Ví dụ về các chất bán dẫn. Chủng loại, tính chất, ứng dụng thực tế

Nổi tiếng nhất là silicon bán dẫn (Si). Nhưng ngoài việc anh ấy, có rất nhiều người khác. Ví dụ như, vật liệu bán dẫn như vậy tự nhiên như cây chấm (ZnS), mỏ đồng (Cu ₂ O), galenit (PBS) và nhiều người khác. Gia đình của bán dẫn, bao gồm bán dẫn chuẩn bị trong phòng thí nghiệm, đại diện cho một trong những lớp học đa dạng nhất của vật liệu đối với loài người.

Đặc tính của chất bán dẫn

Trong số 104 yếu tố của bảng tuần hoàn là kim loại 79, 25 - phi kim từ đó 13 nguyên tố hóa học có tính chất bán dẫn và 12 - điện môi. Tính năng bán dẫn chính bao gồm trong đó dẫn họ làm tăng đáng kể với sự gia tăng nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp, họ cư xử như cách điện, và tại cao - như dây dẫn. Những chất bán dẫn khác với kim loại: kháng kim loại tăng tương ứng với sự gia tăng nhiệt độ.

Một khác biệt từ kim loại bán dẫn là điện trở của chất bán dẫn giảm dưới ảnh hưởng của ánh sáng, trong khi ở sau kim loại không bị ảnh hưởng. Ngoài ra tính dẫn điện của bán dẫn khác nhau khi dùng tới một lượng nhỏ tạp chất.

Chất bán dẫn được tìm thấy trong số các hợp chất hóa học với các cấu trúc tinh thể khác nhau. Đây có thể là yếu tố chẳng hạn như silicon và selen, hoặc các hợp chất kép như gallium arsenide. Nhiều hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như polyacetylene, (CH) _n, - vật liệu bán dẫn. Một số chất bán dẫn triển lãm từ (Cd _1-x Mn _x Te) hoặc tính sắt điện (SbSI). hợp kim khác có đủ trở thành chất siêu dẫn (Gete và SrTiO _3). Nhiều người trong số các chất siêu dẫn nhiệt độ cao mới được phát hiện có giai đoạn kim loại bán dẫn. Ví dụ, La ₂ CuO ₄ là một chất bán dẫn, nhưng sự hình thành của các hợp kim với Sr trở thành sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

sách giáo khoa Vật lý cho định nghĩa như là vật liệu bán dẫn với một điện trở từ 10 ^-4 đến 10 ⁷ ohms · m. Có lẽ một định nghĩa khác. Chiều rộng của dải cấm của bán dẫn - 0-3 eV. Kim loại và semimetals - một loại vật liệu với khoảng cách năng lượng bằng không, và các chất trong đó nó vượt quá W eV gọi là chất cách điện. Có những ngoại lệ. Ví dụ, một viên kim cương bán dẫn có cấm rộng khu 6 eV, một nửa cách GaAs - 1,5 eV. GaN, một loại vật liệu cho các thiết bị quang điện tử trong khu vực màu xanh, có chiều rộng dải cấm là 3,5 eV.

sự chênh lệch năng lượng

Valence quỹ đạo của các nguyên tử trong mạng tinh thể được chia thành hai nhóm mức năng lượng - một khu vực tự do, nằm ở mức cao nhất, và xác định độ dẫn điện của bán dẫn và vùng hóa trị, dưới đây. Các mức này, tùy thuộc vào tính đối xứng của cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử và có thể giao nhau hoặc được đặt cách nhau từ mỗi khác. Trong trường hợp sau có một khoảng cách năng lượng, hay nói cách khác, giữa các vùng băng cấm.

Vị trí và mức độ điền được xác định bởi các tính chất dẫn điện của vật liệu. Theo tính năng này chất chia cho dây dẫn, cách điện và bán dẫn. Chiều rộng của dải cấm của bán dẫn khác nhau 0,01-3 eV, khoảng cách năng lượng của điện môi quá 3 eV. Kim loại do sự chồng chéo của các mức năng lượng khoảng trống không.

Chất bán dẫn và cách điện, trái ngược với các kim loại, các electron được làm đầy vùng hóa trị và vùng miễn phí gần nhất, hoặc vùng dẫn, năng lượng hóa trị được rào lại từ vỡ - phần năng lượng bị cấm của các electron.

Trong chất điện môi năng lượng nhiệt hoặc điện trường không đáng kể là không đủ để thực hiện chuyển qua khoảng cách này, các electron không phụ thuộc vào vùng dẫn. Họ không thể di chuyển qua các mạng tinh thể và trở thành nhà cung cấp của dòng điện.

Để tiếp thêm sinh lực tính dẫn điện, một electron ở mức hóa trị nên được cung cấp các năng lượng, đó sẽ là đủ để khắc phục tình trạng chênh lệch năng lượng. Chỉ khi lượng hấp thụ năng lượng không nhỏ hơn giá trị của khoảng cách năng lượng, sẽ vượt qua từ mức electron hóa trị vào mức độ dẫn điện.

Trong trường hợp đó, nếu chiều rộng của khe năng lượng vượt quá 4 eV, dẫn bán dẫn kích thích chiếu xạ hoặc làm nóng hầu như không thể - năng lượng kích thích của các electron ở nhiệt độ nóng chảy là không đủ để nhảy khoảng cách năng lượng thông qua khu vực này. Khi đun nóng, các tinh thể tan chảy trước dẫn điện tử. chất đó bao gồm thạch anh (dE = 5,2 eV), kim cương (dE = 5,1 eV), nhiều muối.

Bên ngoài và bên trong bán dẫn dẫn

tinh thể bán dẫn thuần có độ dẫn nội tại. bán dẫn như tên riêng. bán dẫn bên trong có chứa một số lượng tương đương của lỗ và electron tự do. Khi đun nóng dẫn nội tại của chất bán dẫn tăng. Ở nhiệt độ không đổi, có một điều kiện của việc lượng cân bằng động của cặp electron-lỗ trống được tạo ra và số lượng các electron tái hợp và lỗ, mà không thay đổi theo các điều kiện này.

Sự hiện diện của các tạp chất ảnh hưởng đáng kể độ dẫn điện của bán dẫn. Bổ sung chúng cho phép tăng đáng kể số lượng electron tự do tại một số nhỏ các lỗ và tăng số lượng các lỗ với một số ít các electron ở mức dẫn. bán dẫn tạp chất - các dây dẫn có độ dẫn tạp chất.

Các tạp chất có thể dễ dàng tặng electron được gọi là nhà tài trợ. tạp chất nhà tài trợ có thể nguyên tố hóa học với các nguyên tử, các mức hóa trị có chứa electron hơn các nguyên tử của vật liệu cơ bản. Ví dụ, phốt pho và bismuth - một tạp chất silicon nhà tài trợ.

Năng lượng cần thiết cho việc nhảy của một electron trong vùng dẫn, được gọi là năng lượng kích hoạt. Tạp chất bán dẫn cần ít hơn rất nhiều của nó so với các cơ sở vật chất. Với một hệ thống sưởi nhẹ hoặc ánh sáng chủ yếu là giải phóng các electron của các nguyên tử của các chất bán dẫn tạp chất. Đặt rời khỏi nguyên tử mất một lỗ điện tử. Tuy nhiên, sự tái tổ hợp lỗ electron không diễn ra. lỗ nhà tài trợ dẫn là không đáng kể. Điều này là do một lượng nhỏ các nguyên tử tạp chất không cho phép electron tự do thường gần gũi hơn với các lỗ và để giữ nó. Electron là một số lỗ, nhưng không thể để điền họ do mức năng lượng không đủ.

Một phụ tạp chất hiến nhẹ số đơn đặt hàng tăng số lượng các electron dẫn so với số lượng các electron tự do trong bán dẫn nội tại. Electron ở đây - các tàu sân bay chính của chi phí nguyên tử của chất bán dẫn tạp chất. Những chất này thuộc về các chất bán dẫn loại n.

Tạp chất mà ràng buộc electron của chất bán dẫn, tăng số lượng các lỗ hổng trong nó, gọi là chấp nhận. Chấp nhận các tạp chất là nguyên tố hóa học với một số nhỏ hơn của electron trong mức hóa trị so với cơ sở của chất bán dẫn. Boron, gali, indi - chấp nhận tạp chất trong silicon.

Các đặc tính của chất bán dẫn phụ thuộc vào khiếm khuyết cấu trúc tinh thể của nó. Điều này gây ra sự cần thiết phải phát triển tinh thể cực kỳ tinh khiết. Các thông số của dẫn chất bán dẫn điều khiển bởi việc bổ sung các dopants. tinh thể silicon pha tạp với phốt pho (yếu tố phân nhóm V) mà là một nhà tài trợ để tạo ra silic tinh thể n-type. Đối với tinh thể với một chất nhận boron p-type silicon quản lý. Semiconductors bồi thường mức Fermi để di chuyển nó vào giữa khe hở tạo ra theo cách này.

bán dẫn-yếu tố duy nhất

Các bán dẫn phổ biến nhất là, tất nhiên, silicon. Cùng với Đức, ông là nguyên mẫu của một lớp lớn của các chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể tương tự.

Cấu trúc tinh thể Si và Ge đều giống nhau như của kim cương và α-thiếc. Nó bao quanh mỗi nguyên tử 4 nguyên tử gần đó tạo thành một tứ diện. phối hợp như vậy được gọi là bốn lần. Crystal tetradricheskoy trái phiếu căn cứ thép cho ngành công nghiệp điện tử và đóng một vai trò quan trọng trong công nghệ hiện đại. Một số yếu tố V và VI của nhóm bảng tuần hoàn cũng là chất bán dẫn. Ví dụ về các loại chất bán dẫn - phốt pho (P), lưu huỳnh (S), selen (Se) và tellurium (Te). Những chất bán dẫn có thể nguyên tử ba (P), disubstituted (S, Se, Te) hoặc phối hợp gấp bốn lần. Kết quả là các yếu tố như vậy có thể tồn tại trong cấu trúc tinh thể khác nhau, và cũng có thể được chuẩn bị dưới dạng kính. Ví dụ, Se trồng ở cấu trúc tinh thể đơn tà và tam giác hoặc như là một cửa sổ (mà cũng có thể được coi là một loại polymer).

- Kim cương có độ dẫn nhiệt tốt, tính chất cơ học và quang học tuyệt vời, độ bền cơ học cao. Chiều rộng của khe năng lượng - dE = 5,47 eV.

- Silicon - chất bán dẫn dùng trong các tế bào năng lượng mặt trời, và hình thức vô định hình, - trong một tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng. Đó là sử dụng nhiều nhất trong các tế bào năng lượng mặt trời bán dẫn, dễ chế tạo, có các đặc tính điện và cơ khí tốt. dE = 1,12 eV.

- Gecmani - bán dẫn được sử dụng trong quang phổ tia gamma, các tế bào năng lượng mặt trời hiệu suất cao. Được sử dụng trong các điốt đầu tiên và transistor. Nó đòi hỏi ít sạch hơn silicon. dE = 0,67 eV.

- Selenium - một chất bán dẫn, được sử dụng trong chỉnh lưu selen có một sức đề kháng bức xạ cao và khả năng tự chữa bệnh.

hợp chất phần tử hai

Tính chất của chất bán dẫn hình thành các yếu tố 3 và 4 của nhóm bảng tuần hoàn giống với tính chất của các hợp chất 4 nhóm. Việc chuyển đổi từ 4 nhóm yếu tố để các hợp chất 3-4 gr. Nó làm cho truyền thông một phần là do các electron vận chuyển điện tích ion từ một nguyên tử để Atom 3 Nhóm 4 Nhóm. Ionicity thay đổi các thuộc tính của chất bán dẫn. Nó gây ra sự gia tăng về Coulomb năng lượng và ion-ion tương tác chênh lệch năng lượng cấu trúc ban nhạc điện tử. VÍ DỤ hợp chất nhị phân của loại hình này - indium antimonide, InSb, GaAs gallium arsenide, gali antimonide GaSb, indium phosphide InP, nhôm antimonide AlSb, gallium phosphide GAP.

Ionicity tăng và giá trị của nó phát triển nhóm hơn trong các hợp chất 2-6 hợp chất, chẳng hạn như selenua cadmium, kẽm sulfide, cadmium sulfide, cadmium telluride, kẽm selenua. Kết quả là, phần lớn các hợp chất 2-6 nhóm cấm băng tần rộng hơn 1 eV, trừ các hợp chất thủy ngân. Thủy Telluride - mà không cần năng lượng chênh lệch bán dẫn, bán kim loại, như α-thiếc.

Chất bán dẫn 2-6 nhóm với một lớn hơn chênh lệch năng lượng find sử dụng trong việc sản xuất laser và hiển thị. nhóm nhị phân 6 2- hợp chất với một năng lượng khoảng cách thu hẹp thích hợp cho thu hồng ngoại. hợp chất nhị phân của các yếu tố của nhóm 1-7 (cuprous bromide CuBr, AGI bạc iodide, đồng clorua CuCl) do ionicity cao có rộng hơn bandgap W eV. Họ không thực sự bán dẫn và cách điện. Tinh thể tăng trưởng neo năng lượng do Coulomb tương tác interionic tạo điều kiện cho các nguyên tử cấu trúc muối với trật tự thứ sáu, thay vì phương phối hợp. Hợp chất 4-6 nhóm - sulfide, telluride chì, thiếc sulfide - như chất bán dẫn. Ionicity của các chất này cũng thúc đẩy sự phối hợp hình thành gấp sáu lần. Nhiều ionicity không loại trừ sự hiện diện họ có một khoảng trống ban nhạc rất hẹp, họ có thể được sử dụng để tiếp nhận bức xạ hồng ngoại. Gallium nitride - một nhóm hợp chất 3-5 với một khoảng cách năng lượng rộng, tìm ứng dụng trong laser bán dẫn và điốt phát quang hoạt động trong phần màu xanh của quang phổ.

- GaAs, gallium arsenide - theo yêu cầu sau khi bán dẫn silicon thứ hai thường được sử dụng như một chất nền cho dây dẫn khác, ví dụ, GaInNAs và InGaAs, trong hồng ngoại setodiodah, transistor tần số cao và IC, các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả cao, điốt laser, máy dò của chữa bệnh hạt nhân. dE = 1,43 eV, giúp cải thiện các thiết bị điện so với silicon. Giòn, chứa nhiều tạp chất khó khăn để sản xuất.

- ZnS, kẽm sulfide - kẽm muối hydro sunfua với khu band cấm và 3,54 3,91 eV, được sử dụng trong laser và như là một phosphor.

- SNS, thiếc sulfide - bán dẫn được sử dụng trong photoresistors và photodiodes, dE = 1,3 và 10 eV.

oxit

Các oxit kim loại tốt nhất là chất cách điện tuyệt vời, nhưng có những trường hợp ngoại lệ. Ví dụ về các loại chất bán dẫn - oxit niken, oxit đồng, coban oxit, đồng dioxide, ôxít sắt, europium oxide, zinc oxide. Kể từ khi đồng dioxide tồn tại như các mỏ đồng khoáng, tính chất của nó đã được nghiên cứu chuyên sâu. Các thủ tục cho việc trồng loại bán dẫn vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng, vì vậy việc sử dụng chúng vẫn còn hạn chế. Một ngoại lệ là kẽm oxit (ZnO), nhóm hợp chất 2-6, được sử dụng như đầu dò và trong việc sản xuất băng keo và thạch cao.

Tình hình thay đổi đáng kể sau khi siêu dẫn được phát hiện trong nhiều hợp chất của đồng với oxy. Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên mở Bednorz và Muller, đã được bán dẫn hợp chất dựa trên La ₂ CuO _4, khoảng cách năng lượng của 2 eV. Thay hóa trị hai trivalent lantan, bari hoặc stronti, được giới thiệu vào các hạt mang điện bán dẫn của lỗ. Đạt nồng độ lỗ cần thiết làm cho La ₂ CuO ₄ siêu dẫn. Tại thời điểm này, nhiệt độ cao nhất của chuyển đổi sang trạng thái siêu dẫn thuộc hợp chất HgBaCa ₂ Củ ₃ O _8. Ở áp suất cao, giá trị của nó là 134 K.

ZnO, kẽm oxit varistor được sử dụng, điốt xanh light-emitting, cảm biến khí, cảm biến sinh học, lớp phủ cửa sổ để phản chiếu ánh sáng hồng ngoại, vai trò nhạc trưởng trong màn hình LCD và pin năng lượng mặt trời. dE = 3,37 eV.

tinh thể lớp

hợp chất kép như chì diiodide, gali selenua và molybdenum disulfide khác nhau cấu trúc tinh thể lớp. Các lớp được liên kết hóa trị của sức mạnh đáng kể, mạnh hơn nhiều so với van der Waals trái phiếu giữa các lớp bản thân. Chất bán dẫn loại như là thú vị bởi vì các electron cư xử trong lớp một bán hai chiều. Tương tác của các lớp được thay đổi bằng cách giới thiệu các nguyên tử bên ngoài - đan xen.

MoS _2, molybdenum disulfide được sử dụng trong máy dò tần số cao, chỉnh lưu, memristor, transistor. dE = 1,23 và 1,8 eV.

bán dẫn hữu cơ

Ví dụ về bán dẫn trên cơ sở các hợp chất hữu cơ - naphthalene, polyacetylene (CH _{2) n,} anthracene, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. bán dẫn hữu cơ có lợi thế hơn phi hữu cơ: họ là dễ dàng để truyền đạt chất lượng mong muốn. Chất với trái phiếu liên hợp tạo thành C = C-C = có đáng kể quang phi tuyến tính và, do đó, trong quang điện tử áp dụng. Hơn nữa, năng lượng vùng cấm hợp chất bán dẫn hữu cơ của công thức khác nhau thay đổi đó dễ dàng hơn nhiều so với bán dẫn thông thường. dạng thù hình tinh thể của fullerene carbon, graphene, các ống nano - cũng bán dẫn.

- fullerene có cấu trúc theo hình thức một lồi đa diện ugleoroda kín thậm chí số lượng nguyên tử. Một doping fullerene C ₆₀ với một kim loại kiềm biến nó thành một chất siêu dẫn.

- lớp graphite carbon monoatomic được hình thành, được kết nối trong một mạng hình lục giác hai chiều. Ghi lại có tính dẫn và tính di động điện tử, độ cứng cao

- Các ống nano được cuộn lại thành một tấm ống graphite có đường kính từ vài nanomet. Những hình thức carbon có triển vọng rất lớn trong điện tử học nano. Tùy thuộc vào các khớp nối có thể bằng kim loại hoặc bán dẫn chất lượng.

bán dẫn từ

Hợp chất với các ion từ của europi và mangan có tính chất từ và bán dẫn tò mò. Ví dụ về các loại chất bán dẫn - sulfide europium, selenua europi và giải pháp vững chắc, chẳng hạn Cd _1-x Mn _x Te. Nội dung của các ion từ ảnh hưởng đến cả chất hiện tính chất từ như sắt từ và phản sắt từ. bán dẫn Semimagnetic - là một giải pháp cứng bán dẫn từ có chứa các ion từ nồng độ thấp. giải pháp vững chắc như vậy thu hút sự chú ý của khách hàng tiềm năng và tiềm năng to lớn của các ứng dụng có thể. Ví dụ, trái ngược với các chất bán dẫn không từ tính, họ có thể đạt được một lớn hơn triệu lần Faraday xoay.

hiệu ứng quang từ mạnh mẽ của bán dẫn từ cho phép sử dụng của họ đối với điều chế quang. Perovskites, như Mn _0,7 Cà _0,3 O _3, thuộc tính của nó là vượt trội so với kim loại chuyển tiếp-bán dẫn, mà phụ thuộc trực tiếp vào kết quả từ trường trong hiện tượng khổng lồ magneto-điện trở suất. Chúng được sử dụng trong radio, thiết bị quang học, được điều khiển bởi một từ trường, một thiết bị lò vi sóng ống dẫn sóng.

sắt điện bán dẫn

loại tinh thể này được đặc trưng bởi sự hiện diện trong những khoảnh khắc điện của họ và xảy ra sự phân cực tự phát. Ví dụ, tài sản đó là chất bán dẫn dẫn titanate PbTiO _3, bari titanate BaTiO _3, telluride germanium, Gete, thiếc telluride SnTe, mà ở nhiệt độ thấp có đặc tính sắt điện. Những vật liệu này được sử dụng trong quang học, cảm biến áp điện phi tuyến và các thiết bị nhớ.

Một loạt các vật liệu bán dẫn

Ngoài các vật liệu bán dẫn nêu trên, có rất nhiều người khác mà không thuộc một trong các loại. Các hợp chất của công thức 1-3-5 yếu tố ₂ (AgGaS ₂₎ và 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ tạo thành một cấu trúc tinh thể chalcopyrit. Liên hợp chất tứ diện bán dẫn tương tự 3-5 và 2-6 nhóm với một cấu trúc tinh thể kẽm Blende. Hợp chất hình thành các yếu tố bán dẫn 5 và 6 nhóm (tương tự như ₂ Se _3), - bán dẫn dưới dạng tinh thể hoặc thủy tinh. Chalcogenides của bismuth và antimon được sử dụng trong máy phát nhiệt điện bán dẫn. Các tính chất của loại bán dẫn là vô cùng thú vị, nhưng họ đã không trở nên phổ biến do việc áp dụng hạn chế. Tuy nhiên, thực tế là chúng tồn tại, khẳng định sự hiện diện của chưa nghiên cứu đầy đủ các lĩnh vực vật lý bán dẫn.