Voorbeelden van halfgeleiders. Soorten, eigenschappen, praktische toepassingen

De meest bekende halfgeleider is silicium (Si). Maar afgezien van hem zijn er veel anderen. Een voorbeeld is natuurlijke halfgeleidermaterialen zoals zinkblende (ZnS), cupriet (Cu ₂ O), galena (PbS) en vele anderen. Een familie van halfgeleiders, inclusief halfgeleiders die in laboratoria zijn gesynthetiseerd, is een van de meest veelzijdige klassen van materialen die de mens bekend zijn.

Kenmerken van halfgeleiders

Van de 104 elementen van de periodieke tabel zijn 79 metalen, 25 zijn niet-metalen, waarvan 13 chemische elementen halfgeleider eigenschappen bezitten en 12 dielektrische zijn. Het belangrijkste verschil tussen halfgeleiders is dat hun elektrische geleidbaarheid aanzienlijk toeneemt bij toenemende temperatuur. Bij lage temperaturen gedragen ze zich als dielectrics, en bij hoge temperaturen gedraagt ze zich als geleiders. Deze halfgeleiders zijn anders dan metalen: de weerstand van het metaal neemt toe in verhouding tot de temperatuurstijging.

Een ander verschil tussen de halfgeleider en het metaal is dat de weerstand van de halfgeleider valt onder de werking van het licht, terwijl het metaal niet door het metaal wordt beïnvloed. De geleidbaarheid van halfgeleiders verandert ook met de invoering van een kleine hoeveelheid onzuiverheid.

Halfgeleiders worden gevonden onder chemische verbindingen met een verscheidenheid aan kristallijne structuren. Het kan elementen zijn zoals silicium en selenium, of dubbele verbindingen, zoals galliumarsenide. Veel organische verbindingen, bijvoorbeeld polyacetyleen (CH) _n, zijn halfgeleidermaterialen. Sommige halfgeleiders tonen magnetische (Cd _1-x Mn _x Te) of ferro-elektrische eigenschappen (SbSI). Andere met voldoende doping worden supergeleiders (GeTe en SrTiO ₃ ). Veel van de recent ontdekte hoge temperatuur supergeleiders hebben nonmetallische halfgeleidende fasen. La ₂ CuO ₄ is bijvoorbeeld een halfgeleider, maar wanneer het een legering vormt met Sr wordt het een supergeleider (La _1-x Sr _x ) ₂ CuO ₄ .

Fysica handboeken geven een halfgeleider definitie als een materiaal met een elektrische weerstand van 10 ^-4 tot 10 ⁷ Ω · m. Een alternatieve definitie is ook mogelijk. De breedte van de verboden band van een halfgeleider is van 0 tot 3 eV. Metalen en semimetalen zijn materialen met een nul energiepauze en stoffen waarin het meer dan 3 eV overschrijden, worden isolatoren genoemd. Er zijn uitzonderingen. Bijvoorbeeld, een halfgeleider diamant heeft een verboden band van breedte 6 eV, semi-isolerende GaAs - 1,5 eV. GaN, een materiaal voor opto-elektronische apparaten in de blauwe regio, heeft een verboden band van breedte 3,5 eV.

Energiegaping

De valente orbitalen van atomen in het kristalrooster zijn verdeeld in twee groepen energieniveaus: een vrije zone die op het hoogste niveau ligt en de elektrische geleidbaarheid van halfgeleiders bepaalt en een valensband die lager is gelegen. Deze niveaus kunnen, afhankelijk van de symmetrie van het kristalrooster en de samenstelling van de atomen, elkaar onderscheiden of op afstand liggen. In het laatste geval is er een energiekloof tussen de zones of met andere woorden de verboden zone.

De locatie en het vullen van de niveaus bepalen de geleidende eigenschappen van de stof. Op deze basis worden stoffen verdeeld in geleiders, isolatoren en halfgeleiders. De breedte van de verboden band van een halfgeleider varieert binnen het bereik van 0,01-3 eV, de diëlektrische energiekloof is hoger dan 3 eV. Metalen zijn niet te danken aan overlappende niveaus van energiegaten.

Halfgeleiders en dielektriciën hebben, in tegenstelling tot metalen, een valensband gevuld met elektronen, en de dichtstbijzijnde vrije zone of geleidingsband is afgekapt van de valence-energiekloof - het gedeelte van verboden elektronenergieën.

In diëlektricen van thermische energie of een klein elektrisch veld is niet genoeg om een sprong door deze kloof te maken, de elektronen komen niet in de geleidingsband. Ze zijn niet in staat om rond het kristalrooster te bewegen en worden dragers van elektrische stroom.

Om elektrische geleidbaarheid te verwekken, moet een elektron op het valensniveau energie krijgen die voldoende zou zijn om de energiekloof te overwinnen. Alleen door een hoeveelheid energie te absorberen, die niet minder is dan de grootte van de energiekloof, gaat het elektrone van het valensniveau naar het geleidingsvermogenniveau.

In het geval dat de breedte van de energiekloof meer dan 4 eV bedraagt, is de excitatie van de geleidbaarheid van de halfgeleider door bestraling of verwarming praktisch onmogelijk. De excitatie-energie van de elektronen bij de smelt temperatuur blijkt ontoereikend voor een sprong door de energie-discontinuiteitszone. Bij het verwarmen smelt het kristal voor het verschijnen van elektronische geleiding. Dergelijke stoffen omvatten kwarts (dE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV), veel zouten.

Onzuiverheid en intrinsieke geleidbaarheid van halfgeleiders

Zuivere halfgeleiderkristallen hebben intrinsieke geleidbaarheid. Dergelijke halfgeleiders worden eigendom genoemd. De intrinsieke halfgeleider bevat een even aantal gaten en vrije elektronen. Bij verhitting wordt de intrinsieke geleidbaarheid van halfgeleiders toegenomen. Bij een constante temperatuur komt een toestand van dynamisch evenwicht op tussen het aantal gevormde elektronenparenparen en het aantal recombinatie-elektronen en gaten die constant onder de gegeven omstandigheden blijven.

De aanwezigheid van onzuiverheden heeft een significant effect op de elektrische geleidbaarheid van halfgeleiders. Door ze toe te voegen is het mogelijk om het aantal vrije elektronen met een klein aantal gaten aanzienlijk te verhogen en het aantal gaten met een klein aantal elektronen op het geleidingsniveau te vergroten. Onzuiverheid halfgeleiders zijn geleiders die onzuiverheid geleiding hebben.

Onzuiverheden, die gemakkelijk elektronen opgeven, worden donor genoemd. Donor onzuiverheden kunnen chemische elementen zijn met atomen, waarvan de valentie niveaus meer elektronen bevatten dan de atomen van het basismateriaal. Bijvoorbeeld, fosfor en bismut zijn donor-onzuiverheden van silicium.

De energie die nodig is voor het elektron om in het geleidingsgebied te springen, wordt activatie-energie genoemd. De onzuiverheid halfgeleiders hebben veel minder nodig dan de hoofdstof. Met lichte verwarming of verlichting worden elektronen van onzuiverheid halfgeleideratomen overwegend vrijgegeven. De plaats van het elektron dat het atoom verliet, neemt een gat in. Maar er is praktisch geen recombinatie van elektronen in gaten. Gatconductiviteit van de donor is verwaarloosbaar. Dit komt omdat een klein aantal onzuiverheden atomen geen vrije elektronen toestaat om het gat vaak te benaderen en te bezetten. De elektronen zijn in de buurt van de gaten, maar ze kunnen ze niet opvullen vanwege het onvoldoende energieniveau.

De onbeduidende toevoeging van de onzuiverheid van de donor door meerdere orders verhoogt het aantal geleidingselektronen in vergelijking met het aantal vrije elektronen in de intrinsieke halfgeleider. De elektronen hier zijn de belangrijkste dragers van de ladingen van atomen van onzuiverheid halfgeleiders. Deze stoffen zijn ingedeeld als n-type halfgeleiders.

De onzuiverheden die elektronen van een halfgeleider binden, waardoor het aantal gaten daarin wordt verhoogd, heet acceptors. Acceptor onzuiverheden zijn chemische elementen met een kleiner aantal elektronen op het valence niveau dan in de basis halfgeleider. Boor, gallium, indium zijn acceptor-onzuiverheden voor silicium.

De eigenschappen van de halfgeleider zijn afhankelijk van de gebreken van zijn kristalstructuur. Dit is de reden voor de noodzaak om extreem zuivere kristallen te groeien. De geleidbaarheidsparameters van de halfgeleider worden gecontroleerd door toevoeging van legeringsadditieven. De siliciumkristallen worden gedoteerd met fosfor (subgroep V-element), dat een donor is om een n-type siliciumkristal te creëren. Om een kristal met gatgeleiding te verkrijgen wordt een boronacceptor in silicium geïntroduceerd. Halfgeleiders met een gecompenseerd Fermi-niveau om het naar het midden van de verboden band te verplaatsen, worden op dezelfde manier gecreëerd.

Enkele-element halfgeleiders

De meest voorkomende halfgeleider is natuurlijk silicium. Samen met germanium werd het het prototype van een brede klasse halfgeleiders met soortgelijke kristalstructuren.

De structuur van Si en Ge kristallen is hetzelfde als die van diamant en a-tin. Daarin wordt elk atoom omgeven door 4 dichtstbijzijnde atomen, die een tetraëder vormen. Dergelijke coördinatie wordt viervoudig genoemd. Kristallen met een tetradische binding zijn uitgegroeid tot de basis voor de elektronica-industrie en spelen een sleutelrol in de moderne technologie. Sommige elementen van de V en VI groepen van de periodieke tabel zijn ook halfgeleiders. Voorbeelden van halfgeleiders van dit type zijn fosfor (P), zwavel (S), selenium (Se) en tellurium (Te). In deze halfgeleiders kunnen atomen triple (P), dubbele (S, Se, Te) of quadruple coördinatie hebben. Als gevolg hiervan kunnen dergelijke elementen bestaan in verschillende kristalstructuren, en kunnen ook in de vorm van glas worden verkregen. Zo werd Se gegroeid in monoclinische en trigonale kristalstructuren of in de vorm van glas (die ook als een polymeer kan worden beschouwd).

- De diamant heeft uitstekende thermische geleidbaarheid, uitstekende mechanische en optische eigenschappen, hoge mechanische sterkte. De breedte van de energiekloof is dE = 5,47 eV.

- Silicon - een halfgeleider die in zonnebatterijen wordt gebruikt, en in amorfe vorm - in dunne-film zonnecellen. Het is de meest gebruikte halfgeleider in fotocellen, makkelijk te vervaardigen, heeft goede elektrische en mechanische eigenschappen. DE = 1,12 eV.

- Germanium - een halfgeleider gebruikt in gamma spectroscopie, high-efficiency fotocellen. Wordt gebruikt in de eerste diodes en transistors. Vereist minder schoonmaak dan silicium. DE = 0,67 eV.

- Selenium - een halfgeleider, die wordt gebruikt in selenium gelijkrichters, die hoge stralingsweerstand hebben en het vermogen om zelf te repareren.

Twee-element verbindingen

De eigenschappen van halfgeleiders gevormd door elementen van groepen 3 en 4 van de Mendeleyev tafel herinneren de eigenschappen van stoffen van groep 4. De overgang van 4 groepen elementen tot 3-4 gr verbindingen. Maakt de bindingen gedeeltelijk ionisch door de overdracht van de elektronenlading van het atoom van groep 3 naar het atoom van groep 4. Ioniciteit verandert de eigenschappen van halfgeleiders. Het is de oorzaak van een toename van de Coulomb interionische interactie en energie van de energie discontinuïteit van de elektronenband structuur. Een voorbeeld van een binaire verbinding van dit type is indium antimonide InSb, galliumarsenide GaAs, gallium antimonide GaSb, indiumfosfide InP, aluminium antimonide AlSb, galliumfosfide GaP.

Ioniciteit neemt toe, en de waarde groeit nog meer in verbindingen van stoffen van 2-6 groepen, zoals cadmium selenide, zinksulfide, cadmiumsulfide, cadmium telluride, zink selenide. Als gevolg hiervan is in de meeste verbindingen van groepen 2-6 de verboden zone groter dan 1 eV, met uitzondering van kwikverbindingen. Mercury telluride is een halfgeleider zonder een energiekloof, een semimetaal, zoals a-tin.

Halfgeleiders van 2-6 groepen met een grote energiekloof vinden applicatie in de productie van lasers en displays. Binaire verbindingen van 2 tot 6 groepen met een vernieuwde energiekloof zijn geschikt voor infrarood ontvangers. Binaire verbindingen van elementen van groepen 1-7 (koperen bromide CuBr, zilverjodide AgI, kopercloride CuCl), door een hoge ioniteit, hebben een verboden zone groter dan 3 eV. Ze zijn eigenlijk geen halfgeleiders, maar isolatoren. De toename van de bindende energie van het kristal door de Coulomb interionische interactie bevordert de structurering van rotszoutatomen met zesvoudige in plaats van kwadratische coördinatie. Verbindingen van de 4-6 groepen - loodsulfide en loodtelluride, tin sulfide - zijn ook halfgeleiders. De mate van ioniciteit van deze stoffen draagt ook bij aan de vorming van zesvoudige coördinatie. Significante ioniteit voorkomt niet dat ze zeer smalle verboden bands hebben, waardoor ze gebruikt kunnen worden om infraroodstraling te ontvangen. Galliumnitride is een verbinding van 3-5 groepen met een brede energiekloof, gevonden applicatie in halfgeleiderlasers en lichtdiodes die werken in het blauwe deel van het spectrum.

- GaAs, galliumarsenide is de tweede halfgeleider die in de vraag is naar silicium, meestal gebruikt als substraat voor andere geleiders, bijvoorbeeld GaInNAs en InGaAs, in IR-LED's, hoge frequentie microcircuits en transistors, hoogwaardige fotocellen, laserdiodes, nucleaire stralingsdetectoren. DE = 1.43 eV, waarmee de kracht van de instrumenten vergroot in vergelijking met silicium. Bros, bevat meer onzuiverheden, is ingewikkeld in de fabricage.

- ZnS, zinksulfide - zinkzout van waterstofsulfide met een bandgaping van 3,54 en 3,91 eV, wordt gebruikt in lasers en als fosfor.

- SnS, tin sulfide is een halfgeleider gebruikt in fotoresistors en fotodiodes, dE = 1,3 en 10 eV.

oxiden

Metalen oxiden zijn overwegend uitstekende isolatoren, maar er zijn uitzonderingen. Voorbeelden van halfgeleiders van dit type zijn nikkeloxide, koperoxide, kobaltoxide, koperdioxide, ijzeroxide, europiumoxide, zinkoxide. Aangezien koperdioxide in de vorm van een cuprietmineraal bestaat, zijn de eigenschappen ervan intensief bestudeerd. De procedure voor het kweken van halfgeleiders van dit type is nog niet volledig begrepen, daarom is de toepassing ervan nog steeds beperkt. De uitzondering is zinkoxide (ZnO), verbinding 2-6 groepen, gebruikt als omzetter en bij de productie van plakbandjes en pleisters.

De situatie veranderde drastisch nadat supergeleidbaarheid in veel verbindingen van koper en zuurstof werd ontdekt. De eerste hoge temperatuur supergeleider, ontdekt door Mueller en Bednorz, was een verbinding op basis van een La ₂ CuO ₄ halfgeleider met een energiekloof van 2 eV. Door het trivalente lanthaan te vervangen door bivalent barium of strontium, worden de dragers van de gatlading in de halfgeleider geïntroduceerd. Het bereiken van de benodigde gatconcentratie converteert La ₂ CuO ₄ in een supergeleider. Op dit moment behoort de hoogste temperatuur van de overgang naar de supergeleidende toestand van de samengestelde HgBaCa2Cu3O8. Bij hoge druk is de waarde 134 K.

ZnO, zinkoxide, gebruikt in varistors, blauwe LED's, gas sensoren, biologische sensoren, venster coatings om infrarood licht te reflecteren, als geleider in LCD-displays en zonnepanelen. DE = 3,37 eV.

Gelaagde kristallen

Dubbele verbindingen zoals lood diiodide, gallium selenide en molybdeen disulfide worden onderscheiden door de gelaagde structuur van het kristal. Covalente bindingen van aanzienlijke sterkte handelen in de lagen, veel sterker dan de van der Waals bindingen tussen de lagen zelf. Halfgeleiders van dit type zijn interessant omdat elektronen zich in lagen quasi-tweedimensionale gedragen. De interactie van de lagen wordt veranderd door atomen van derden te introduceren - door intercalatie.

MoS _2, molybdeen disulfide wordt gebruikt in hoogfrequent detectoren, gelijkrichters, memristors, transistors. DE = 1,23 en 1,8 eV.

Organische Halfgeleiders

Voorbeelden van halfgeleiders op basis van organische verbindingen zijn naftaleen, polyacetyleen (CH2) _n , antraceen, polydiacetylene, ftalocyaniden, polyvinylcarbazool. Organische halfgeleiders hebben een voordeel boven anorganisch: ze zijn makkelijk om de nodige kwaliteiten te geven. Stoffen met geconjugeerde bindingen van het type -C = С-С = hebben een significante optische nonlineariteit en worden daardoor gebruikt in opto-elektronica. Daarnaast worden de energie-break zones van organische halfgeleiders aangepast door een verandering in de samengestelde formule, wat veel makkelijker is dan voor conventionele halfgeleiders. Kristallijne allotropen van fullereen koolstof, grafeen en nanobuizen zijn ook halfgeleiders.

- Fullerene een structuur in de vorm van een gesloten veelvlak convex ugleoroda even aantal atomen. Een dotering fullereen _C60 met een alkalimetaal transformeert in een supergeleider.

- grafietkoolstof monoatomaire laag gevormd is verbonden in een tweedimensionaal hexagonaal rooster. Record heeft geleidbaarheid en de elektronen mobiliteit, hoge stijfheid

- nanobuisjes worden opgerold tot een buis grafiet plaat met een diameter van enkele nanometers. Deze vormen van koolstof hebben grote belofte in nano-elektronica. Afhankelijk van de koppeling kunnen metalen of halfgeleider kwaliteit.

magnetische halfgeleiders

Verbindingen met magnetische ionen europium en mangaan hebben merkwaardige magnetische en halfgeleidende eigenschappen. Voorbeelden van dergelijke halfgeleiders - europium sulfide, selenide europium en vaste oplossingen, zoals Cd _{1-x x} Mn Te. Het gehalte van de magnetische ionen beïnvloedt zowel stoffen vertonen magnetische eigenschappen, zoals ferromagnetisme en antiferromagnetisme. Semimagnetic halfgeleiders - een hard magnetisch halfgeleiders oplossingen magnetische ionen in lage concentratie bevat. Dergelijke vaste oplossingen aan te trekken de aandacht van uw prospect en een groot potentieel van mogelijke toepassingen. Bijvoorbeeld, in tegenstelling tot de niet-magnetische halfgeleiders, kunnen ze een miljoen keer groter Faradayrotatie bereiken.

Sterke magneto effecten van magnetische halfgeleiders mogelijk het gebruik voor optische modulatie. Perovskieten zoals Mn Ca _{0,7 0,3} O _3, de eigenschappen superieur aan metaal-halfgeleider overgang, die directe afhankelijkheid van het magnetische veld leidt tot het verschijnsel van reusachtige magneto-weerstand. Ze worden gebruikt in radio, optische inrichtingen, die worden bestuurd door een magnetisch veld, een magnetron golfgeleiderinrichtingen.

halfgeleider ferroelektrische

Dit type kristallen wordt gekenmerkt door de aanwezigheid in hun elektrische en momenten optreden van spontane polarisatie. Bijvoorbeeld zijn dergelijke eigenschappen halfgeleiders leiden titanaat _PbTiO3, bariumtitanaat BaTiO _3, germanium telluride, GeTe, tin telluride SNTE, die bij lage temperaturen ferroelektrische eigenschappen. Deze materialen worden gebruikt in niet-lineaire optische, piëzo-elektrische sensoren en geheugeninrichtingen.

Verschillende halfgeleidermaterialen

Naast halfgeleidende bovengenoemde materialen, zijn er vele anderen die niet onder een van deze vormen vallen. Verbindingen met formule 1-3-5 elementen ₂ (AgGaS ₂₎ en 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ een chalcopyriet kristalstructuur. Contact tetraedrische analoge verbindingen halfgeleiders 3-5, 2-6 groepen met zinkblende kristalstructuur. Verbindingen die halfgeleiderelementen 5 en 6 groepen (vergelijkbaar met Al ₂ Se _{3) vormen} - de halfgeleider in de vorm van kristal of glas. Chalcogeniden bismut en antimoon wordt gebruikt in de halfgeleider thermo-elektrische generatoren. De eigenschappen van dit type halfgeleider is zeer interessant, maar ze hebben niet aan populariteit gewonnen als gevolg van de beperkte toepassing. Echter het feit dat ze bestaan, bevestigt de aanwezigheid van nog niet volledig het gebied van halfgeleiderfysica onderzocht.