Shembuj të gjysmëpërçuesve. Llojet, pronat, aplikimet praktike

Më i famshëm është gjysmëpërçues silic (Si). Por përveç tij, ka shumë të tjerë. Shembujt janë të natyrshme, këto materiale gjysmëpërçues si BLENDE (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), Galena (PBS) dhe shumë të tjerë. Familja e Gjysem perçuesit, duke përfshirë Gjysem perçuesit përgatitura në laboratorë, përbën një nga klasat më të ndryshme të materialeve të njohura për njeriun.

Karakterizimi i gjysmëpërçuesve

Nga 104 elementeve të tabelës periodike janë metale 79, 25 - jometaleve nga të cilat 13 elementet kimike posedojnë pronat e gjysmë përcjellëse dhe 12 - dielektrike. Tipari kryesor gjysmëpërçues konsiston në atë që përçueshmëria e tyre rritet në mënyrë të konsiderueshme me rritjen e temperaturës. Në temperatura të ulëta, ata sillen si izolatorëve, dhe në të lartë - si përçues. Këto gjysmëpërçuesve janë të ndryshme nga metali: rezistenca metalike rritet proporcionalisht me rritjen e temperaturës.

Një tjetër ndryshim nga metali gjysmëpërçues është se rezistenca e gjysmëpërçues ul nën ndikimin e dritës, ndërsa në të fundit metali nuk është prekur. Gjithashtu përçueshmëri e gjysmëpërçuesve ndryshon kur administrohen në një sasi të vogël të papastërtisë.

Gjysem janë gjetur në mesin e komponimeve kimike me struktura të ndryshme kristal. Këta mund të jenë të elemente të tilla si silikon dhe selen, ose komponimet e dyfishtë të tilla si galium arsenide. Shumë komponimeve organike, si poliacetilen, (CH) _n, - materialeve gjysmëpërçues. Caktuara gjysmëpërçuesve shfaqin magnetik (CD _1-x Mn _x Te) ose vetive ferroelectric (SBSI). aliazhi të tjera me të bëhen të superpërcjellsave të mjaftueshme (Gete dhe SrTiO _3). Shumë nga superconductors zbuluara rishtazi të lartë temperaturë të ketë fazë metalike gjysmë përcjellëse. Për shembull, La ₂ Cuo ₄ është një gjysmëpërçues, por formimi i aliazh me Sr bëhet sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} Cuo _4.

Tekstet Fizikë japin përkufizimin si material gjysmëpërçues me një rezistencë elektrike nga 10 ^-4 10 ⁷ ohms · m. Ndoshta një përkufizim alternativ. Gjerësia e intervalit të ndaluar e gjysmëpërçues - nga 0 deri në 3 eV. Metale dhe semimetals - një material me zero hendek të energjisë, dhe substancës në të cilën ajo tejkalon W eV quajtur izolatorëve. Ka përjashtime. Për shembull, një diamant gjysmëpërçues ka ndaluar të gjerë zone 6 eV, një gjysmë-izolues GaAs - 1,5 Ev. Gan, një material për pajisjet Optoelectronic në rajon blu, ka një gjerësi ndaluar band prej 3.5 eV.

hendeku i energjisë

Valence orbitalet e atomeve në grilë kristal janë të ndarë në dy grupe të niveleve të energjisë - një zonë të lirë, i vendosur në nivelin më të lartë, dhe përcakton përçueshmëri elektrike të gjysmëpërçuesve, dhe grupi valencë, më poshtë. Këto nivele, në varësi të simetri e strukturës grilë kristal dhe atomet mund të ndërpritet ose të spaced nga njëri-tjetri. Në rastin e fundit ka një hendek të energjisë, ose me fjalë të tjera, në mes zonave të ndaluara band.

niveli mbushje Vendndodhja dhe përcaktohet nga pronat përçueshëm e materialit. Sipas kësaj substance funksion ndarë nga përçuesit, izolatorëve dhe gjysmëpërçuesve. Gjerësia e brezit penguan nga gjysmëpërçues ndryshon 0.01-3 eV, hendeku energjinë e dielektrike se 3 eV. Metale për shkak të mbivendosjes së niveleve të zbrazëtirave të energjisë nuk janë.

Gjysem perçuesit dhe izolatorëve, në kontrast me metale, elektronet janë të mbushura band valencë dhe zonën më të afërt e lirë, ose grupi përçueshmëri, energjia valence është rrethuar nga këputje - pjesa e energjive të ndaluara të elektroneve.

Në dielectrics energjisë termike ose fusha të papërfillshme elektrike nuk është e mjaftueshme për të bërë të kërcejnë përmes këtij hendeku, elektronet nuk janë subjekt band përçueshmëri. Ata janë në gjendje për të lëvizur nëpërmjet hekurave të kristal dhe të bëhen bartës të rrymës elektrike.

Për të aktivizoj përçueshmëri elektrike, një elektron në nivel valencë duhet t'i jepet e energjisë, e cila do të jetë e mjaftueshme për të kapërcyer hendekun e energjisë. Vetëm kur shuma e absorbimit të energjisë nuk është më e vogël se vlera e hendekut të energjisë, do të kalojë nga niveli elektron valencë në nivel përçueshmëri.

Në këtë rast, në qoftë se gjerësia e hendekut energjetik tejkalon 4 eV, përçueshmëri gjysmëpërçues ngacmim rrezatim ose ngrohjes është praktikisht e pamundur - energjia ngacmim i elektroneve në temperaturën e shkrirjes nuk është e mjaftueshme për të kërcejnë e hendekut energjetik përmes zonës. Kur të nxehtë, kristal shkrihet para përçueshmëri elektronike. Substanca të tilla përfshijnë kuarc (DE = 5,2 eV), diamanti (DE = 5,1 eV), shumë kripëra.

Jokarakteristik dhe brendshme përçueshmëria gjysmëpërçues

Kristal neto gjysmëpërçues kanë përçueshmëri të brendshme. Gjysem perçuesit tilla emrat e duhur. gjysmëpërçues brendshëm përmban një numër të barabartë të vrimave dhe elektroneve të lira. Kur ngrohja përçueshmërisë brendshme e gjysmëpërçuesve rritet. Në temperaturë konstante, nuk është një kusht i shumës dinamike ekuilibruese të krijuara çifte elektron-vrimë dhe numri i elektroneve rekombinuese dhe vrima, të cilat mbeten konstante në këto kushte.

Prania e papastërtitë ndikon ndjeshëm përçueshmëri elektrike të gjysmëpërçuesve. Shtimi i tyre në masë të madhe i lejon rritjen e numrit të elektroneve të lira në një numër të vogël të vrimave dhe për të rritur numrin e vrimave me një numër të vogël të elektroneve në nivelin e përçueshmëri. Gjysem papastërti - përçuesit kanë përçueshmëri papastërti.

Papastërtitë janë lehtësisht të dhurojnë elektronet janë quajtur nga donatorët. papastërtitë donator mund të jenë elemente kimike me atomet, niveleve valencë që përmbajnë më shumë se elektroneve atomet e materialit bazë. Për shembull, fosfor dhe bismut - një papastërti silic donatorëve.

Energjia e nevojshme për të kërcejnë e një elektron në rajon përçueshmëri, quhet energji aktivizimi. Papastërti gjysmëpërçues nevojë për një shumë më pak nga ajo se materialit bazë. Me një ngrohje lehte ose dritës çlirohet kryesisht elektrone të atomeve të gjysmëpërçuesve papastërtia. Vendin e la atomi merr një vrimë elektron. Por rekombinimit vrimë elektron nuk ndodh. përçueshmëri vrimë donatorëve është i papërfillshëm. Kjo është për shkak se një sasi e vogël e atomeve pastrimit nuk lejojnë elektrone të lirë shpesh afër vrimë dhe për të mbajtur atë. Elektronet janë disa vrima, por nuk janë në gjendje për të mbushur ato për shkak të nivelit të pamjaftueshëm të energjisë.

Një shtesë të vogël nga donatorët papastërti disa urdhra rrit numrin e elektroneve përçueshmëri në krahasim me numrin e elektroneve të lira në gjysmëpërçues brendshëm. Elektronet këtu - bartësit kryesorë të akuzave atomike të Gjysem perçuesit papastërtia. Këto substanca përkasin gjysmëpërçuesve n-tipit.

Papastërtitë që i lidhin elektronet e gjysmëpërçues, duke rritur numrin e vrimave në të, të quajtur pranuesin. papastërtitë pranuesit, elementet kimike me një numër më të vogël të elektroneve në nivelin valencë se baza e gjysmëpërçues. Bor, galium, indium - pranuesi papastërti në silikonit.

Karakteristikat e gjysmëpërçues janë të varur nga defektet e saj strukturë kristal. Kjo shkakton nevojën e në rritje kristaleve jashtëzakonisht të pastër. Parametrat e përcjelljeve gjysmëpërçues të kontrolluara nga shtimin e dopants. Kristal silikon dopuar me fosfor (element nëngrup V), e cila është një donator për të krijuar silikon kristal N-lloji. Për kristalit me nje pranuesi p-type silic administruara bor. Gjysem kompensuar nivelin Fermi për të lëvizur atë në mes të hendekut band krijuar në këtë mënyrë.

gjysmëpërçuesve vetme-element

Gjysmëpërçues më e zakonshme është, natyrisht, silic. Së bashku me Gjermaninë, ai ishte prototipi i një klasë të madhe të gjysmëpërçuesve që kanë struktura të ngjashme kristal.

kristal strukturë Si dhe Ge janë të njëjtë me atë të diamanti dhe α-kallaji. Ajo rrethojnë secili atom 4 atome të afërta të cilat formojnë një katërkëndësh. koordinimi i tillë quhet katër herë. Kristal tetradricheskoy bazë çeliku lidhja për industrinë elektronike dhe të luajë një rol kyç në teknologjinë moderne. Disa prej elementeve V dhe VI te grupit periodik tabela janë gjithashtu gjysmëpërçuesve. Shembuj të këtij lloj gjysmëpërçuesve - fosfor (P), squfuri (S), selen (Se) dhe tellurium (Te). Këto gjysmëpërçuesve mund të jetë atome treshe (P), dizëvendësuar (S, Se, Te) ose një koordinimi katër-fish. Si rezultat elemente të tilla mund të ekzistojnë në disa struktura të ndryshme kristaltë, dhe gjithashtu të jenë të përgatitur në formën e qelqit. Për shembull, Se rritur në strukturat monoclinic dhe trigonal kristal ose si një dritare (e cila mund të konsiderohet si një polimer).

- Diamond ka përçueshmëri të shkëlqyer termike, veti të shkëlqyera mekanike dhe optike, forca të lartë mekanike. Gjerësia e hendekut energjetik - dE = 5,47 eV.

- Silicon - gjysmëpërçues përdoren në qelizat diellore, dhe formë amorfe, - Në një hollë-film qeliza diellore. Kjo është më e përdorur në qeliza diellore gjysmëpërçues, të lehtë për të prodhuar, ka veti të mira elektrike dhe mekanike. dE = 1,12 eV.

- Germanium - gjysmëpërçues përdorur në spektroskopia gama-rrezeve, të lartë të performancës qelizat diellore. Përdoret në diodes parë dhe transistorëve. Ajo kërkon më pak pastrim se silikonit. dE = 0,67 eV.

- Selenium - një gjysmëpërçues, e cila është përdorur në Ndreqësë selen që kanë një rezistencë të lartë rrezatimi dhe aftësinë për të shëruar veten.

Komponimet me dy element

Properties e gjysmëpërçuesve formuar elementet 3 dhe 4 të grupeve periodike tabela ngjajnë vetitë e komponimeve 4 grupe. Tranzicioni nga 4 grupe të elementeve te komponimeve 3-4 gr. Kjo e bën komunikimin pjesërisht për shkak jonik elektronet transportit të ngarkuar nga një atom për atom 3 Grupi 4 Grupi. Ionicity ndryshon vetitë e gjysmëpërçuesve. Ajo shkakton një rritje të energjisë dhe jon-ion ndërveprimit gap energjisë strukturën Kulombit band elektron. SHEMBULL komponimet binare te kete tip - indium antimonide, InSb, GaAs galium arsenide, galium antimonide gasb, indium fosfid INP, antimonide alumin AlSb, galium fosfid boshllëk.

rritet Ionicity dhe vlera e saj rritet me shume grupe në komponimeve 2-6 komponimet, të tilla si selenid kadmiumit, sulfide zink, kadmium sulfide, kadmiumi Telluride, selenid zinku. Si rezultat, shumica e komponimeve 2-6 grupe ndaluar band të gjerë se 1 eV, përveç komponimet e merkurit. Mercury Telluride - pa gap gjysmëpërçues energjisë, gjysmë-metal, si α-kallaji.

Gjysem 2-6 grupe me një hendek të energjisë gjetur përdorim të madh në prodhimin e lazer dhe tregon. grupet binare 6 2- kompleksi me një energji ngushtuar gap përshtatshëm për marrës infra të kuqe. Komponimet binare e elementeve të grupeve 1-7 (CuBr bakri bromide, AGI jodur argjend, klorid bakri CuCl) për shkak të ionicity lartë kanë të gjerë bandgap W eV. Ata në fakt nuk Gjysem perçuesit, dhe izolatorëve. Rritja e Crystal ankorimin energji për shkak të ndërveprimit interionic Kulombit lehtëson atomet strukturimin kripë me qëllim të gjashtë, në vend të kuadratik koordinuar. Komponimet 4-6 grupe - sulfide, Telluride plumbi tin sulfide - si gjysmëpërçuesve. Ionicity e këtyre substancave gjithashtu nxit koordinimin formimit gjashtë herë. Pjesa më e madhe nuk ionicity përjashton praninë ata kanë një boshllëqe shumë të ngushtë band, ato mund të përdoren për marrjen e rrezatimit infra të kuqe. Galium nitride - një grupe të përbërë 3-5 me një hendek të gjerë të energjisë, të gjejnë aplikim në lazer gjysmëpërçues dhe dritë-emitting diodes operojnë në pjesën blu të spektrit.

- GaAs, galium arsenide - në kërkesën pas gjysmëpërçues dytë silic është përdorur shpesh si një substrat për përçuesve të tjera, për shembull, GaInNAs dhe InGaAs, në infra të kuqe setodiodah, transistorëve frekuencë të lartë dhe ICS, qeliza tepër të efektshme diellore, diodes lazer, detektorë të kurë bërthamore. dE = 1,43 eV, që përmirëson pajisjet e energjisë në krahasim me silikonit. Brishtë, përmban më shumë papastërti të vështira për prodhimin.

- ZnS, zink sulfide - kripë zinku i sulfur hidrogjeni me zonat ndaluara grupit dhe 3.54 3.91 eV, që përdoren në lazer dhe si fosforit.

- dërguese, tin sulfide - gjysmëpërçuese përdoret në photoresistors dhe photodiodes, DE = 1,3 dhe 10 eV.

oksidet

Të oksidet e metaleve mundësisht janë izolatorëve të shkëlqyer, por ka edhe përjashtime. Shembuj të këtij lloj gjysmëpërçuesve - oksid nikel, oksid bakri, oksid kobalt, dioksidit bakri, oksid hekuri, oksid europium, oksid zinku. Që nga dioksidi i bakrit ekziston si cuprite minerale, pronat e tij janë studiuar intensivisht. Procedura për kultivimin e këtij lloji të gjysmëpërçues ende nuk është plotësisht e qartë, kështu që përdorimi i tyre është ende i kufizuar. Përjashtim është oksid zinku (ZnO), grupe të përbëra 2-6, përdoret si dhënës dhe në prodhimin e kaseta ngjitës dhe Llaçe.

Situata ndryshoi në mënyrë dramatike pas superpercjellshmëri u zbulua në shumë komponimet e bakrit me oksigjen. superconductor i pari temperaturë të lartë të hapur Bednorz dhe Muller, u gjysmëpërçues përbërë bazuar në La ₂ Cuo _4, hendekut energjetik të 2 EV. Zëvendësuar divalent trivalente Lanthanum, barium apo stroncium, i futur në transportuesit Akuza gjysmëpërçues të vrima. Arritja përqendrimin e nevojshëm vrimë bën La ₂ Cuo ₄ Superconductor. Në këtë kohë, temperatura më e lartë e tranzicionit për shtetin superconducting takon kompleksit HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Në presion të lartë, vlera e saj është 134 K.

ZnO, oksid zinku varistor është përdorur, diodes blu dritë-emitting, sensorë gazit, sensorë biologjike, veshje dritare për të reflektuar dritën infra të kuqe, si një dirigjent në tregon LCD dhe bateri diellore. dE = 3.37 eV.

Kristal layered

Komponimet dyshe si plumbi diiodide, galium selenid dhe disulfide molibden ndryshojnë strukturën shtresa kristal. Shtresat janë obligacionet kovalente me fuqi të konsiderueshme, më e fortë se bonot e Waals van der mes vetë shtresave. Gjysem lloj të tilla janë interesante, sepse elektronet sillen në shtresa të një kuazi-dy-dimensionale. Bashkëveprimi i shtresave është ndryshuar duke futur atome jashtë - shtojcë.

MSH _2, disulfide molibden është përdorur në detektorë frekuencë të lartë, rectifiers, memristor, transistorëve. dE = 1,23 dhe 1.8 eV.

Gjysem organike

Shembuj të gjysmëpërçuesve mbi bazën e komponimeve organike - naftalinë, poliacetilen _{(CH2) n,} antraceni, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Gjysem organike kanë një avantazh mbi jo-organike: ata janë të lehtë për të kujtoj cilësinë e dëshiruar. Substanca me lidhje të konjuguara të formuar -C = C-C = posedon substanciale optik jo-linearitetin dhe për shkak të kësaj në optoelectronics aplikuar. Për më tepër, grupi hendeku energjisë gjysmëpërçues organik përbërës i formulës ndryshojnë ndryshim që shumë më e lehtë se ajo e gjysmëpërçuesve konvencionale. allotrope kristaltë e fullerenes karbonit, Graphene, nanotubes - gjithashtu gjysmëpërçuesve.

- fullerene ka një strukturë të në formën e një ugleoroda mbyllur shumëfaqësh konveks edhe numri i atomeve. A doping fullerene C ₆₀ me një metali alkali transformon atë në një Superconductor.

- shtresë njëatomësh grafit karbonit është formuar, është i lidhur në një hekurave dy-dimensionale gjashtëkëndor. Record ka përçueshmëri dhe lëvizshmërinë elektronike, ngurtësi e lartë

- Nanotubes janë të mbështjellë në një pjatë tub grafit që ka një diametër prej disa nanometra. Këto forma të karbonit kanë premtim të madh në nanoelectronics. Në varësi të bashkim mund të jetë metalike ose gjysmëpërçuese të cilësisë.

Gjysem magnetike

Komponimet me joneve magnetike Europium dhe mangan kanë kureshtarë magnetike dhe gjysëmpërcjellese veti. Shembuj të këtij lloji të gjysmëpërçuesve - sulfide europium, selenid Europium dhe zgjidhje të ngurta, të tilla Cd _1-x Mn _x Te. Përmbajtja e joneve magnetike ndikon në të dy substanca të shfaqin vetitë magnetike të tilla si ferromagnetism dhe antiferromagnetism. Gjysem Semimagnetic - është e rëndë Gjysmapërçuesit magnetike zgjidhje të cilat përmbajnë joneve magnetike në përqendrim të ulët. zgjidhje të tilla të ngurta të tërhequr vëmendjen e perspektivën tuaj dhe potencialin e madh të aplikimeve të mundshme. Për shembull, në kontrast me gjysmëpërçuesve jo-magnetike, ata mund të arrijnë një milion herë më të mëdha Faraday rotacionin.

Efektet e forta magnetooptical e gjysmëpërçuesve magnetike të lejojë përdorimin e tyre për ulje optik. Perovskites, si Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, pronat e saj janë superiore ndaj tranzicionit metalike-gjysmëpërçues, cila varësi të drejtpërdrejtë në rezultatet magnetike në terren në dukurinë e gjigand magneto-rezistencës. Ato janë përdorur në radio, pajisjet optike, të cilat janë të kontrolluara nga një fushë magnetike, një pajisje mikrovalë waveguide.

ferroelectrics gjysmëpërçues

Ky lloj Kristal karakterizohet nga prania në momentet e tyre elektrike dhe shfaqjes së polarizimit spontan. Për shembull, pronat e tilla janë Gjysem çojnë titanate PbTiO _3, barium titanate BaTiO _3, Telluride germanium, Gete, kallaj Telluride SnTe, e cila në temperatura të ulëta kanë pronat ferroelectric. Këto materiale janë përdorur në optike, sensorë jolineare piezoelectric dhe pajisje të kujtesës.

Një shumëllojshmëri e materialeve gjysmëpërçues

Përveç materialeve gjysmëpërçues të përmendura më lart, ka shumë të tjerë që nuk bien nën një prej këtyre llojeve. Komponime me formule 1-3-5 elemente ₂ (AgGaS ₂₎ dhe 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ të formuar një strukturë chalcopyrite kristal. Kontaktuar komponimeve tetrahedral gjysmëpërcjellesit analoge 3-5 dhe 2-6 grupe me një strukturë BLENDE zinku kristal. Komponimet që formojnë elemente gjysmëpërçues 5 dhe 6 grupet (ngjashëm të Si ₂ Se _3), - gjysmëpërçues në formën e kristalit ose qelqi. Chalcogenides e bismut dhe antinom janë përdorur në gjeneratorë gjysmëpërçues thermoelectric. Pronat e këtij lloji të gjysmëpërçues është jashtëzakonisht interesante, por ata nuk kanë fituar popullaritet për shkak të aplikimit të kufizuar. Megjithatë, fakti që ata ekzistojnë, konfirmon praninë e ende nuk është hetuar plotësisht në fushën e fizikës gjysmëpërçues.