Näited pooljuhid. Tüübid, omadused, praktilisi rakendusi

Kuulsaim on pooljuhi räni (Si). Aga peale tema on paljud teised. Näideteks on looduslikud, näiteks pooljuhtmaterjalide nagu Sinkkivälke (ZnS), Kupriit (Cu _2O), galena (PBS) ja paljud teised. Perekond pooljuhid, sealhulgas pooljuhtide valmistatakse laborites, on üks kõige erinevamad klassi materjale tuntud mees.

Iseloomustus pooljuhid

104 elementide perioodilisuse tabeli on metall 79, 25 - nonmetals kust 13 keemilisi elemente omavad pooljuhist omadused ja 12 - dielektrilisest. Peamised pooljuhtide funktsioon seisneb selles, et nende juhtivus suurendab oluliselt temperatuuri tõstmisel. Madalatel temperatuuridel, nad käituvad nagu isolaatorite ja kõrge - dirigendid. Need pooljuhid erinevad metallist: metalli takistus tõuseb proportsionaalselt temperatuuri tõus.

Teine erinevus pooljuhist metalli seisneb selles, et resistentsus pooljuhi väheneb mõjul valgust, samas kui teisel metalli ei muutu. Samuti pooljuhi juhtivust suur manustatuna alaealine lisand.

Pooljuhid hulgas võib leida keemilisi ühendeid, millel on erinevad kristallstruktuuridega. Need võivad olla elemente nagu räni ja seleen, või kahe ühendid nagu galliumarseniid. Paljud orgaanilised ühendid, nagu polüatsetüleen, (CH) _n, - pooljuhtmaterjalide. Teatud pooljuhtidel ilmneb magnetilise (Cd _1-x Mn _x Te) või ferroeletriliste omadused (SbSI). Muud legeeriva piisava muutunud ülijuhtide (Gete ja SrTiO _3). Paljud hiljuti avastatud kõrge ülijuhid on metallist pooljuhist faasi. Näiteks La ₂ CuO ₄ on pooljuht, kuid teket sulami Sr muutub sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Physics õpikuid saades määratluse pooljuhtmaterjalina elektrilise takistusega 10 ^-4 kuni 10 ⁷ oomi · m. Võibolla alternatiivse määratluse. Laiuse keelatud band pooljuhi - 0-3 eV. Metallide ja poolmetallidest - materjalist nullenergia tühimikku ning aine, mille tagajärjel see ületab W eV nimetatakse isolaatorid. On erandeid. Näiteks pooljuhtide teemant pakub laia keelatud tsoonis 6 eV, semi-isoleeriva GaAs - 1,5 eV. GaN materjalina optoelekroonikaseadmetes sinises piirkonnas, on keelatud ribalaiuse 3,5 eV.

energia puudujäägi

Valents orbitaalidest aatomite kristallvõre jagunevad kahte rühma energiatasemete - vabatsooni, mis asub aadressil kõrgeimal tasemel ning määrab elektrijuhtivus pooljuhid valentsiga bänd, allpool. Need tasemed, sõltuvalt sümmeetriaga kristallvõre struktuuri ja aatomid võivad lõikuda või olla üksteisest eemal. Viimasel juhul on olemas energia vahe, või teisisõnu, vahel keelatud bänd tsoonid.

Asukoha ja täidis tase määratakse juhtiva materjali omadusi. Vastavalt selle funktsiooni aine jagatud dirigendid, isolaatorid ja pooljuhid. Laiuse keelatud band pooljuhi suur 0,01-3 eV, energia puudujäägi dielektrilise kui 3 eV. Metallide tõttu kattuvaid energy lüngad tasemed ei ole.

Pooljuhtide ja isolaatorite, erinevalt metall, elektronid on täis valents bänd ja lähima vabatsooni või juhtivuse bänd, valents energiat tarastatud rebend - osa keelatud energiate elektronid.

In dielektrikute soojusenergia või tühine elektrivälja ei ole piisav, et teha hüpe läbi selle vahe, elektronid ei kuulu juhtivuse bänd. Nad ei suuda liikuda kristallvõre saanud vedajad elektrivoolu.

Et energiat elektrijuhtivuse elektroni valents tasandil tuleks energia, mis oleks piisavalt, et ületada energia vahe. Ainult siis, kui energia hulk ei ole imendumine väiksem väärtus energia vahe, möödub valentselektroniks tasandil juhtivuse tasandil.

Sellisel juhul, kui laius energiat pilu ületab 4 eV, juhtivus pooljuhtide ergastus kiiritamist või kuumutamist on praktiliselt võimatu - ergastava Elektronide energia hetkel sulamistemperatuuri ei piisa hüpata energia pilu läbi tsooni. Kuumutamisel kristallid sulab enne elektroonilise juhtivus. Selliseid aineid sisaldavad kvarts (de = 5,2 eV), teemant (de = 5,1 eV), paljud soolad.

Väline ja sisemine juhtivus pooljuhtide

Net Pooljuhtkristallid loomuomase juhtivus. Selline pooljuhtide pärisnimesid. Sisemised pooljuhtide sisaldab võrdub aukude arv ja vabad elektronid. Kui kuumutamine olemuslike pooljuhi juhtivust suureneb. Püsival temperatuuril, on tingimuseks dünaamilises tasakaalus kogus genereeritud elektrone aukude paarid ja mitmeid kombineerumise elektrone ja auke, mis jäävad samaks nendes tingimustes.

Lisandite oluliselt mõjutab elektrijuhtivust pooljuhid. Nende lisamine võimaldab oluliselt suurendada vabade elektronide arvu väikese arvu augud ja arvu suurendada augud väikese arvu elektronide juhtivuse tasandil. Lisand pooljuhtide - juhtmed, millel lisandiks juhtivus.

Lisandeid kergesti annetada elektronide nimetatakse doonor. Doonor lisandid võivad olla keemilised elemendid koos aatomitega, valents tasemed, mis sisaldavad rohkem elektrone kui aatomitega alusmaterjali. Näiteks, fosforit ja vismuti - räni doonori lisandeid.

Vajalikku energiat hüpata elektrone juhtivuse piirkonna nimetatakse aktivatsiooni energiat. Lisand pooljuhtide vaja palju vähem seda, kui alusmaterjali. Mõningase kuumutamisel või valguse valdavalt vabastas elektronid aatomite lisandi pooljuhid. Tee lahkus aatom võtab elektrone auk. Aga elektron auk rekombinatsiooni ei toimu. doonori augu juhtivus on tühine. Seda seetõttu, et väike lisand aatomit ei võimalda vabad elektronid sageli lähemale auk ja hoidke seda. Elektronid on mõned augud, kuid ei suuda neid täita ebapiisava energia taset.

Kerget lisaaine doonori lisandi mitme suurusjärgu hulk suureneb juhtivuse elektronid võrreldes mitmeid vabu elektrone olemusliku pooljuht. Elektronid siin - peamised kandjad aatomlaengute lisand pooljuhid. Need ained kuuluvad n-tüüpi pooljuhid.

Lisandid, mis seovad elektrone pooljuhi, arvu suurendamine augud, mida nimetatakse aktseptor. Aktseptor lisandid on keemilised elemendid väiksema elektronide arvust valents tase kui alusega pooljuhi. Boor, gallium, indium - aktseptor lisandi räni.

Omadusi pooljuhtide sõltuvad tema kristallstruktuuri defekte. See põhjustab vajadust kasvab väga puhas kristallid. Parameetrid pooljuhi juhtivust kontrollitud lisamisega dopantide. Silicon kristallid dopeeritud fosfor (V alarühma element), mis on doonori luua kristalli räni n-tüüpi. Suhe kristalli p-tüüpi ränist manustada boor aktseptor. Pooljuhid kompenseeritud Fermi tase, et teisaldada keset keelutsooni sel viisil loodud.

üheelemendilised pooljuhtide

Kõige tavalisem pooljuhtide on muidugi räni. Koos Saksamaa, ta oli prototüüp suure klassi pooljuhid, mis on sarnane kristall struktuure.

Struktuur kristalli Si ja Ge on sama mis teemant ja α-tina. See ümbritseda iga aatom 4 lähemaid aatomit, mis moodustavad tetraeedri. Selline koordineerimine nimetatakse neli korda. Kristallid tetradricheskoy side terasest alus elektroonikatööstuses ja mängida võtmerolli kaasaegset tehnoloogiat. Mõned elemendid V ja VI perioodilisuse tabeli rühma kuuluvad ka pooljuhid. Selle liigi näideteks pooljuhid - fosfor (P), väävlit (S), seleen (Se) ja telluuri (Te). Need pooljuhid võivad olla kolmekordne aatomit (P), diasendatud (S, Se, Te) või neljakordne koordineerimist. Selle tulemusena sellised elemendid võivad eksisteerida mitmes erinevas kristallstrutuuriga ning samuti valmistada kujul klaasist. Näiteks Se kasvatati monokliinne ja trigonal kristallstruktuuridega või akna (mis võib samuti pidada polümeeri).

- Diamond on suurepärane soojusjuhtivus, suurepärased mehaanilised ja optilised omadused, kõrge mehaaniline tugevus. Laius energia vahe - DE = 5,47 eV.

- Silicon - pooljuht kasutatakse päikesepatareid ja amorfse vormi, - in õhukeses kihis päikesepatareid. See on kõige pooljuhtmaterjalide päikesepatareid, lihtne toota, on hea elektri- ja mehaanilisi omadusi. DE = 1,12 eV.

- germaanium - pooljuht kasutatud gammakiirte spektroskoopia, suure jõudlusega päikesepatareid. Kasutatud esimeses dioodid ja transistorid. See nõuab vähem puhastamist kui räni. DE = 0,67 eV.

- Seleen - pooljuhtide mida kasutatakse seleen alaldid, millel on kõrge kiirguse resistentsus ja enesetervendamisvõime.

Kaks elementi ühendid

Omadusi pooljuhid moodustatud elementide 3 ja 4 perioodilisuse tabeli rühmades meenutavad ühendite omaduste 4 rühma. Üleminek 4 rühma elementide ühendid 3-4 gr. See muudab kommunikatsiooni osaliselt seetõttu ionic eest transpordi elektrone aatomi Atom 3 Rühm 4 Group. Ionicity muudab omadusi pooljuhid. See põhjustab suurenenud Coulomb'i energia- ja ioon-ioon interaktsiooni energia pilu elektronide band struktuuri. Näide binaarse seda tüüpi ühendite - indium antimoniid, InSb galliumarseniid GaAs, galliumi antimoniid GaSb, indiumfosfiid InP alumiiniumist antimoniid AlSb, galliumi phosphide lõhe.

Ionicity suureneb ja selle väärtus kasvab mitme rühmaga ühendite 2-6 ühendeid, nagu kaadmium hõbegalliumseleniid, tsinksulfiid, kaadmiumsulfiid, kaadmiumtelluriiddetektorit, tsinkseleniidi. Selle tulemusena enamus ühendid 2-6 rühmaga keelatud band laiem kui 1 eV, välja arvatud elavhõbeda ühendid. Elavhõbe Telluride - ilma energiat pilu pooljuht, poolmetall, nagu α-tina.

Pooljuhid 2-6 rühmaga suurema energia vahe leiavad kasutamist tootmise laserid ja kuvab. Binary rühmad 6 2- ühend kitsenenud pilu energiat sobivad infrapuna vastuvõtjat. Binary ühendite grupi elementidest 1-7 (vaskbromiidiga CuBr, Agl hõbejodiidi, vaskkloriid CuCI) tänu kõrgele ionicity olla laiem bandgap W eV. Nad tegelikult ei pooljuhtide ja isolaatorite. Crystal kasvu ankrusse energia tõttu Coulomb interionic suhtlemist hõlbustab struktureerimise aatomite soola koos kuuendat järku asemel quadratic koordineerida. Ühendid 4-6 rühmaga - sulfiid, plii telluriidil, tina sulfiid - nagu pooljuhid. Ionicity nende ainete soodustab ka kuuekordne koordineerimine. Palju ionicity ei välista juuresolekul nad on väga kitsas lüngad, neid saab kasutada vastuvõtmiseks infrapunakiirgust. Galliumnitriidist - ühend rühmad 3-5 laia energia vahe, leiavad kasutust pooljuhtlaseriteks ja valgusdioodid tegutsevate sinine osa spektrist.

- GaAs galliumarseniid - nõudmise peale teist räni pooljuhtide kasutatakse tavaliselt substraadina teiste juhtide, näiteks GaInNAs ja InGaAs, in setodiodah infrapuna suure sagedusega transistorid integraallülitused, üliefektiivsed päikesepatareid laserdioodidest, detektorid tuuma ravi. DE = 1,43 eV, mis parandab toiteseadmete võrreldes räni. Habras, sisaldab rohkem lisandeid raske valmistada.

- ZnS, tsinksulfiid - tsinksool vesiniksulfiidi koos keelatud band piirkondades ja 3,54 3,91 eV, mida kasutatakse lasereid ja fosfor.

- SNS, tina sulfiid - pooljuht kasutatud fotoresistorites ja fotodioodidele, DE = 1,3 ja 10 eV.

oksiidid

Metalloksiidid eelistatult on suurepärased isolaatorid, kuid on ka erandeid. Selle liigi näideteks pooljuhid - nikli vaskoksiid, koobaltoksiidi, vask dioksiid, raudoksiidi, europium, tsinkoksiidi. Kuna vask dioksiid olemas mineraal Kupriit, selle omadusi uuriti intensiivselt. Protseduuri kasvatamiseks seda tüüpi pooljuht ei ole veel täiesti selge, et nende kasutamine on siiski piiratud. Erandiks on tsinkoksiidi (ZnO), ühend rühmad 2-6, kasutatakse muundurit ja tootmise kleeplindid ja plaastrid.

Muutus olukord kardinaalselt pärast Suprajohtavuus avastati paljud ühendid vask hapnikuga. Esimene kõrgel temperatuuril ülijuhti avada Bednorz ja Muller, oli liitpooljuhtidel põhineb La ₂ CuO _4, energia vahe 2 eV. Asendades kahevalentne kolmevalentne lantaan, baarium või strontsiumi, sisestatakse pooljuhtide laengukandjate aukude. Vajaliku augu kontsentratsiooni muudab La ₂ CuO ₄ ülijuhti. Sel ajal, kõrgeim temperatuur ülemineku ülijuhtivad olekus kuulub ühendiks HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Kõrge rõhu, selle väärtus on 134 K.

ZnO, tsinkoksiid Varistor kasutatakse, sinine valgusdioode, gaasi andurid, bioloogilise andurid, katted aknad peegeldavad infrapuna valgust, dirigendina LCD ekraanid ja päikesepatareide. DE = 3,37 eV.

kihiline kristallid

Double ühendid nagu dijodiid plii, galliumi hõbegalliumseleniid ja molübdeendisulfiidist erinevad kihiline kristallstruktuur. Kihid on kovalentsete sidemete märkimisväärset jõudu, palju tugevam kui van der Waalsi sidemetega kihtide ise. Pooljuhid sellist tüüpi on huvitav, sest elektronid käituvad kihid kvaasi-kahemõõtmeline. Interaktsiooni kihid muutub lisades väljaspool aatomit - intercalation.

Meremagustraalide _2, molübdeendisulfiid kasutatakse kõrgsageduslik detektorid alalditest Memristor, transistorid. DE = 1,23 ja 1,8 eV.

orgaaniline pooljuhtide

Näited pooljuhid põhjal orgaanilised ühendid - naftaleeni, polüatsetüleen _{(CH2) n-antratseen,} polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Orgaanilised pooljuhid on eelis mitte-orgaanilised: neid on lihtne levitada soovitud kvaliteediga. Ained konjugaatvaktsiinide väärtpaberid moodustada -C = C-C = omavad olulist optilise mittelineaarsus ja tänu sellele, et optoelektroonika rakendatud. Peale selle energia keelutsooni Orgaaniline pooljuhtide ühend valemiga varieeruda muutus palju lihtsamaks kui tavalistel pooljuhid. Kristalliline allotropes süsiniku fullereenid, grafeen, nanotorud - ka pooljuhid.

- Fullereen on struktuur kujul suletud kumera polühedron ugleoroda paarisarv aatomit. Doping fullereen _C60 leelismetalli muudab selle ülijuhti.

- grafiidi süsiniku monoatomaarse kiht on moodustatud, on ühendatud kahemõõtmeline kuusnurkne võre. Salvestage on juhtivus ja liikuvusega elektronidega, jäikus

- nanotorude rullitakse toruks grafiidi plaadi diameetriga mitut nanomeetrit. Need süsiniku vormid on väga paljutõotav nanoelektroonika. Sõltuvalt sidestamise võib olla metallist või pooljuht kvaliteeti.

magnetvälja pooljuhtide

Ühendid, millel on magnetilised ioone europium ja mangaani on kummaline magnet- ja pooljuhist omadused. Selle liigi näideteks pooljuhid - europium sulfiiidi hõbegalliumseleniid europium ja tahked lahused, näiteks Cd _1-x Mn _x Te. Sisu magnetilise ioonid mõjutab nii ained ilmutavad magnetilised omadused nagu ferromagnetism ja Antiferromagnetism. Semimagnetic pooljuhid - on kõva magnet pooljuhid lahuseid, mis sisaldavad magnetilise ioonide madal kontsentratsioon. Sellised tahked lahused meelitada tähelepanu oma väljavaadet ja suurt potentsiaali võimalikke rakendusi. Näiteks, erinevalt mittemagnetilisest pooljuhtide, võivad nad jõuda miljon korda suurem Faraday rotatsiooni.

Tugev magnetoptilisi mõju magnetic pooljuhid lubada nende kasutamist optilise modulatsiooni. Vaskperovskiitides, nagu Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, selle omadused on paremad metall-pooljuht üleminekuid, millele otseses sõltuvuses magnetvälja põhjustab nähtus giant magneeto-takistusega. Neid kasutatakse raadio, optiliste seadmete kontrollitava magnetväli, mikrolaineahi lainejuhttüüpi seadmeid.

pooljuhtide ferroelectrics

Seda tüüpi kristalle iseloomustab juuresolekul nende elektriline hetki ja spontaansete polarisatsiooni. Näiteks võivad sellised omadused on pooljuhtidega viia titanaat PbTiO _3, baariumtitanaati BaTiO _3, germaaniumi telluriidil, Gete, tina telluriidil SnTe, mis madalatel temperatuuridel on ferroeletriliste omadused. Need materjalid on kasutatud mittelineaarne optiline, piesoelektriline andurid ja mäluseadmete.

Erinevaid pooljuhtmaterjalide

Lisaks pooljuhtide eespool mainitud, on paljud teised, mis ei kuulu ühte tüüpi. Ühendid valemiga 1-3-5 elemendid ₂ (AgGaS ₂₎ ja 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ moodustavad chalcopyrite kristallstruktuur. Kontakteeruda tetraeedrilise ühendid analoogsel pooljuhid 3-5 ja 2-6 rühmaga tsingi Sinkkivälke kristallstruktuur. Ühendid, mis moodustavad pooljuhtelementidega 5 ja 6 rühma (sarnaselt Nagu ₂ Se _3), - pooljuhtide kujul kristall või klaas. Halogeniidid vismuti ja antimoni kasutatakse pooljuhtide Termoelektrigeneraatorid. Omadused seda tüüpi pooljuht on äärmiselt huvitav, kuid nad ei ole saavutanud populaarsuse tõttu piiratud kasutusala. Kuid asjaolu, et nad on olemas, kinnitab juuresolekul pole veel täielikult uuritud valdkonnas pooljuhtide füüsika.