Foarbylden fan Semiconductors. Soarten, eigenskippen, praktysk applikaasjes

De meast ferneamde is de semiconductor silisium (Si). Mar ôfsjoen fan him, binne der in protte oaren. Foarbylden binne natuerlike, sa'n semiconductor materialen as blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (Pbs) en in protte oaren. De famylje fan Semiconductors, ynklusyf Semiconductors taret yn laboratoaria, fertsjintwurdiget ien fan de meast útienrinnende klassen fan materialen bekend ta minske.

Typearring fan Semiconductors

Fan de 104 eleminten fan it periodyk systeem binne metalen 79, 25 - nonmetals út dêr't de 13 gemyske eleminten besitte semiconducting eigenskippen en 12 - dielectric. Main semiconductor funksje bestiet yn dat harren conductivity ferheget gâns mei tanimmende temperatuer. By lege temperatuer, se gedrage as isolatoaren, en op hege - as diriginten. Dy Semiconductors binne oars as metaal: metal ferset tanimt nei ferhâlding ta it tanimmen fan temperatuer.

In oar ferskil út it semiconductor metaal is dat it ferset fan 'e semiconductor nimt ôf ûnder de ynfloed fan ljocht, wylst yn' e lêste it metaal is net beynfloede. Ek it conductivity fan Semiconductors fariearret doe't tatsjinne oan in lytse hoeveelheid ôfsûndering.

Semiconductors wurde fûn ûnder gemyske ferbiningen mei ferskillende kristal struktueren. Dy kin wêze eleminten lykas silisium en selenium, of dûbele stoffen lykas gallium arsenide. In soad organyske stoffen, lykas polyacetylene, (CH) _n, - semiconductor materialen. Bepaalde Semiconductors fertoane magnetic (Cd _1-x Mn _x Te) of ferroelectric eigenskippen (SBSI). Oare alloying mei genôch wurden superconductors (Gete en SrTiO _3). In protte fan de nij ûntdutsen hege-temperatuer superconductors hawwe metallysk semiconducting faze. Bygelyks, La ₂ sjd ₄ is in semiconductor, mar de foarming fan de legearing mei Sr wurdt sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} sjd _4.

Natuerkunde learboeken jouwe definysje as de semiconductor materiaal mei in elektryske wjerstânsfermogen fan út 10 ^-4 oant 10 ⁷ ohms · m. Faaks in alternatyf definysje. De breedte fan 'e ferbeane band fan it semiconductor - fan 0 oant 3 eV. Metalen en semimetals - een materiaal mei nul enerzjy kloof, en it stof dêr't it grutter is dan W eV neamd isolatoaren. Der binne útsûnderings. Bygelyks, in semiconductor diamant hat in breed ferbean sône 6 eV, in semy-isolearjende GaAs - 1,5 eV. Gan, in materiaal foar optoelectronic apparaten yn de blauwe regio, hat in ferbeane band breedte fan 3,5 eV.

de enerzjy gat

Valence orbitals fan atomen yn de crystal lattice wurde yndield yn twa groepen fan enerzjy nivo - een frije sône, lizzend op it heechste nivo, en bepaalt de elektryske conductivity fan Semiconductors, en de Valence band, hjirûnder. Dy nivo, ôfhinklik fan 'e symmetry fan it kristal lattice struktuer en atomen kinne elkoar kruse of wurde spaced út elkoar. Yn it lêste gefal is der in enerzjylabel gat, of yn oare wurden, tusken it ferbean band sônes.

De lokaasje en it folling nivo wurdt bepaald troch de conductive eigenskippen fan it materiaal. Neffens dizze funksje ynhâldlik dield troch de diriginten, isolatoaren, en Semiconductors. De breedte fan 'e ferbeane band fan' e semiconductor fariearret 0.01-3 eV, de enerzjy gat fan 'e dielectric as 3 eV. Metalen fanwege de oerlaap fan enerzjy gatten nivo binne net.

Semiconductors en isolatoaren, yn tsjinstelling ta metalen, de elektroanen wurde folle Valence band en it tichtstby frije sône, of de conduction band, de Valence enerzjy wurdt fenced wirde út rupture - diel fen ferbean enerzjy fan de elektroanen.

Yn dielectrics termyske enerzjy of negligible elektrysk fjild is net genôch om de sprong troch dit gat, de elektroanen binne net bûn oan it conduction band. Se binne net by steat om te bewegen troch de crystal lattice en wurden dragers fan de elektryske stroom.

Om energize de elektryske conductivity, in elektron yn de Valence nivo moat wurde jûn op de enerzjy, dat soe wêze genôch te oerwinnen de enerzjy kleau. Allinne as it bedrach fan enerzjy absorption is net lytser as de wearde fan 'e enerzjy kloof, sil foarby gean út de Valence elektron nivo op de conduction nivo.

Yn dat gefal, as de breedte fan 'e enerzjy gat grutter is as 4 eV, conductivity semiconductor excitation irradiation of ferwaarming is suver ûnmooglik - de excitation enerzjy fan de elektroanen yn de melting temperatuur is net genôch te springen de enerzjy gat troch de sône. Wannear't ferwaarme, it kristal smelt foar de elektroanyske conductivity. Sokke stoffen befetsje quartz (dE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV), in soad sâlten.

Extrinsic en yntrinsike conductivity semiconductor

Net semiconductor kristallen hawwe yntrinsike conductivity. Sokke Semiconductors goede nammen. Yntrinsike semiconductor befettet in like grut oantal gatten en frije elektroanen. As ferwaarming yntrinsike conductivity fan Semiconductors tanimt. By konstante temperatuer, der is in betingst fan dynamysk lykwicht bedrach fan generated elektron-gat pearen en it oantal recombining elektroanen en gatten, dy't bliuwe konstante ûnder dizze omstannichheden.

De oanwêzigens fan 'e ûnreinheden gâns ynfloed op de elektryske conductivity fan Semiconductors. Adding se lit sterk tanimt it tal frije elektroanen by in lyts oantal gatten en tanimme it oantal gatten mei in lyts oantal elektroanen yn de conduction nivo. Impurity Semiconductors - de diriginten hawwende de ûnreinens conductivity.

Impurities wurde maklik donearje elektroanen wurde neamd donor. Donor impurities kin gemyske eleminten mei de atomen, de Valence nivo dy't befetsje mear elektroanen as de atomen fan de basis materiaal. Bygelyks, fosfor en bismuth - een silisium donor ûnreinheden.

De enerzjy nedich foar de sprong fan in elektron yn de conduction regio, hjit aktivearring enerzjy. Impurity semiconductor nedich in protte minder dêrfan as de basis materiaal. Mei in lichte ferwaarming of ljocht meast befrijde elektroanen fan de atomen fan 'e ûnreinens Semiconductors. Place ferliet it atoom nimt in elektron gat. Mar it elektron gat Rekombinaasje net plakfine. donor gat conductivity is negligible. Dit komt omdat in lytse hoeveelheid ôfsûndering atomen net tastean frije elektroanen faak tichter by it gat en om hâld dy op. Elektroanen binne guon gatten, mar binne net by steat om te foljen se fanwege net genôch enerzjy nivo.

In lichte additive donor e ôfsûndering ferskate oarders fergruttet it tal conduction elektroanen yn ferliking mei it oantal frije elektroanen yn de eigentlike semiconductor. Elektroanen hjir - de wichtichste pylders fan atomic ladingen fan ôfsûndering Semiconductors. Dy stoffen hearre ta de n-type Semiconductors.

Impurities dy't binen elektroanen fan 'e semiconductor, tanimmend it oantal gatten deryn, neamd acceptor. Acceptor impurities binne gemyske eleminten mei in lytser tal elektroanen yn Valence nivo as de basis fan de semiconductor. Boar, gallium, indium - acceptor ûnreinens yn silisium.

De skaaimerken fan 'e semiconductor binne ôfhinklik fan syn crystal struktuer mankeminten. Dit soarget de needsaak fan groeiende ekstreem suver kristallen. De parameter fan de semiconductor conduction bestjoerd troch tafoeging fan dopants. Silicon kristallen doped mei fosfor (V subgroep elemint), dat is in donor te meitsjen crystal silisium n-type. Foar kristal mei in p-type silisium tatsjinne boron acceptor. Semiconductors kompensearre Fermi nivo te ferpleatsen it yn 'e midden fan' e band gat ûntstien yn dizze wize.

single-elemint Semiconductors

De meast foarkommende semiconductor is, fansels, silisium. Tegearre mei Dútslân, hy wie it prototype fan in grutte klasse fan Semiconductors dy't hawwe ferlykbere kristal struktueren.

Struktuer kristal Si en Ge binne itselde as dy fan diamant en α-tin. It surround eltse atoom 4 tichtstby lizzende atomen dy't foarmje in tetraëder. Sa'n koördinaasje hjit fjouwer kear. Crystals tetradricheskoy bond stielen basis foar de elektronika yndustry en spylje in wichtige rol yn de moderne technology. Guon fan 'e eleminten V en VI fan de periodike tabel groep binne ek Semiconductors. Foarbylden fan dit type Semiconductors - fosfor (P), swevel (S), selenium (se) en tellurium (Te). Dy Semiconductors kin triple atomen (P), disubstituted (S, Se, Te) of in fjouwer-fold koördinaasje. As gefolch sokke eleminten kinne bestean yn ferskate oare kristallijn struktueren, en ek wurde taret yn 'e foarm fan glês. Bygelyks, Se groeid yn monoclinic en trigonal kristal struktueren of as in finster (dat kin ek beskôge wurde as in polymear).

- Diamond hat poerbêst termyske conductivity, poerbêst meganyske en optyske eigenskippen, hege meganyske krêft. De breedte fan de enerzjy gat - dE = 5,47 eV.

- Silicon - semiconductor brûkt yn sinnesellen, en amorphous foarm, - yn in tinne-film sinnesellen. It is it meast brûkt yn semiconductor sinnesellen, maklik te meitsjen, hat goede elektryske en meganyske eigenskippen. dE = 1,12 eV.

- germanium - semiconductor brûkt yn de gamma-ray spectroscopy, hege prestaasjes sinnesellen. Used in 'e earste diodes en transistors. It freget minder skjinmeitsjen as silisium. dE = 0,67 eV.

- Selenium - een semiconductor, dat brûkt wurdt yn de selenium rectifiers mei in hege strieling wjerstân en de mooglikheid om te genêzen himsels.

Twa-elemint ferbiningen

Eigenskippen fan Semiconductors foarme eleminten 3 en 4 fan 'e periodike tabel groepen lykje de eigenskippen fan de ferbiningen 4 groepen. De oergong fan de 4 groepen fan eleminten te ferbinings 3-4 gr. It makket kommunikaasje mei omdat ioanyske lading ferfier elektroanen fan in atoom te atom 3 Groep 4 Group. Ionicity feroaret de eigenskippen fan Semiconductors. It feroarsaket in ferheging yn de Coulomb enerzjy en ion-ion ynteraksje enerzjy kloof elektron band struktuer. Foarbyld binêre ferbiningen fan dit type - indium antimonide, InSb, gallium arsenide GaAs, gallium antimonide GaSb, indium phosphide InP, aluminium antimonide AlSb, gallium phosphide Gap.

Ionicity nimt ta en syn wearde groeit mear groepen yn ferbiningen 2-6 ferbiningen, lykas cadmium selenide, zink Sulfide, cadmium Sulfide, cadmium Telluride, zink selenide. As gefolch, de mearderheid fan de ferbiningen 2-6 groepen ferbean band breder as 1 eV, útsein kwik ferbiningen. Mercury Telluride - sûnder enerzjy gat semiconductor, semi-metaal, lykas α-tin.

Semiconductors 2-6 groepen mei in gruttere enerzjy gat ek brûkt by de produksje fan lasers en LCDs. Binêre groepen 6 2- COMPOUND mei in lytser wurden gat enerzjy geskikt foar ynfraread ûntfangers. Binêre ferbiningen fan eleminten fan groepen 1-7 (cuprous bromide CuBr, Uwe sulveren iodide, koper chloride CuCl), as gefolch fan it hege ionicity hawwe breder bandgap W eV. Se dogge der eins Semiconductors, en isolatoaren. Crystal groei anchoring enerzjy fanwege Coulomb interionic ynteraksje fasilitearret strukturearjen atomen sâlt mei seisde folchoarder, ynstee fan 'e quadratic koördinearje. Ferbinings 4-6 groepen - Sulfide, lead Telluride, tin Sulfide - as Semiconductors. Ionicity fan dizze stoffen ek befoarderet de formaasje sixfold koördinaasje. Folle ionicity net steane de oanwêzigens se hawwe in hiel smel band wite plakken, se kinne brûkt wurde foar it ûntfangen Infrarot strieling. Gallium nitride - in gearstalde groepen 3-5 mei in breed enerzjy gat, fine applikaasje yn semiconductor lasers en licht-emitting diodes operearren yn 'e blauwe part fan it spektrum.

- GaAs, gallium arsenide - op fraach nei de twadde silisium semiconductor wurdt ornaris brûkt as substraat foar oare diriginten, bygelyks, GaInNAs en InGaAs, yn setodiodah ynfraread, hege frekwinsje transistors en ICs, tige effisjint sinnesellen, laser diodes, Detectors fan nukleêre cure. dE = 1,43 eV, dy't ferbettert de macht apparaten lykas ferlike mei silisium. Bros, befettet mear ûnreinheden dreech te meitsjen.

- ZnS, zink Sulfide - zink sâlt wetterstof sulphide mei de ferbeane band sônes en 3.54 3.91 eV, brûkt yn lasers en as fosfor.

- SNS, tin Sulfide - semiconductor brûkt yn photoresistors en photodiodes, dE = 1,3 en 10 eV.

oxides

De metalen oxides by foarkar binne treflike isolatoaren, mar der binne útsûnderingen. Foarbylden fan dit type Semiconductors - nikkel okside, koper okside, kobalt okside, koper dioxide, izer okside, europium okside, sinkokside. Sûnt koper dioxide bestiet as it mineraal cuprite, syn eigenskippen waarden bestudearre yntinsyf. De proseduere foar it yn kultuer bringen fan dit soarte fan semiconductor is noch net hielendal dúdlik, dus harren gebrûk is noch altyd beheind. In útsûndering is sinkokside (ZnO), gearstalde groepen 2-6, wurdt brûkt as de transducer en yn 'e produksje fan adhesive Tapes en pleisters.

De situaasje feroare drastysk nei supergelieding waard ûntdutsen yn in protte ferbiningen fan koper mei soerstof. De earste hege temperatuer superconductor iepen Bednorz en Muller, wie gearstalde semiconductor basearre op La ₂ sjd _4, de enerzjy gat fan 2 eV. Substituting divalent trivalent lanthanum, barium of strontium, yntrodusearre yn de semiconductor lading dragers fan gatten. Berikken fan de nedige gat konsintraasje makket La ₂ sjd ₄ superconductor. Op dit stuit wurdt de heechste temperatuer fan de oergong nei it superconducting steat heart COMPOUND HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. By hege druk, syn wearde is 134 K.

ZnO, sinkokside varistor brûkt wurdt, blau ljocht-emitting diodes, gas sensors, biologyske sensors, Coatings finsters te reflektearjen Infrarot ljocht, as dirigint yn LCD-skermen en sinne batterijen. dE = 3.37 eV.

layered kristallen

Dûbele ferbiningen lykas diiodide lead, gallium selenide en Molybdenum disulphide ferskille layered kristal struktuer. De lagen binne covalent biningen fan flinke krêft, folle sterker as de Van der Waals obligaasjes tusken de lagen sels. Semiconductors sa'n type binne nijsgjirrich omdat de elektroanen gedrage harren yn lagen fan in kwasy-twadiminsjonale. Ynteraksje fan leinen wurdt feroare troch de ynfiering fan bûten atomen - intercalation.

Túlélő _2, Molybdenum disulfide wurdt brûkt yn in hege frekwinsje Detectors, rectifiers, memristor, transistors. dE = 1,23 en 1.8 eV.

biologyske Semiconductors

Foarbylden fan Semiconductors oan 'e basis fan organyske stoffen - naftaleen, polyacetylene (CH _{2) n,} anthracene, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Biologyske Semiconductors hawwe in foardiel boppe net-biologyske: se binne maklik te impart de winske kwaliteit. Stoffen mei Conjugate obligaasjes foarmje -C = C-C = besitte substansjele optyske net-linearity en, as gefolch fan dit, yn optoelectronics tapast. Boppedat, de enerzjy band gat organyske semiconductor COMPOUND fan de formule ferskille feroaring dat folle makliker as dat fan wenstige Semiconductors. Kristallijn allotropes fan koalstof fullerenen, graphène, nanotubes - ek Semiconductors.

- Fullerene hat in struktuer yn 'e foarm fan in sletten bolle polyhedron ugleoroda sels tal atomen. A Doping fullerene C ₆₀ mei in Laugensalz metaal feroaret der in superconductor.

- graphite carbon monoatomic laach wurdt foarme, wurdt ferbûn yn in twadiminsjonale hexagonal lattice. Record hat conductivity en it elektron mobiliteit, hege rigidity

- nanotubes wurde rôle yn in buis grafyt plaat mei in diameter fan ferskate nanometers. Dy foarmen fan koalstof hawwe grutte belofte yn nanoelectronics. Ofhinklik fan de keppeling kin wêze metallysk of semiconductor kwaliteit.

magnetic Semiconductors

Ferbiningen mei magnetyske ioanen fan europium en mangaan hawwe benijd magnetic en semiconducting eigenskippen. Foarbylden fan dit type Semiconductors - europium Sulfide, selenide europium en bêst oplossings, lykas Cd _1-x Mn _x Te. De ynhâld fan it magnetyske ioanen beynfloedet beide stoffen fertoane magnetyske eigenskippen lykas ferromagnetism en antiferromagnetism. Semimagnetic Semiconductors - is in hurde magnetyske Semiconductors oplossings dy't befetsje magnetyske ioanen yn lege konsintraasje. Sokke fêste oplossings lûke de oandacht fan jo prospect en grutte mooglikheden fan mooglike tapassings. Bygelyks, yn tsjinstelling ta de non-magnetic Semiconductors, se kinne berikke in miljoen kear grutter Faraday rotaasje.

Sterke magnetooptical effekten fan magnetyske Semiconductors tastean harren brûken foar optyske Modulation. Perovskites, lykas Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, syn eigenskippen binne superieur oan metal-semiconductor oergong, dy't direkte ôfhinklikens fan it magnetysk fjild resultaten yn it fenomeen fan 'e reus magneto-wjerstânsfermogen. Se wurde brûkt yn radio, optyske apparaten, dy't bestjoerd troch in magnetysk fjild, in magnetron waveguide apparaten.

semiconductor ferroelectrics

Dit type kristallen wurdt karakterisearre troch de oanwêzigens yn harren elektryske stuiten en foarkommen fan spontane polarisaasje. Bygelyks, sokke eigenskippen binne Semiconductors liede titanate PbTiO _3, barium titanate BaTiO _3, germanium Telluride, Gete, tin Telluride SnTe, dy't by lege temperatueren hawwe ferroelectric eigenskippen. Dizze materialen wurde brûkt yn nonlinear optical, piezoelectric sensors en ûnthâld apparaten.

In ferskaat oan semiconductor materialen

Neist semiconductor materialen neamd hjirboppe, binne der in protte oaren dy't net falle ûnder ien fan dizze typen. Ferbiningen fan formule 1-3-5 eleminten ₂ (AgGaS ₂₎ en 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ foarmje in chalcopyrite kristal struktuer. Kontakt tetrahedral ferbinings analogous Semiconductors 3-5 en 2-6 groepen mei in zink blende kristal struktuer. Ferbinings dy't foarmje semiconductor eleminten 5 en 6 groepen (fergelykber mei As ₂ Se _3), - it semiconductor yn 'e foarm fan kristal of glês. Chalcogenides fan bismuth en antimoan wurde brûkt yn semiconductor thermoelectric Generators. De eigenskippen fan dit type semiconductor is ekstreem nijsgjirrich, mar hja hawwe net opdien populariteit fanwege de beheinde applikaasje. Lykwols, it feit dat se bestean, befêstiget de oanwêzigens fan noch net folslein ûndersyk dien nei it gebiet fan semiconductor natuerkunde.