Mifano ya halvledare. Aina, mali, matumizi ya utendaji

maarufu zaidi ni semiconductor silicon (Si). Lakini mbali na yeye, kuna wengine wengi. Mifano ni ya kawaida, kama semiconductor vifaa kama blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PBS) na wengine wengi. familia ya halvledare, ikiwa ni pamoja na halvledare tayari katika maabara, anawakilisha moja ya madarasa ya mbalimbali ya vifaa anajulikana kwa mtu.

Tabia ya halvledare

Wa mambo 104 ya meza upimaji ni vyuma 79, 25 - nonmetals ambayo 13 ya kemikali vipengele wamiliki mali semiconducting na 12 - dielectric. Kuu semiconductor kipengele yamo katika kuwa conductivity zao huongezeka kwa kiasi kikubwa na kuongezeka kwa joto. Kwa joto chini, wao kuishi kama vihami, na katika high - kama makondakta. halvledare hizi ni tofauti na chuma: chuma upinzani kuongezeka kwa uwiano kuongezeka kwa joto.

Tofauti nyingine kwa chuma semiconductor ni kwamba upinzani wa semiconductor itapungua kwa kuathiriwa na mwanga, wakati katika mwisho chuma si walioathirika. Pia conductivity ya halvledare inatofautiana wakati unasimamiwa kwa madogo kiasi cha uchafu.

Semiconductors wanapatikana miongoni mwa misombo ya kemikali na miundo mbalimbali kioo. Hii inaweza kuwa vitu kama vile silicon na selenium, au misombo mbili kama vile gallium arsenide. misombo mingi kikaboni, kama polyacetylene, (CH) _n, - vifaa semiconductor. Baadhi halvledare maonyesho magnetic (Cd _1-x Mn _x Te) au mali ferroelectric (SbSI). Mengine alloying na kutosha kuwa superconductors (Gete na SrTiO _3). Wengi wapya aligundua superconductors high-joto na metali semiconducting awamu. Kwa mfano, La ₂ Cuo ₄ ni semiconductor, lakini malezi ya alloy na Sr inakuwa sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} Cuo _4.

Fizikia vitabu kutoa ufafanuzi kama vifaa semiconductor na resistivity umeme wa kutoka 10 hadi 10 ^{-4 7} ohms · m. Labda ufafanuzi mbadala. upana wa bendi haramu wa semiconductor - 0-3 eV. Vyuma na semimetals - vifaa kwa sifuri nishati pengo, na mali ambayo inazidi W eV kuitwa vihami. Kuna tofauti. Kwa mfano, semiconductor almasi ina upana haramu zone 6 eV, nusu kuhami GaAs - 1,5 eV. Gan, vifaa kwa ajili ya vifaa optoelectronic katika eneo bluu, ina haramu band upana wa 3.5 eV.

pengo nishati

Valence orbitals ya atomi katika kimiani kioo zimegawanywa katika makundi mawili ya viwango vya nguvu - zone bure, hali katika ngazi ya juu, na kujua conductivity umeme wa halvledare, na valence, hapa chini. Viwango hivi, kulingana na ulinganifu wa kimiani kioo muundo na atomi unaweza intersect au yatenganishwe na kila mmoja. Katika kesi ya pili kuna nishati pengo, au kwa maneno mengine, kati ya maeneo ya haramu bendi.

mahali na kujaza kiwango imedhamiria kwa mali conductive ya nyenzo. Kwa mujibu wa hii Dutu kipengele kugawanywa na makondakta, vihami, na halvledare. upana wa bendi haramu wa semiconductor inatofautiana 0.01-3 eV, nishati pengo la dielectric ya 3 eV. Vyuma kutokana na mwingiliano wa mapengo nishati ngazi sio.

Halvledare na vihami, tofauti na vyuma, elektroni hujazwa band Valence na karibu bure eneo, au bendi ya upitishaji, nishati Valence ni maboma mbali kupasuka - sehemu ya nguvu haramu ya elektroni.

Katika dielectrics nishati ya joto au kidogo shamba umeme haitoshi kufanya kuruka kwa njia ya pengo hili, elektroni si chini ya upitishaji bendi. Wao hawawezi hoja kwa njia ya kimiani kioo na kuwa flygbolag ya sasa ya umeme.

Kutia nguvu conductivity umeme, elektroni katika ngazi Valence wapewe nishati, ambayo imetosha kushinda pengo nishati. Wakati tu kiasi cha nishati ngozi si ndogo kuliko thamani ya pengo nishati, itakuwa kupita kutoka Valence elektroni cha juu ya ngazi upitishaji.

Katika hali hiyo, ikiwa upana wa pengo nishati unazidi 4 eV, conductivity semiconductor uchochezi mnururisho au joto ni karibu haiwezekani - uchochezi nishati ya elektroni katika joto ya kiwango haitoshi kuruka pengo nishati kwa njia ya eneo. Wakati joto, kioo melts kabla conductivity elektroniki. vitu kama pamoja Quartz (De = 5,2 eV), almasi (De = 5,1 eV), chumvi nyingi.

Kutoka nje na ya ndani conductivity semiconductor

Net semiconductor fuwele na asili conductivity. halvledare hizo sahihi majina. Asili semiconductor ina idadi sawa ya mashimo na elektroni bure. Wakati inapokanzwa ya ndani conductivity ya halvledare kuongezeka. Katika joto mara kwa mara, kuna hali ya msawazo mwendo kiasi cha kuzalisha jozi elektroni-shimo na idadi ya recombining elektroni na mashimo, ambayo hubakia mara kwa mara katika hali hii.

mbele ya uchafu kwa kiasi kikubwa huathiri conductivity umeme halvledare. Kuwaongeza inaruhusu kuongezeka idadi ya elektroni bure katika idadi ndogo ya mashimo na kuongeza idadi ya mashimo na idadi ndogo ya elektroni katika ngazi upitishaji. Uchafu halvledare - makondakta kuwa uchafu conductivity.

Uchafu urahisi kuchangia elektroni huitwa wafadhili. uchafu wafadhili inaweza kuwa mambo ya kemikali na atomi, ngazi Valence ambayo yana elektroni zaidi atomi ya vifaa msingi. Kwa mfano fosforasi, na bismuth - uchafu silicon wafadhili.

nishati zinahitajika kwa kuruka elektroni katika eneo upitishaji, inaitwa uanzishaji nishati. Uchafu semiconductor haja mengi chini ya hilo zaidi nyenzo msingi. Pamoja na joto ndogo au mwanga unategemea waliokimbia elektroni ya atomi ya halvledare uchafu. Nafasi kushoto chembe inachukua elektroni shimo. Lakini elektroni shimo uchanganyishaji hautokei. wafadhili shimo conductivity ni kidogo. Hii ni kwa sababu kiasi kidogo cha chembe uchafu haziruhusu bure elektroni mara nyingi karibu na shimo na kushikilia yake. Elektroni ni baadhi mashimo, lakini hawawezi kujaza yao kutokana na kiwango cha nishati halitoshi.

kidogo nyongeza ya wafadhili uchafu amri kadhaa huongeza idadi ya elektroni upitishaji kwa kulinganisha na idadi ya elektroni bure katika semiconductor ndani. Elektroni hapa - flygbolag kuu ya madai ya atomiki ya halvledare uchafu. vitu hivi ni mali ya halvledare n-aina.

Uchafu ambayo kumfunga elektroni ya semiconductor, kuongeza idadi ya mashimo ndani yake, aitwaye ya kukubali. Pokea uchafu ni mambo ya kemikali na idadi ndogo ya elektroni katika ngazi Valence ya chini ya semiconductor. Boroni, galiamu, INDIUM - ya kukubali uchafu katika silikoni.

tabia ya semiconductor wanategemea yake kasoro kioo muundo. Hii husababisha umuhimu wa kuongezeka fuwele safi sana. vigezo ya semiconductor upitishaji kudhibitiwa na nyongeza ya dopants. fuwele Silicon doped na phosphorus (V kikundi kipengele) ambayo ni mfadhili wa kujenga kioo silicon n-aina. Kwa kioo kwa p-aina ya silicon kusimamiwa boroni ya kukubali. Semiconductors fidia Fermi cha kuihamisha hadi katikati ya bendi pengo iliyoundwa katika namna hii.

single-kipengele halvledare

semiconductor ya kawaida ni, bila shaka, silicon. Pamoja na Ujerumani, alikuwa mfano wa wanafunzi wengi wa halvledare ambayo miundo sawa kioo.

Muundo wa kioo Si na Ge ni sawa na ile ya almasi na α-bati. Ni inayozunguka kila chembe 4 atomi karibu ambazo ni tetrahedron. uratibu vile inaitwa mara nne. Fuwele tetradricheskoy dhamana chuma msingi kwa ajili ya sekta ya vifaa vya umeme na jukumu muhimu katika teknolojia ya kisasa. Baadhi ya mambo ya V na VI wa mara kwa mara kundi meza pia ni halvledare. Mifano ya aina hii ya halvledare - fosforasi (P), kiberiti (S), selenium (Se) na tellurium (Te). halvledare haya yanaweza kuwa atomi tatu (P), zilizobadilishwa (S, Se, Te) au uratibu mara nne. Matokeo yake vitu kama zinaweza kuwepo kwa miundo mbalimbali fuwele, na pia kuwa tayari katika mfumo wa kioo. Kwa mfano, Se kupandwa katika miundo monoclinic na trigonal kioo au kama dirisha (ambayo pia kuonekana kama polymer).

- Diamond ina bora mafuta conductivity, mali bora mitambo na macho, high mitambo nguvu. upana wa pengo nishati - De = 5,47 eV.

- Silicon - semiconductor kutumika katika seli nishati ya jua, na fomu amofasi, - katika thin-filamu seli nishati ya jua. Ni nyingi hutumika katika semiconductor seli nishati ya jua, rahisi kutengeneza, ina mali nzuri umeme na mitambo. De = 1.12 eV.

- Gerimani - semiconductor kutumika katika gamma-ray spectroscopy, juu ya utendaji seli nishati ya jua. Kutumika katika diodes kwanza na transistors. Inahitaji kidogo ya kusafisha ya silicon. De = 0,67 eV.

- Selenium - semiconductor, ambayo hutumiwa katika rectifiers selenium kuwa high mionzi ya upinzani na uwezo wa kuponya yenyewe.

misombo mbili kipengele

Sifa za Semiconductors sumu mambo ya 3 na 4 ya makundi ya mara kwa mara meza kufanana mali ya misombo 4 vikundi. mpito kutoka makundi 4 ya mambo ya misombo 3-4 gr. Inafanya mawasiliano sehemu kwa sababu ionic elektroni malipo ya usafiri kutoka chembe ya chembe 3 Group 4 Group. Ionicity hubadilisha tabia halisi ya halvledare. Husababisha kuongezeka kwa Coulomb nishati na ion-ion mwingiliano nishati pengo muundo elektroni bendi. MFANO binary misombo ya aina hii - INDIUM antimonide, InSb, gallium arsenide GaAs, galiamu antimonide gasb, INDIUM fosfidi INP, alumini antimonide AlSb, gallium fosfidi pengo.

Ionicity ongezeko na thamani yake kukua makundi zaidi katika misombo 2-6 misombo, kama vile cadmium SELENIDE, zinki sulfidi, cadmium sulfidi, cadmium telluride, zinki SELENIDE. Matokeo yake, wengi wa misombo ya makundi 2-6 haramu band pana ya 1 eV, ila misombo zebaki. Mercury Telluride - bila nishati pengo semiconductor, nusu ya chuma, kama α-bati.

Semiconductors makundi 2-6 na kubwa ya nishati pengo kupata matumizi katika uzalishaji wa lasers na maonyesho. makundi binary 6 2- kiwanja na dhiki pengo nishati ya kufaa kwa ajili ya kupokea infrared. misombo binary wa mambo ya makundi 1-7 (cuprous bromidi CuBr, AGI fedha iodidi, shaba kloridi CuCl) kutokana na ionicity high na pana bandgap W eV. Wao kufanya kweli halvledare, na vihami. Crystal ukuaji nanga nishati kutokana na Coulomb mwingiliano interionic kuwezesha jinsia atomi chumvi amri ya sita, badala ya quadratic kuratibu. Misombo 4-6 makundi - sulfidi, telluride risasi, bati sulfidi - kama halvledare. Ionicity wa vitu hizi pia kukuza malezi mara sita uratibu. Mengi ionicity kuzuia uwepo wao wana nyembamba sana mapungufu bendi, zinaweza kutumika kwa ajili ya kupokea mionzi infrared. Gallium nitride - makundi kiwanja 3-5 kwa upana pengo nishati, kupata maombi katika lasers semiconductor na mwanga kutotoa moshi diode kazi katika sehemu ya bluu ya wigo.

- GaAs, gallium arsenide - katika mahitaji baada ya pili silicon semiconductor hutumiwa kama substrate kwa makondakta nyingine, kwa mfano, GaInNAs na InGaAs, katika setodiodah infrared, transistors high frequency na ICS, yenye ufanisi seli nishati ya jua, diodes laser, detectors ya tiba za kinuklia. De = 1,43 eV, itakayoimarisha vifaa nguvu kama ikilinganishwa na silicon. Brittle, ina uchafu zaidi vigumu kutengeneza.

- ZnS, zinki sulfidi - zinki chumvi ya sulphide hidrojeni na maeneo ya haramu bendi hiyo na 3.54 3.91 eV, kutumika katika lasers na kama phosphor.

- SNS, bati sulfidi - semiconductor kutumika katika photoresistors na photodiodes, De = 1,3 na 10 eV.

oksidi

oksidi za metali hasa ni vihami bora, lakini kuna tofauti. Mifano ya aina hii ya halvledare - nickel oxide, oxide shaba, oksidi cobalt, dioxide shaba, oksidi feri, oksidi europium, zinki oxide. Tangu shaba dioxide ipo kama cuprite madini, sifa zake walikuwa alisoma makini. utaratibu kwa ajili ya kilimo cha aina hii ya semiconductor bado wazi kabisa, hivyo matumizi yao bado ni mdogo. isipokuwa ni oksidi zinki (ZnO), vikundi kiwanja 2-6, hutumika kama transducer na katika uzalishaji wa kanda wambiso na plasters.

Hali iliyopita kasi baada superconductivity aligundulika mwaka misombo mingi ya shaba na oksijeni. kwanza joto Superconductor kufungua Bednorz na Muller, alikuwa kiwanja semiconductor msingi La ₂ Cuo _4, nishati pengo la 2 eV. Kugeuza divalent trivalenti lanthanum, barium au Strontium, kuletwa ndani ya semiconductor malipo flygbolag ya mashimo. Kufikia muhimu shimo mkusanyiko inafanya La ₂ Cuo ₄ Superconductor. Kwa wakati huu, hali ya joto ya juu ya mpito kwa hali superconducting ni kiwanja HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Wakati shinikizo, thamani yake ni 134 K.

ZnO, oksidi zinki varistor inatumika, bluu mwanga-kutotoa moshi diodes, sensa gesi, sensorer kibiolojia, mipako madirisha kutafakari mwanga infrared, kama kondakta katika maonyesho LCD na betri ya jua. De = 3.37 eV.

fuwele layered

misombo Double kama diiodide risasi, galiamu SELENIDE na molybdenum disulphide tofauti layered muundo wa kioo. Safu zenyewe ni covalent dhamana ya nguvu kubwa, na nguvu zaidi kuliko van der Waals dhamana kati ya tabaka wenyewe. Semiconductors aina kama hiyo ni ya kuvutia kwa sababu elektroni kutenda katika matabaka ya nusu-pande mbili. Mwingiliano wa tabaka ni iliyopita kwa kuanzisha atomi nje - kuingiliana.

Mos _2, molybdenum disulfidi hutumiwa katika detectors high frequency, rectifiers, memristor, transistors. De = 1,23 na 1.8 eV.

halvledare hai

Mifano ya halvledare kwa misingi ya misombo ya kikaboni - NAPHTHALENE, polyacetylene (CH _{2) n,} ANTHRACENE, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. halvledare Organic kuwa na faida zaidi zisizo hai: ni rahisi kwa kutoa ubora wa taka. Nyenzo na vifungo conjugate kuunda -C = C-C = wamiliki kikubwa macho zisizo linearity na, kutokana na hili, katika optoelectronics kutumiwa. Aidha, nishati band pengo hai semiconductor kiwanja ya formula kutofautiana mabadiliko rahisi kuliko ile ya halvledare kawaida. Fuwele allotropes ya fullerenes kaboni, graphene, nanotubes - pia halvledare.

- Fullerene ina muundo wa aina ya polytope iliyofungwa imefungwa kutoka kwa idadi ya atomi za kaboni. Doping ya fullerene C _{60 na} chuma alkali inarudi kuwa superconductor.

- Graphene hutengenezwa na safu ya kaboni ya monatani, iliyounganishwa na latti mbili-dimensional hexagonal. Ina rekodi ya uendeshaji wa mafuta na uhamaji wa elektroni, rigidity ya juu

- Nanotubes humekwa ndani ya bomba la sahani za grafiti, na kuwa na nanometers kadhaa katika kipenyo. Aina hizi za kaboni zina matumaini makubwa katika nanoelectronics. Kulingana na sifa za kujitoa, chuma au semiconductor zinaweza kuonyeshwa.

Semiconductor Magnetic

Mchanganyiko wa ions magnetic ya europium na manganese ina vituo vya kuvutia magnetic na semiconductor. Mifano ya semiconductor ya aina hii ni europium sulphide, europium selenide na ufumbuzi imara kama Cd _1-x Mn _x Te. Maudhui ya ions magnetic huathiri njia ambazo mali za magnetic kama vile antiferromagnetism na ferromagnetism hujidhihirisha wenyewe kwenye vitu. Semi-magnetic semiconductors ni ufumbuzi imara magnetic ya semiconductors ambayo yana ions magnetic katika ukolezi ndogo. Ufumbuzi huo imara kuvutia na matarajio yao na uwezo mkubwa wa maombi iwezekanavyo. Kwa mfano, tofauti na semiconductors zisizo za magnetic, zinaweza kufikia mzunguko wa Faraday mara milioni.

Madhara makubwa ya magneto-optical ya semiconductors magnetic hufanya iwezekanavyo kuitumia kwa modulation ya macho. Perovskites, kama Mn _0.7 Ca _0.3 O _{3, wana} mali zao bora zaidi ya mpito wa chuma-semiconductor, utegemezi wa moja kwa moja wa ambayo kwenye shamba la magnetic ina matokeo ya jambo la giza magneto-resistivity. Zitumiwa katika uhandisi wa redio, vifaa vya macho, ambavyo vinasimamiwa na shamba la magnetic, katika viungo vya wimbi vya vifaa vya microwave.

Ferroelectrics ya semiconductor

Aina hii ya kioo ina sifa ya kuwepo kwa muda wa umeme ndani yao na kuonekana kwa polarization ya hiari. Kwa mfano, mali hizo zinamilikiwa na semiconductors ya PbTiO ₃ titanate, titanate ya Baumi _{3 ya} BaTiO, telluride ya GeTe, SnTe telluride, ambayo ina mali ya ferroelectric katika joto la chini. Vifaa hivi hutumiwa katika vifaa vya macho, vifaa vya kumbukumbu na sensorer za piezoelectric.

Aina mbalimbali za vifaa vya semiconductor

Mbali na vitu vya semiconductor zilizotajwa hapo juu, kuna wengine wengi ambao hawawezi kuanguka chini ya aina yoyote ya orodha. Mchanganyiko wa vipengele vya formula 1-3-5 ₂ (AgGaS ₂ ) na 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂ ) fuwele fomu katika muundo wa chalcopyrite. Vifungo vya misombo ni tetrahedral, sawa na semiconductors 3-5 na 2-6 semiconductor na muundo wa kioo ya zinc blende. Misombo ambayo huunda vipengele vya semiconductor ya Kundi la 5 na 6 (kama Kama ₂ Se ₃ ) ni semiconducting kwa namna ya kioo au kioo. Chalcogenides ya bismuth na antimoni hutumiwa katika jenereta za umeme za semiconductor. Mali ya semiconductors ya aina hii ni ya kuvutia sana, lakini hawajapata umaarufu kutokana na matumizi mdogo. Hata hivyo, ukweli kwamba wao kuwepo unathibitisha uwepo wa hata kabla ya mwisho wa maeneo yasiyojulikana ya fizikia ya semiconductor.