Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Одноелементні напівпровідники

Найпоширенішим є напівпровідником, звичайно, кремній. Разом з германієм він став прототипом широкого класу напівпровідників, що володіють подібними структурами кристала. Структура кристалів Si та Ge та ж, що у алмазу і ?-олова. В ній кожен атом оточують 4 найближчих атома, які утворюють тетраедр. Така координація називається чотирикратної. Кристали з тетрадрической зв'язком стали базовими для електронної промисловості і відіграють ключову роль у сучасній технології. Деякі елементи V і VI групи таблиці Менделєєва також є напівпровідниками. Приклади напівпровідників цього типу – фосфор (Р), сірка (S), селен (Se) і телур (Те). У цих напівпровідниках атоми можуть мати трикратну (Р), двухкратную (S, Se, Ті) або чотириразовий координацію. В результаті подібні елементи можуть існувати в різних кристалічних структурах, а також бути отримані у вигляді скла. Наприклад, Se вирощувався в моноклінної і тригональної кристалічних структурах або у вигляді скла (яке також можна вважати полімером). - Алмаз володіє відмінною термічної провідністю, чудовими механічними та оптичними характеристиками, високою механічною міцністю. Ширина енергетичного розриву - dE = 547 ев. - Кремній – напівпровідник, що використовується в сонячних батареях, а в аморфній формі – в тонкоплівкових сонячних батареях. Є найбільш використовуваним напівпровідником у фотоелементах, простий у виробництві, володіє гарними електричними і механічними якостями. dE = 112 ев. - Германій – напівпровідник, що використовується в гамма-спектроскопії, високоефективних фотоелементах. Використовувався в перших діодах і транзисторах. Вимагає менше очищення, ніж кремній. dE = 067 ев. - Селен – напівпровідник, який застосовується в селенових випрямлячах, що володіють високою радіаційною стійкістю і здатністю до самовідновлення.
Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Двоелементні з'єднання

Властивості напівпровідників, утворених елементами 3 і 4 груп таблиці Менделєєва, нагадують властивості речовин 4 групи. Перехід від 4 групи елементів з'єднань 3-4 гр. робить зв'язку частково іонними з причини переносу заряду електронів від атома 3 групи до атому 4 групи. Ионность змінює властивості напівпровідників. Вона є причиною збільшення кулонівського межионного взаємодії і енергії енергетичного розриву зонної структури електронів. Приклад бінарного сполуки цього типу – антимонід індію InSb, арсенід галію GaAs, антимонід галію GaSb, фосфід індію InP, антимонід алюмінію AlSb, фосфід галію GaP. Ионность зростає, а її значення ще більше зростає у з'єднаннях речовин 2-6 груп, таких як селенід кадмію, сульфід цинку, сульфід кадмію телурид кадмію, селенід цинку. В результаті у більшості сполук 2-6 груп заборонена зона ширша 1 ев, крім сполук ртуті. Телурид ртуті – напівпровідник без енергетичного зазору, напівметали, подібно ?-олову. Напівпровідники 2-6 груп з великим енергетичним зазором знаходять застосування у виробництві лазерів і дисплеїв. Двійкові з'єднання 2– 6 груп зі звуженим енергетичних розривом підходять для інфрачервоних приймачів. Бінарні сполуки елементів 1-7 груп (бромід міді CuBr, йодид срібла AgI, хлорид міді CuCl) з причини високої іонності мають забороненою зоною ширше З ев. Вони фактично не напівпровідники, а ізолятори. Зростання енергії зчеплення кристала внаслідок кулонівської межионного взаємодії сприяє структуруванню атомів кам'яної солі з шестикратний, а не квадратичних координацією. З'єднання 4-6 груп - сульфід і телурид свинцю, сульфід олова - також напівпровідники. Ступінь іонності даних речовин теж сприяє утворенню шестиразовій координації. Значна ионность не перешкоджає наявності у них дуже вузьких заборонених зон, що дозволяє використовувати їх для прийому ІЧ-випромінювання. Нітрид галію - з'єднання 3-5 груп з широким енергетичним зазором, знайшов застосування в напівпровідникових лазерах і світлодіодах, які працюють в блакитній частині спектра. - GaAs, арсенід галію – другий по популярності після кремнію напівпровідник, зазвичай використовується в якості основи для інших провідників, наприклад, GaInNAs і InGaAs, в ІЧ-сетодиодах, високочастотних мікросхемах і транзисторах, високоефективних фотоелементах, лазерних діодах, детектори ядерного лікування. dE = 143 ев, що дозволяє підвищити потужність приладів в порівнянні з кремнієм. Крихкий, містить більше домішок, складний у виготовленні. - ZnS, сульфід цинку – цинкова сіль сірководневої кислоти з діапазоном забороненої зони 354 і 391 ев, використовується в лазерах і як люмінофора. - SnS, сульфід олова – напівпровідник, що використовується в фоторезисторах і фотодиодах, dE= 13 і 10 ев.
Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Оксиди

Оксиди металів переважно є прекрасними ізоляторами, але є і виключення. Приклади напівпровідників цього типу – оксид нікелю, оксид міді, оксид кобальту, двоокис міді, оксид заліза, оксид європію, оксид цинку. Так як двоокис міді існує у вигляді мінералу куприта, її властивості посилено досліджувалися. Процедура вирощування напівпровідників цього типу ще не зовсім зрозуміла, тому їх застосування поки обмежена. Виняток становить оксид цинку (ZnO), з'єднання 2-6 груп, застосовуваний у якості перетворювача і у виробництві клеючих стрічок і пластирів. Становище кардинально змінилося після того, як у багатьох з'єднання міді з киснем була відкрита надпровідність. Першим високотемпературним надпровідником, відкритим Мюллером і Беднорцем, стало з'єднання, засноване на напівпровіднику La 2 CuO 4 з енергетичним зазором 2 ев. Заміщаючи тривалентний лантан двовалентних барієм або стронцієм, в напівпровідник вводяться переносники заряду дірки. Досягнення необхідної концентрації дірок перетворює La 2 CuO 4 в надпровідник. В даний час найбільша температура переходу в надпровідний стан належить з'єднанню HgBaCa 2 Cu 3 O 8 . При високому тиску її значення становить 134 К. ZnO, оксид цинку, що використовується в варисторах, блакитних світлодіодах, датчики газу, біологічних сенсорах, покриттях вікон для відображення інфрачервоного світла, як провідник в ЖК-дисплеях і сонячних батареях. dE=337 ев.

Шаруваті кристали

Подвійні сполуки, подібні дииодиду свинцю, селениду галію і дисульфиду молібдену, відрізняються шаруватим будовою кристала. У шарах діють ковалентні зв'язки значної сили, набагато сильніше ван-дер-ваальсовских зв'язків між самими шарами. Напівпровідники такого типу цікаві тим, що електрони поводяться в шарах квазі-двомірне. Взаємодія шарів змінюється введенням сторонніх атомів – интеркаляцией. MoS 2 дисульфід молібдену застосовується у високочастотних детекторах, випрямлячах, мемристорах, транзисторах. dE=123 і 18 ев.
Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Органічні напівпровідники

Приклади напівпровідників на основі органічних сполук – нафталін, поліацетилен (CH 2 ) n , антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органічні напівпровідники мають перевагу перед неорганічними: їм легко надавати потрібні якості. Речовини зі спряженими зв'язками виду –С=С–С=, володіють значною оптичної нелінійністю і, завдяки цьому, застосовуються в оптоелектроніці. Крім того, зони енергетичного розриву органічних напівпровідників змінюються зміною формули сполуки, що набагато легше, ніж у звичайних напівпровідників. Кристалічні аллотропы вуглецю фулерен, графен, нанотрубки – теж напівпровідниками. - Фулерен має структуру у вигляді опуклого замкнутого багатогранника з парного кількості атомів углеорода. А легування фулерену З 60 лужним металом перетворює його в надпровідник. - Графен утворений одноатомным шаром вуглецю, сполученого у двовимірну гексагональну решітку. Володіє рекордною теплопровідністю і рухливістю електронів, високою жорсткістю - Нанотрубки являють собою згорнуті в трубку пластини графіту, що мають кілька нанометрів в діаметрі. Ці форми вуглецю мають велику перспективу в наноелектроніці. Залежно від зчеплення можуть проявляти металічні або напівпровідникові якості.
Приклади напівпровідників. Типи, властивості, практичне застосування

Магнітні напівпровідники

З'єднання з магнітними іонами європію та марганцю володіють цікавими магнітними і напівпровідниковими властивостями. Приклади напівпровідників цього типу – сульфід європію, селенід європію та тверді розчини, подібні Cd 1-x Mn x Te. Зміст магнітних іонів впливає на те, як у речовин проявляються такі магнітні властивості, як антиферомагнетизмом та феромагнетизм. Полумагнитные напівпровідники – це тверді магнітні розчини напівпровідників, які містять магнітні іони у невеликій концентрації. Такі тверді розчини звертають на себе увагу своєю перспективністю і великим потенціалом можливих застосувань. Наприклад, на відміну від немагнітних напівпровідників, в них можна досягти в мільйон разів більшого фарадеевского обертання. Сильні магнітооптичні ефекти магнітних напівпровідників дозволяють використовувати їх для оптичної модуляції. Перовскіти, подібні Mn 07 Ca 03 O 3 своїми властивостями перевершують перехід метал-напівпровідник, пряма залежність якого від магнітного поля має наслідком явище гігантської магнето-резистивности. Застосовуються в радіотехнічних, оптичних приладах, які управляються магнітним полем, у хвилеводах НВЧ-пристроїв.

Напівпровідникові сегнетоэлектрики

Цей тип кристалів відрізняється наявністю в них електричних моментів і виникненням спонтанної поляризації. Наприклад, такими властивостями володіють напівпровідники титанат свинцю PbTiO 3 , титанат барію BaTiO 3 , телурид німеччина GeTe, телурид олова SnTe, які при низьких температурах мають властивості сегнетоэлектрика. Ці матеріали застосовуються в нелінійно-оптичних, запам'ятовуючих пристроях і пьезодатчиках.

Різноманітність напівпровідникових матеріалів

Крім згаданих вище напівпровідникових речовин, є багато інших, які не потрапляють ні під одну з перерахованих типів. З'єднання елементів за формулою 1-3-5 2 (AgGaS 2 ) і 2-4-5 2 (ZnSiP 2 ) утворюють кристали в структурі халькопирита. Зв'язку сполук тетраэдрические, аналогічно напівпровідників 3-5 і 2-6 груп з кристалічною структурою цинкової обманки. Сполуки, які утворюють елементи напівпровідників 5 і 6 груп (подібно As 2 Se 3 ) – напівпровідникові у формі кристала або скла. Халькогениды вісмуту і сурми використовуються в напівпровідникових термоелектричних генераторах. Властивості напівпровідників цього типу надзвичайно цікаві, але вони не здобули популярності через обмеженого застосування. Однак те, що вони існують, підтверджує наявність ще до кінця не досліджених областей фізики напівпровідників.
Схожі добрі поради по темі
Кремній та його сполуки: формули
Кремній та його сполуки: формули
Кремній (Si) – другий елемент головної підгрупи IV групи Періодичної системи Менделєєва Д. І Кремній дуже поширений в природі, тому він займає друге
Електротехнічні матеріали, їх властивості та застосування
Електротехнічні матеріали, їх властивості та застосування
Ефективна і довговічна робота електричних машин і установок безпосередньо залежить від стану ізоляції, для влаштування якої застосовують
Провідник в електростатичному полі. Провідники, напівпровідники, діелектрики
Провідник в електростатичному полі. Провідники, напівпровідники, діелектрики
Речовиною, що мають вільні частинки з зарядом, що рухаються по тілу за рахунок діючого електричного поля впорядковано, називають провідник в
Що таке вугілля і якими вони бувають?
Що таке вугілля і якими вони бувають?
У статті розповідається про те, що таке вугілля, що таке викопний вугілля, як він утворюється і у яких сферах застосовується в наш час.
Що таке напівпровідники? Опір напівпровідників
Що таке напівпровідники? Опір напівпровідників
Чим є напівпровідниковий матеріал? Які його особливості? Яка фізика напівпровідників? Вони побудовані? Що таке провідність напівпровідників? Якими
Напівпровідникові лазери: види, будова, принцип роботи, застосування
Напівпровідникові лазери: види, будова, принцип роботи, застосування
Напівпровідникові лазери є квантовими генераторами на основі напівпровідникової активної середовища, у якій оптичне посилення створюється вимушеним