Příklady polovodičů. Typy, vlastnosti, praktická aplikace

Nejslavnější polovodič je křemík (Si). Ale kromě něj je mnoho dalších. Příkladem jsou přírodní polovodičové materiály, jako je směs zinku (ZnS), měďnatý (Cu₂

Charakteristika polovodičů

Ze 104 prvků periodické tabulky jsou 79 kovy, 25 jsou nekovy, z toho 13 chemických prvků mají polovodičové vlastnosti a 12-dielektrické vlastnosti. Hlavním rozdílem mezi polovodiči je to, že jejich elektrická vodivost se významně zvyšuje se zvyšující se teplotou. Při nízkých teplotách se chovají jako dielektrika a při vysokých teplotách se chovají jako vodiče. Tyto polovodiče se liší od kovů: odolnost kovu se zvyšuje v poměru ke zvýšení teploty.

Dalším rozdílem mezi polovodičem a kovem je to, že odpor polovodičů spadá pod působení světla, zatímco ten druhý není ovlivněn kovem. Vodivost polovodičů se také mění se zavedením malého množství nečistot.

Polovodiče se nacházejí mezi chemickými sloučeninami s různými krystalickými strukturami. Mohou to být prvky, jako je křemík a selén, nebo dvojité sloučeniny, jako je arsenid gallia. Mnoho organických sloučenin, například polyacetylen (CH)_n, Polovodičové materiály. Některé polovodiče vykazují magnetickou (Cd_1-xMn_xTe) nebo feroelektrické vlastnosti (SbSI). Jiní s dostatečným dopingem se stanou supravodiči (GeTe a SrTiO₃). Mnoho z nedávno objevených vysokoteplotních supravodičů má nekovové polovodičové fáze. Například La₂CuO₄ je polovodič, ale když slitina s Sr tvoří supravodič (La_1-xSr_x).₂CuO₄.

Fyzikální učebnice poskytují definici polovodičů jako materiál s elektrickým odporem 10^-4 až 10^7. Ommiddot-m. Alternativní definice je také možná. Šířka zakázaného pásma polovodičů je od 0 do 3 eV. Kovy a semimetaly jsou materiály s nulovou energetickou přerušení a látky, ve kterých přesahují 3 eV, se nazývají izolátory. Existují výjimky. Například polovodičový diamant má zakázaný pás šířky 6 eV, poloizolační GaAs - 1,5 eV. GaN, materiál pro optoelektronických zařízení v modré oblasti má zakázanou zónu o šířce 3,5 eV.

Energetická mezera

Valenční orbitaly atomů v krystalové mřížce jsou rozděleny do dvou skupin po energetických hladin - svobodného pásma, která se nachází na nejvyšší úrovni, a určuje elektrickou vodivost polovodičů, a valenčním pásu, níže. Tyto úrovně, v závislosti na symetrii křišťálové mřížky a složení atomů, se mohou protínají nebo mohou být navzájem odděleny. Ve druhém případě mezi zónami existuje energetická mezera, nebo jinými slovy, blokovaná zóna.

Umístění a vyplňování hladin určuje vodivé vlastnosti látky. Na tomto základě jsou látky rozděleny na vodiče, izolátory a polovodiče. Šířka zakázaného pásma polovodiče se pohybuje v rozmezí 0,01-3 eV, dielektrická mezera energie přesahuje 3 eV. Kovy nejsou způsobeny překrývajícími se úrovněmi energetických mezer.

Polovodiče a izolátory, na rozdíl od kovů, elektrony jsou vyplněny valenční pásmo a nejbližší volné pásmo nebo pásma vodivosti, mocenství energie oplocen z ruptury - část zakázaných energií elektronů.

V dielektriku tepelné energie nebo malého elektrického pole nestačí projít skokem přes tuto mezeru, elektrony nevstupují do vodivého pásma. Nejsou schopni se pohybovat kolem krystalové mříže a stát se nositeli elektrického proudu.

Aby bylo možné vyvolat elektrickou vodivost, musí být elektronu na úrovni valence dána energie, která by byla dostatečná k překonání energetické mezery. Pouze tím, že absorbuje množství energie, které není menší než velikost energetické mezery, bude elektron přecházet z úrovně valence na úroveň vodivosti.

V tomto případě, je-li šířka štěrbiny energie přesáhne 4 eV, vodivost polovodičové budicí ozařování nebo zahřívání je prakticky nemožné, - budicí energie elektronů při teplotě tání, není dostatečná pro skok mezery energie zónou. Při zahřátí se krystal taví před vznikem elektronického vedení. Takové látky zahrnují křemen (dE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV), mnoho solí.

Nečistota a vnitřní vodivost polovodičů

Čisté polovodičové krystaly mají vlastní vodivost. Takové polovodiče se nazývají patentované. Vlastní polovodič obsahuje stejný počet otvorů a volných elektronů. Při zahřívání vzrůstá vnitřní vodivost polovodičů. Při konstantní teplotě vzniká stav dynamické rovnováhy mezi počtem vytvořených dvojic elektronů a počtem rekombinantních elektronů a otvory, které zůstávají za daných podmínek konstantní.

Přítomnost nečistot má významný vliv na elektrickou vodivost polovodičů. Při jejich přidání je možné výrazně zvýšit počet volných elektronů s malým počtem otvorů a zvýšit počet otvorů s malým počtem elektronů na úrovni vodivosti. Nečisté polovodiče jsou vodiče, které mají vodivost nečistot.

Nečistoty, které snadno odvádějí elektrony, se nazývají dárci. Dárcovské nečistoty mohou být chemické prvky s atomy, jejichž míry valence obsahují více elektronů než atomy základního materiálu. Například fosfor a vizmut jsou donorové nečistoty křemíku.

Energie potřebná pro to, aby elektron pronikl do vodivé oblasti, se nazývá aktivační energie. Nečisté polovodiče potřebují mnohem méně než hlavní látka. Při mírném ohřevu nebo osvětlení se uvolňují především elektrony nečistých polovodičových atomů. Místo elektronu, které opustilo atom, zaujímá díru. Neexistuje však prakticky žádná rekombinace elektronů do děr. Vodivost díry dárce je zanedbatelná. Je to proto, že malé množství atomů nečistot nedovoluje, aby se volné elektrony často přibližovaly k díru a zabíraly je. Elektrony jsou v blízkosti otvorů, ale nemohou je naplnit kvůli nedostatečné energetické úrovni.

Nevýznamné přidání donorové nečistoty o několik řádů zvyšuje počet vodivých elektronů ve srovnání s počtem volných elektronů v vnitřním polovodiči. Elektrony zde jsou hlavními nosiči nábojů atomů nečistot polovodičů. Tyto látky jsou klasifikovány jako polovodiče typu n.

Nečistoty, které váží elektrony polovodičů a zvyšují počet děr v nich, se nazývají akceptory. Přijaté nečistoty jsou chemické prvky s menším počtem elektronů na úrovni valence než základní polovodič. Bór, gálie, indium jsou akceptorové nečistoty pro křemík.

Charakteristiky polovodičů jsou závislé na poruchách jeho krystalové struktury. To je důvod pro potřebu růstu extrémně čistých krystalů. Parametry vodivosti polovodičů jsou řízeny přidáním legovacích přísad. Křemíkové krystaly jsou dopované fosforem (prvek V podskupiny), který je donorem k vytvoření křemíkového krystalu typu n. K získání krystalu s vodivostí díry se do křemíku zavede akceptor boru. Polovodiče s kompenzovanou úrovní Fermi pro přesun do středu zakázaného pásma jsou vytvořeny podobným způsobem.

Jednoobvodové polovodiče

Nejběžnějším polovodičem je samozřejmě křemík. Spolu s germaniem se stala prototypem široké třídy polovodičů s podobnými krystalovými strukturami.

Struktura krystalů Si a Ge je stejná jako struktura diamantu a alfa - cínu. V něm je každý atom obklopen 4 nejbližšími atomy, které tvoří čtverec. Tato koordinace se nazývá čtyřnásobně. Krystaly s tetradickou vazbou se staly základem pro elektronický průmysl a hrají klíčovou roli v moderních technologiích. Některé prvky skupin V a VI periodické tabulky jsou také polovodiče. Příklady polovodičů tohoto typu jsou fosfor (P), síra (S), selen (Se) a telur (Te). V těchto polovodičích mohou mít atomy trojitou (P), dvojitou (S, Se, Te) nebo čtyřnásobnou koordinaci. Výsledkem je, že takové prvky mohou existovat v několika různých krystalických strukturách a mohou být také získány ve formě skla. Například Se rostl v monoklinických a trigonálních krystalových strukturách nebo ve formě skla (který lze také považovat za polymer).

- Diamant má vynikající tepelnou vodivost, vynikající mechanické a optické vlastnosti, vysokou mechanickou pevnost. Šířka energetické mezery je dE = 5,47 eV.

- Silikon je polovodič používaný v solárních bateriích a v amorfní formě - v tenkovrstvových solárních článcích. Je to nejpoužívanější polovodič v fotočláncích, snadno se vyrábí, má dobré elektrické a mechanické vlastnosti. dE = 1,12 eV.

- Germanium je polovodič používaný v gamma spektroskopii, vysoce efektivní fotobuňky. Používá se v prvních diodách a tranzistorech. Vyžaduje méně čištění než křemík. dE = 0,67 eV.

- Selén je polovodič, který se používá v selenových usměrňovačích, které mají vysokou odolnost proti záření a schopnost samoopravy.

Připojení dvou prvků

Vlastnosti polovodičů tvořených prvky skupin 3 a 4 periodické tabulky připomínají vlastnosti látek 4 skupiny. Přechod ze 4 skupin prvků na připojení 3-4 gr. dělá vazby částečně iontovou v důsledku přenosu elektronového náboje z atomu skupiny 3 na atom ze skupiny 4. Ionicita mění vlastnosti polovodičů. Je to příčina zvýšení interní interakce Coulombu a energie energetické diskontinuity struktury elektronového proužku. Příklad binární sloučeniny tohoto typu - antimonid india, InSb, galium arsenide GaAs, galium antimonide GaSb, fosfid india InP, hliník antimonide AlSb, fosfid gallia mezery.

Ionicita se zvyšuje a jeho hodnota roste ještě více ve sloučeninách látek 2-6 skupin, jako je selenid kadmia, sulfid zinečnatý, sulfid kadmia, telurid kadmia, selenid zinečnatý. Výsledkem je, že většina sloučenin 2-6 skupiny zakázané pásmo širší než 1 eV, s výjimkou sloučenin rtuti. Telturid rtuť je polovodič, bez energetické mezery, jako je polovina alfa - cínu.

Polovodiče 2-6 skupin s velkou energetickou mezerou najdou uplatnění při výrobě laserů a displejů. Binární sloučeniny 2-6 skupin se zužující se energetickou mezerou jsou vhodné pro infračervené přijímače. Binární sloučeniny prvků skupin 1-7 (bromid měďnatý CuBr, jodid stříbrný AgI, chlorid měďnatý CuCl) mají zakázanou zónu o šířce větší než 3 eV kvůli vysoké ionicitě. Ve skutečnosti nejsou polovodiče, ale izolátory. Růst vazebné energie krystalu v důsledku interakce Coulombova vnitřního systému podporuje strukturování atomů skalní sůl s šestinásobnou než kvadratickou koordinací. Sloučeniny ze skupiny 4-6 - olovnatý sulfid a telurid olova, sulfid cínu - jsou také polovodiče. Stupeň ionogenity těchto látek také přispívá k tvorbě šestinásobné koordinace. Významná ionicita nezabrání přítomnosti velmi úzkých zakázaných pásem, což jim umožňuje používat infračervené záření. Nitrid galium - sloučenina 3-5 skupin se širokou energetickou mezerou, nalezená aplikace polovodičové lasery a LED diody pracující v modré části spektra.

- GaAs, gallium arsenid - na požádání po druhé křemíkové polovodičové se běžně používá jako substrát pro další vodiče, například, GaInNAs a InGaAs, v setodiodah infračervené, vysokofrekvenční tranzistory a obvody, vysoce účinných solárních článků, laserové diody, detektory jaderného vyléčení. dE = 1,43 eV, což umožňuje zvýšení výkonu nástrojů ve srovnání s křemíkem. Křehký, obsahuje více nečistot, je složitý ve výrobě.

- ZnS, sulfid zinečnatý - zinková sůl sirovodíku s mezerou pásma 3,54 a 3,91 eV, se používá v laserech a jako fosfor.

- SnS, cínový sulfid je polovodič používaný ve fotorezistorech a fotodiódách, dE = 1,3 a 10 eV.

Oxidy

Oxidy kovů jsou převážně vynikající izolátory, existují však výjimky. Příklady polovodičů tohoto typu jsou oxid niklu, oxid mědi, oxid kobaltu, oxid měďnatý, oxid železitý, oxid europium, oxid zinečnatý. Vzhledem k tomu, že oxid mědi existuje ve formě měďnatého minerálu, jeho vlastnosti byly intenzivně studovány. Postup pro pěstování polovodičů tohoto typu ještě není plně pochopen, a proto je jejich aplikace stále omezená. Výjimkou jsou oxid zinečnatý (ZnO), sloučeniny 2-6 skupin, používané jako konvertor a při výrobě lepicích pásek a náplastí.

Situace se drasticky změnila poté, co byla v mnoha sloučeninách mědi s kyslíkem objevena supravodivost. První vysokoteplotní supravodič, objevený Muellerem a Bednorzem, byl sloučeninou založenou na polovodičovém La₂CuO₄ s energetickou mezerou 2 eV. Nahrazením trojmocného lanthanu dvojmocným báriem nebo stronciem se nosiče otvoru zavádějí do polovodičů. Dosažení potřebné koncentrace děr se změní na La₂CuO₄ v supravodičce. V současné době nejvyšší teplota přechodu na supravodivý stav patří ke sloučenině HgBaCa₂Cu₃O_8.. Při vysokých tlacích je jeho hodnota 134 K.

ZnO, oxid zinečnatý, používaný v varistonech, modré LED, plynové senzory, biologické senzory, povlaky na okna, které odrážejí infračervené světlo, jako vodič v LCD displejích a solárních panelech. dE = 3,37 eV.

Vrstvené krystaly

Dvojité sloučeniny, jako je dijodid olovnatý, selenid gallium a disulfid molybdenu, se vyznačují vrstvenou strukturou krystalu. Ve vrstvách působí kovalentních vazeb značná síla, je mnohem silnější než van der Waalsovy vazby mezi samotnými vrstvami. Semiconduktory tohoto typu jsou zajímavé v tom, že elektrony se chovají ve vrstvách kvazikodimenzionálních. Interakce vrstev se změní zavedením atomů třetích stran - interkalací.

MoS_2, Disulfidový molybden se používá ve vysokofrekvenčních detektorech, usměrňovačích, memristorech, tranzistorech. dE = 1,23 a 1,8 eV.

Organické polovodiče

Příklady polovodičů na bázi organických sloučenin jsou naftalen, polyacetylen (CH₂)._n, antracen, polydiacetylen, ftalokyanidy, polyvinylkarbazol. Organické polovodiče mají výhodu oproti anorganickému: mohou jim snadno získat potřebné vlastnosti. Látky s konjugovanými vazbami typu -C = С-С =, mají významnou optickou nelinearitu a díky tomu se používají v optoelektronice. Kromě toho jsou zóny energetických zlomů organických polovodičů upraveny změnou složeného vzorce, což je mnohem jednodušší než u běžných polovodičů. Krystalické alotropy uhlíkového fullerenu, grafenu a nanotrubic jsou také polovodiče.

- Fulleren má strukturu ve tvaru konvexního uzavřeného polytopu od sudého počtu atomů uhlíku. Doping fullerenu C₆₀ Alkalický kov přemění ji na supravodič.

- Grafen je tvořen monatomickou uhlíkovou vrstvou spojenou s dvojrozměrnou šestiúhelníkovou mřížkou. Má rekordní tepelnou vodivost a pohyb elektronů, vysokou tuhost

- Nanotuby jsou válcovány do trubky z grafitových desek, které mají průměr několik nanometrů. Tyto formy uhlíku mají velkou vyhlídku v oblasti nanoelektroniky. V závislosti na adhezi mohou být vystaveny kovové nebo polovodičové vlastnosti.

Magnetické polovodiče

Sloučeniny s magnetickými ionty europia a manganu mají zajímavé magnetické a polovodičové vlastnosti. Příklady polovodičů tohoto typu jsou sulfid europium, sepium europium a pevné roztoky, jako je Cd_1-hydroxy-Mn_xTe. Obsah magnetických iontů ovlivňuje způsob, jakým se magnetické vlastnosti, jako je antiferromagnetismus a ferromagnetismus, projevují v látkách. Polomagnetické polovodiče jsou pevné magnetické roztoky polovodičů, které obsahují magnetické ionty v malé koncentraci. Taková pevná řešení přitahují pozornost jejich vyhlídky a velký potenciál možných aplikací. Například, na rozdíl od nemagnetických polovodičů, mohou dosáhnout milionůkrát většího rotace Faradaye.

Silné magnetooptické účinky magnetických polovodičů umožňují jejich použití pro optickou modulaci. Perovskites jako Mn_0,7Ca_0,3O_3, jejich vlastnosti přesahují přechod kov-polovodič, jehož přímá závislost na magnetickém poli je důsledkem fenoménu obrovského magneto-rezistivity. Používají se v radiotechnikach, optických zařízeních, která jsou řízena magnetickým polem, ve vlnovodech mikrovlnných zařízení.

Polovodičová ferroelektrika

Tento typ krystalu je charakterizován přítomností elektrických momentů v nich a vzhledu spontánní polarizace. Takové vlastnosti jsou například vlastněny polovodičovými titaničitými olověmi PbTiO₃, titaničitan barnatý BaTiO₃, germanium tellurid GeTe, SnTe tellurid, který při nízkých teplotách má vlastnosti feroelektrické. Tyto materiály se používají v nelineárních optických, paměťových a piezoelektrických čidlech.

Rozmanitost polovodičových materiálů

Kromě výše uvedených polovodičových látek existuje řada dalších, které nespadají do žádné z uvedených typů. Sloučeniny prvků podle vzorce 1-3-5₂ (AgGaS₂) a 2-4-5₂ (ZnSiP₂) tvoří krystaly ve struktuře chalcopyrite. Vazby těchto sloučenin jsou tetraedrické, obdobné jako u 3-5 a polovodičových polovodičů polovodičů s krystalickou strukturou směsi zinku. Sloučeniny, které tvoří prvky skupin 5 a 6 polovodičů (podobně jako As₂Se₃), - polovodič ve formě krystalu nebo skla. Chalkogenidy bismutu a antimonu se používají v polovodičových termoelektrických generátorech. Vlastnosti polovodičů tohoto typu jsou mimořádně zajímavé, ale kvůli omezenému použití se nezískají popularity. Nicméně skutečnost, že existují, potvrzuje přítomnost ještě před koncem neprobudovaných oblastí polovodičové fyziky.