Beispiele für Halbleiter. Arten, Eigenschaften, praktische Anwendungen

Das bekannteste ist das Halbleiter-Silizium (Si). Aber abgesehen von ihm, gibt es viele andere. Beispiele sind natürliche, wie Halbleitermaterialien wie blende (ZnS), Cuprit (Cu ₂ O), Galenit (PbS) und viele andere. Die Familie von Halbleitern, einschließlich Halbleiter in Laboratorien hergestellt, stellt eine der verschiedensten Klassen von Materialien auf den Menschen bekannt.

Charakterisierung von Halbleitern

Der 104 Elemente des Periodensystems sind Metalle 79, 25 – Nichtmetalle , aus denen die 13 chemische Elemente besitzen Halbleitereigenschaften und 12 – Dielektrikum. Halbleiter-Hauptmerkmal besteht darin, dass deren Leitfähigkeit erhöht deutlich mit steigender Temperatur. Bei niedrigeren Temperaturen verhalten sie sich wie Isolatoren, und bei hohen – als Leiter. Diese Halbleiter sind verschieden von Metall: Metall Widerstand steigt proportional zur Erhöhung der Temperatur.

Ein weiterer Unterschied von der Halbleitermetall ist, dass der Widerstand des Halbleiters unter dem Einfluss von Licht abnimmt, während in dem letzteren das Metall nicht beeinträchtigt wird. Auch die Leitfähigkeit von Halbleitern verändert, wenn auf eine geringe Menge an Verunreinigungen, verabreicht.

Halbleiter wird unter chemischen Verbindungen mit verschiedenen Kristallstrukturen gefunden. Diese können Elemente wie Silizium und Selen oder Doppelverbindungen sein, wie etwa Galliumarsenid. Viele organische Verbindungen, wie Polyacetylen, (CH) _n, – Halbleitermaterialien. Bestimmte Halbleiter weisen magnetisch (Cd _1-x Mn _x Te) oder ferroelektrischen Eigenschaften (SbSI). Andere Legierungs mit ausreichendem werden Supraleiter (GeTe und SrTiO _3). Viele der neu entdeckten Hochtemperatursupraleiter haben metallischen Halbleiter-Phase. So ist beispielsweise La ₂ CuO ₄ ein Halbleiter, aber die Bildung der Legierung mit Sr sverhrovodnikom wird (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Lehrbücher geben Definition als Halbleitermaterial mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10 ^-4 bis 10 ⁷ Ohm · m. Vielleicht eine alternative Definition. Die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters – von 0 bis 3 eV. Metalle und Halbmetalle – ein Material mit Null-Energielücke und der Substanz, in der sie genannt W eV Isolator übersteigt. Es gibt Ausnahmen. Zum Beispiel hat ein Halbleiterdiamant einen breiten verbotene Zone 6 eV, ein halbisolierendes GaAs – 1,5 eV. GaN, ein Material für optoelektronische Bauelemente im blauen Bereich, hat eine verbotene Bandbreite von 3,5 eV.

die Energielücke

Valenzorbitale der Atome im Kristallgitter werden in zwei Gruppen von Energieniveaus geteilt – eine Freizone, auf der höchsten Ebene befindet, und bestimmt die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern und dem Valenzband, unten. Diese Ebenen, abhängig von der Symmetrie der Kristallgitterstruktur und Atome können sich kreuzen oder voneinander beabstandet sein. Im letzteren Fall ist eine Energielücke, oder in anderen Worten, zwischen den verbotenen Bandzonen.

Die Lage und der Füllstand wird durch die leitenden Eigenschaften des Materials bestimmt. Gemäß diesem Merkmal Substanz durch die Leiter, Isolatoren geteilt, und Halbleiter. Die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters variiert 0,01-3 eV, die Energielücke des Dielektrikums als 3 eV. Metalle wegen der Überlappung der Energielücken Ebenen nicht.

Teil verbotener Energien der Elektronen – Halbleiter und Isolatoren, im Gegensatz zu Metallen, die Elektronen Valenzband gefüllt sind und die nächste freie Zone oder das Leitungsband ist die Valenz Energie aus Ruptur abgesperrten.

In Dielektrika thermische Energie oder vernachlässigbaren elektrisches Feld nicht ausreicht, um den Sprung, durch diesen Spalt zu machen, werden die Elektronen in das Leitungsband nicht unterworfen. Sie sind nicht in der Lage, durch das Kristallgitter zu bewegen und werden Träger des elektrischen Stroms.

Um die elektrische Leitfähigkeit, die ein Elektron im Valenzniveau Energie sollte die Energie gegeben werden, die ausreichen würde, die Energielücke zu überwinden. Nur wenn die Menge der Energieabsorption nicht kleiner als der Wert der Energielücke ist, wird von der Valenzelektronenniveau auf der Leitungsebene übergeben.

In diesem Fall, wenn die Breite der Energielücke 4 eV übersteigt, ist die Leitfähigkeit Halbleiteranregungsbestrahlung oder Erwärmung praktisch unmöglich – die Anregungsenergie der Elektronen bei der Schmelztemperatur nicht ausreichend ist, um die Energielücke durch die Zone zu springen. Beim Erhitzen schmilzt der Kristall vor der elektronischen Leitfähigkeit. Solche Substanzen umfassen Quarz (dE = 5,2 eV), Diamant (dE = 5,1 eV), viele Salze.

Extrinsischer und intrinsischer Leitfähigkeitshalbleiter

Net Halbleiterkristalle besitzen eine intrinsische Leitfähigkeit. Solche Halbleiter Eigennamen. Intrinsischer Halbleiter enthält eine gleiche Anzahl von Löchern und freien Elektronen. Beim Erwärmen intrinsische Leitfähigkeit von Halbleitern erhöht. Bei konstanter Temperatur gibt es einen Zustand der dynamischen Gleichgewicht Menge der erzeugten Elektron-Loch-Paare und die Anzahl der zu rekombinieren Elektronen und Löcher, die unter diesen Bedingungen konstant bleiben.

Die Anwesenheit von Verunreinigungen beeinflusst signifikant die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern. Hinzufügen von ihnen erlaubt deutlich die Anzahl der freien Elektronen bei einer kleinen Anzahl von Löchern und erhöhen die Anzahl der Löcher mit einer kleinen Anzahl von Elektronen im Leitungsebene zu erhöhen. Störstellen-Halbleiter – der Leiter die Verunreinigungs Leitfähigkeit.

Verunreinigungen werden leicht sind spenden Elektronen Spender genannt. Donatorverunreinigungen chemische Elemente mit den Atomen sein, wobei die Wertigkeitsstufen, die mehr Elektronen als die Atome des Grundmaterials enthalten. Zum Beispiel, Phosphor und Wismut – ein Silizium Donatorverunreinigungen.

Die Energie für den Sprung eines Elektrons im Leitungsbereich erforderlich ist, wird die Aktivierungsenergie bezeichnet. Störstellenhalbleiter benötigen viel weniger davon als das Grundmaterial. Mit einer leichten Erwärmung oder Licht überwiegend Elektronen der Atome der Verunreinigungshalbleiter befreit. Legen Sie links das Atom ein Elektron-Loch nimmt. Aber die Elektron-Loch-Rekombination findet nicht statt. Spenderlochleitfähigkeit vernachlässigbar. Dies liegt daran, eine geringe Menge an Fremdatomen erlaubt keine freien Elektronen in das Loch oft näher und es zu halten. Elektronen sind einige Löcher, sind aber nicht in der Lage, sie aufgrund unzureichenden Energieniveau zu füllen.

Eine leichte additive Donatorverunreinigung mehr Aufträge erhöht die Anzahl der Leitungselektron im Vergleich mit der Anzahl von freien Elektronen in dem intrinsischen Halbleiter. Elektronen hier – die Hauptträger von Atomladungen von Verunreinigungs Halbleiter. Diese Stoffe gehören zu dem n-Halbleiter.

Verunreinigungen, die Elektronen des Halbleiters, eine Erhöhung der Anzahl von Löchern darin binden, genannt Akzeptor. Acceptor Verunreinigungen sind chemische Elemente mit einer kleineren Anzahl von Elektronen in der Wertigkeitsstufe als die Basis des Halbleiters. Bor, Gallium, Indium – Akzeptor-Verunreinigung in Silizium.

Die Eigenschaften des Halbleiters sind auf seiner Kristallstruktur Defekten abhängig. Dies bewirkt, dass die Notwendigkeit der wachsenden extrem reinen Kristallen. Die Parameter der Halbleiter-Leitung durch die Zugabe von Dotierungsmitteln gesteuert. Siliziumkristalle mit Phosphor (V Subgruppe Elemente) dotiert ist, welche ein Donor-Siliziumeinkristall vom n-Typ zu schaffen. Für Kristall mit einem p-Typ-Silizium-Bor-Akzeptor verabreicht. Halbleiter-Fermi-Niveau kompensiert sie in die Mitte der Bandlücke auf diese Weise geschaffen zu bewegen.

Einzelelement-Halbleiter

Der gebräuchlichste Halbleiter ist, natürlich, Silizium. Zusammen mit Deutschland, er war der Prototyp einer großen Klasse von Halbleitern, die ähnlichen Kristallstrukturen aufweisen.

Struktur Kristall Si und Ge sind die gleichen wie die von Diamant und α-tin. Es umgibt jedes Atom 4 den nächsten Atomen, die einen Tetraeders bilden. Eine solche Koordinierung wird viermal genannt. Kristalle tetradricheskoy Bindung Stahlbasis für die Elektronikindustrie und eine wichtige Rolle in der modernen Technologie spielen. Einige der Elemente V und VI des Periodensystems der Gruppe sind auch Halbleiter. Beispiele für diese Art von Halbleitern – Phosphor (P), Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te). Diese Halbleiter können triple Atome sein (P), zweifach (S, Se, Te) oder eine vierfache Koordination. Als Ergebnis solcher Elemente können in mehreren verschiedenen kristallinen Strukturen vorhanden sind, und auch in Form von Glas hergestellt werden. Zum Beispiel Ich in monokliner und trigonalen Kristallstrukturen oder als Fenster (die auch als ein Polymer angesehen werden) gezüchtet.

– Diamond hat ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit, gute mechanische und optische Eigenschaften, eine hohe mechanische Festigkeit auf. Die Breite der Energielücke – DE = 5,47 eV.

– Silicon – Halbleiter in Solarzellen verwendet wurde, und amorphe Form, – in einer Dünnfilm-Solarzellen. Es ist die am häufigsten verwendete in der Halbleiter-Solarzellen, einfach herzustellen hat eine gute elektrische und mechanische Eigenschaften. dE = 1,12 eV.

– Germanium -, die in dem Halbleitergammastrahlenspektroskopie, Hochleistungssolarzellen. Verwendet in den ersten Dioden und Transistoren. Es erfordert weniger Reinigung als Silizium. dE = 0,67 eV.

– Selen – ein Halbleiter, der in den Selen-Gleichrichter mit einem hohen Strahlungswiderstand und die Fähigkeit, sich selbst zu heilen verwendet wird.

Zweielementverbindungen

Eigenschaften von Halbleitern gebildet Elemente 3 und 4 des Periodensystems der Gruppen ähneln die Eigenschaften der Verbindungen 4 Gruppen. Der Übergang von den 4 Gruppen von Elementen 3-4 gr auf Verbindungen. Es macht die Kommunikation teilweise, weil ionische Ladungstransport Elektronen aus einem Atom 3 Gruppe 4 Gruppe Atom darstellen. Ionizität verändert die Eigenschaften von Halbleitern. Es bewirkt eine Erhöhung der Coulomb-Energie und Ion-Ion-Wechselwirkung Energielücke Elektronenbandstruktur. BEISPIEL binären Verbindungen dieser Art – Indiumantimonid, InSb, Galliumarsenid GaAs, GaSb Galliumantimonid, Indiumphosphid InP, AlSb Aluminiumantimonid, Galliumphosphid GaP.

Ionizität erhöht und sein Wert wächst mehr Gruppen in Verbindungen 2-6 Verbindungen, wie Cadmiumselenid, Zinksulfid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid, Zinkselenid. Als Ergebnis Band breiter als 1 eV, außer Quecksilberverbindungen verboten die Mehrheit der Verbindungen 2-6 Gruppen. Quecksilber-Tellurid – ohne Energielücke Halbleiter, Halbmetall, wie α-tin.

Halbleiter 2-6 Gruppen mit einer größeren Energielücke findet Verwendung bei der Herstellung von Lasern und Displays. Binärgruppen 6 2- Verbindung mit einer verengten Spaltenergie geeignet für Infrarot-Empfänger. Binäre Verbindungen von Elementen der Gruppen 1-7 (Kupferbromid CuBr, AgI Silberiodid, Kupferchlorid CuCl) aufgrund der hohen Ionizität haben breitere Bandlücke W eV. Sie tun es nicht wirklich Halbleiter und Isolatoren. Kristallwachstum Energie durch Coulomb – Wechselwirkung interionische Verankerung erleichtert Strukturierung Atom Salz mit sechster Ordnung, anstelle der quadratischen zu koordinieren. Verbindungen 4-6 Gruppen – Sulfid, Blei-Tellurid, Zinn-Sulfid – als Halbleiter. Ionizität dieser Substanzen fördert auch die Bildung Sechsfache Koordination. Viele lonizität die Anwesenheit nicht aus, dass sie haben eine sehr schmalen Bandlücken, können sie zur Aufnahme von Infrarotstrahlung verwendet werden. Galliumnitrid – eine Verbindung , Gruppen 3-5 mit einer breiten Energielücke, findet Anwendung in Halbleiterlasern und lichtemittierenden Dioden , die in dem blauen Teil des Spektrums arbeiten.

– GaAs, Galliumarsenid – bei Bedarf nach dem zweiten Siliziumhalbleiter als Substrat für die anderen Leiter, beispielsweise GaInNAs und InGaAs, in setodiodah Infrarot, Hochfrequenz-Transistoren und ICs, hocheffiziente Solarzellen, Laserdioden, Detektoren von Kern Heilung verwendet. dE = 1,43 eV, die die Leistungsvorrichtungen verbessert wie bei Silizium verglichen. Spröde, enthält mehr Verunreinigungen schwierig herzustellen.

– ZnS, Zinksulfid – Zinksalz von Schwefelwasserstoff mit den verbotenen Bandzonen und 3,54 3,91 eV, in Laser und als Leuchtstoff verwendet wird.

– SnS, Zinnsulfid – Halbleiter in Fotowiderstände und Fotodioden verwendet, dE = 1,3 und 10 eV.

Oxide

Die Metalloxide sind vorzugsweise ausgezeichnete Isolatoren, aber es gibt Ausnahmen. Beispiele für diese Art von Halbleitern – Nickeloxid, Kupferoxid, Kobaltoxid, Kupfer dioxid, Eisenoxid, Europiumoxid, Zinkoxid. Da Kupfer-Dioxid als Mineral cuprite vorhanden ist, wurden seine Eigenschaften intensiv untersucht. Das Verfahren für den Anbau dieser Art von Halbleiter ist noch nicht ganz klar, so dass ihre Verwendung ist nach wie vor begrenzt. Eine Ausnahme ist Zinkoxid (ZnO), Verbindungsgruppen 2-6, wird als Wandler und bei der Herstellung von Klebebändern und Pflastern verwendet.

Die Situation änderte sich dramatisch, nachdem die Supraleitung in vielen Verbindungen von Kupfer mit Sauerstoff entdeckt wurde. Die ersten Hochtemperatur – Supraleiter öffnen Bednorz und Müller wurde Verbindungshalbleiter auf Basis von La ₂ CuO _4, die Energielücke von 2 eV. Substituieren zweiwertige dreiwertige Lanthan, Barium oder Strontium, in die Halbleiterladungsträger Löcher eingeführt. die notwendige Lochkonzentration zu erreichen , macht La ₂ CuO ₄ Supraleiter. Zu diesem Zeitpunkt zählt die höchste Temperatur des Übergangs zum supraleitenden Zustand HgBaCa ₂ Cu ₃ O _{8 Verbindung.} Bei hohem Druck, wird der Wert 134 K.

ZnO, Zinkoxid-Varistor ist, blaues Licht emittierende Dioden, Gassensoren, biologische Sensoren, Beschichtungen Fenster zu reflektieren Infrarotlicht, als Leiter in LCD-Displays und Solarbatterien verwendet. dE = 3,37 eV.

geschichtete Kristalle

Doppelverbindungen wie Diiodid Blei, Gallium und Selenid Molybdändisulfid geschichtete Kristallstruktur unterscheiden. Die Schichten sind kovalente Bindungen von beträchtlicher Stärke, viel stärker als die Van – der – Waals – Bindungen zwischen den Schichten selbst. Halbleiter dieser Art ist interessant, weil die Elektronen in Schichten eines quasi-zweidimensionalen verhalten. Interkalation – Wechselwirkung von Schichten wird durch Einleiten von Außen Atom verändert.

MoS _2, ist Molybdändisulfid in Hochfrequenz – Detektoren, Gleichrichter verwendet, memristor Transistoren. dE = 1,23 und 1,8 eV.

organischer Halbleiter

Beispiele von Halbleitern auf der Basis von organischen Verbindungen , – Naphthalin, Polyacetylen (CH _{2) n,} Anthracen, Polydiacetylen, ftalotsianidy, Polyvinylcarbazol. Organische Halbleiter haben einen Vorteil gegenüber nicht-organisch: sie sind einfach die gewünschte Qualität zu verleihen. Substanzen mit konjugierten Bindungen bilden -C = C-C = besitzen wesentliche optische Nichtlinearität und aufgrund dieser, angewendet in der Optoelektronik. Darüber hinaus variiert die Energiebandlücke organische Halbleiterverbindung der Formel Änderung, die viel einfacher als die der herkömmlichen Halbleiter. Kristalline Kohlenstoffallotrope Fullerene, Graphen, Nanoröhren – auch Halbleiter.

– Fullerene hat eine Struktur in Form eines geschlossenen konvexen Polyeders ugleoroda gerade Anzahl von Atomen. Ein Dotierungs Fulleren C ₆₀ mit einem Alkalimetall wandelt sie in einem Supraleiter.

– Graphit-Kohlenstoff einatomigen Schicht gebildet wird, wird in einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter verbunden. Aufzeichnung hat Leitfähigkeit und die Elektronenmobilität, hohe Steifigkeit

– Nanoröhrchen werden in ein Rohr gerollt Graphitplatte mit einem Durchmesser von mehreren Nanometern aufweist. Diese Formen von Kohlenstoff haben große Versprechen in der Nanoelektronik. In Abhängigkeit von der Kopplung kann metallische oder Halbleiter Qualität sein.

magnetischer Halbleiter

Verbindungen mit magnetischen Ionen von Europium und Mangan haben gespannt magnetische und Halbleitereigenschaften. Beispiele für diese Art von Halbleitern – Europium – Sulfid, Selenid Europium und festen Lösungen, wie Cd _1-x Mn _x Te. Der Gehalt der magnetischen Ionen beeinflusst beiden Substanzen magnetische Eigenschaften, wie Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus aufweisen. Halbmagnetischen Halbleiter – sind eine harte magnetischen Halbleiter-Lösungen, die magnetischen Ionen in niedriger Konzentration enthält. Solche festen Lösungen die Aufmerksamkeit Ihrer Aussicht und ein großes Potenzial für mögliche Anwendungen. Zum Beispiel, im Gegensatz zu den nichtmagnetischen Halbleitern, können sie eine Million mal größer Faraday Rotation erreichen.

Starke magneto-optische Effekte des magnetischen Halbleiters ermöglichen ihre Verwendung für die optische Modulation. Perovskite, wie Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, sind seine Eigenschaften überlegen Metall-Halbleiter – Übergang, die eine direkte Abhängigkeit von den Magnetfeld führt zu dem Phänomen der giant magneto-Widerstand. Sie werden in Funk, optische Vorrichtungen verwendet, die durch ein Magnetfeld gesteuert werden, kann eine Mikrowellenwellenleitervorrichtungen.

Halbleiter-Ferroelektrika

Dieses Typ-Kristalle wird durch die Anwesenheit in ihren elektrischen Momenten und das Auftreten der spontanen Polarisation charakterisiert. Zum Beispiel können solche Eigenschaften sind Halbleiter – Titanat PbTiO _3, Bariumtitanat BaTiO _3, Germanium – Tellurid, GeTe, SnTe Zinntellurid, die bei niedrigen Temperaturen haben ferroelektrische Eigenschaften führen. Diese Materialien werden in nicht-linearen optischen, piezoelektrische Sensoren und Speichervorrichtungen eingesetzt.

Eine Vielzahl von Halbleitermaterialien

Neben Halbleitermaterialien, die oben erwähnt, gibt es viele andere, die unter einem dieser Typen nicht fallen. Verbindungen der Formel 1-3-5 Elemente ₂ (AGGAS ₂₎ und 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ eine Chalkopyrit – Kristallstruktur. Kontakt tetraedrische Verbindungen analog Halbleiter 3-5 und 2-6 Gruppen mit einer Zinkblende-Kristallstruktur. Verbindungen , die Halbleiterelemente 5 und 6 Gruppen (ähnlich wie As ₂ Se _3), bilden , – die Halbleiter in Form von Quarz oder Glas. Chalkogenide von Bismut und Antimon in Halbleiterthermoelektrischen Generatoren eingesetzt. Die Eigenschaften dieser Art von Halbleiter sind sehr interessant, aber sie haben nicht besonders beliebt aufgrund der begrenzten Anwendung gewonnen. Die Tatsache jedoch, dass sie existieren, bestätigt das Vorhandensein von noch nicht vollständig in den Bereich der Halbleiterphysik untersucht.