Contoh semikonduktor. Jenis, sifat, aplikasi praktis

Yang paling terkenal adalah silikon semikonduktor (Si). Tapi selain dari dia, ada banyak orang lain. Contohnya adalah alami, bahan semikonduktor seperti blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PbS) dan banyak lainnya. Keluarga semikonduktor, termasuk semikonduktor disiapkan di laboratorium, merupakan salah satu kelas paling beragam bahan yang dikenal manusia.

Karakterisasi semikonduktor

Dari 104 unsur dari tabel periodik adalah logam 79, 25 - nonlogam dari mana 13 unsur kimia memiliki sifat semikonduktor dan 12 - dielektrik. Fitur semikonduktor utama terdiri dalam konduktivitas mereka meningkat secara signifikan dengan meningkatnya suhu. Pada suhu rendah, mereka berperilaku seperti isolator, dan pada tinggi - sebagai konduktor. semikonduktor ini berbeda dari logam: resistansi logam meningkatkan secara proporsional dengan kenaikan suhu.

Perbedaan lain dari logam semikonduktor adalah bahwa perlawanan dari semikonduktor menurun di bawah pengaruh cahaya, sementara di kedua logam tidak terpengaruh. Juga konduktivitas semikonduktor bervariasi bila diberikan untuk sejumlah kecil pengotor.

Semikonduktor ditemukan di antara senyawa kimia dengan struktur kristal yang berbeda. Ini mungkin unsur-unsur seperti silikon dan selenium, atau senyawa ganda seperti gallium arsenide. Banyak senyawa organik, seperti polyacetylene, (CH) _n, - bahan semikonduktor. semikonduktor tertentu menunjukkan magnetik (Cd _1-x Mn _x Te) atau sifat feroelektrik (SBSI). Lain paduan dengan menjadi superkonduktor yang cukup (Gete dan SrTiO _3). Banyak dari superkonduktor suhu tinggi baru ditemukan memiliki fase logam semikonduktor. Misalnya, La ₂ CuO ₄ adalah semikonduktor, tetapi pembentukan paduan dengan Sr menjadi sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

buku pelajaran fisika memberikan definisi sebagai bahan semikonduktor dengan tahanan listrik dari dari 10 ^-4 sampai 10 ⁷ ohm · m. Mungkin definisi alternatif. Lebar pita terlarang dari semikonduktor - dari 0 sampai 3 eV. Logam dan semimetals - bahan dengan celah energi nol, dan substansi yang melebihi W eV disebut isolator. Ada pengecualian. Sebagai contoh, berlian semikonduktor memiliki lebar dilarang zona 6 eV, semi-isolasi GaAs - 1,5 eV. GaN, bahan untuk perangkat optoelektronik di wilayah biru, memiliki lebar pita terlarang dari 3,5 eV.

celah energi

Valence orbital atom dalam kisi kristal dibagi menjadi dua kelompok tingkat energi - zona bebas, terletak di tingkat tertinggi, dan menentukan konduktivitas listrik semikonduktor, dan pita valensi, di bawah ini. tingkat ini, tergantung pada simetri struktur kisi kristal dan atom dapat berpotongan atau diberi jarak dari satu sama lain. Dalam kasus terakhir ada celah energi, atau dengan kata lain, antara zona pita terlarang.

Lokasi dan tingkat mengisi ditentukan oleh sifat konduktif material. Menurut substansi fitur ini dibagi dengan konduktor, isolator, dan semikonduktor. Lebar pita terlarang dari semikonduktor bervariasi 0,01-3 eV, celah energi dari dielectric dari 3 eV. Logam karena tumpang tindih tingkat kesenjangan energi tidak.

Semikonduktor dan isolator, berbeda dengan logam, elektron dipenuhi pita valensi dan zona bebas terdekat, atau pita konduksi, energi valensi dipagari dari pecahnya - porsi energi dilarang elektron.

Dalam dielektrik energi panas atau medan listrik diabaikan tidak cukup untuk membuat lompatan melalui celah ini, elektron tidak tunduk pada pita konduksi. Mereka tidak mampu bergerak melalui kisi kristal dan menjadi pembawa arus listrik.

Untuk energi konduktivitas listrik, sebuah elektron di tingkat valensi harus diberi energi, yang akan cukup untuk mengatasi kesenjangan energi. Hanya ketika jumlah penyerapan energi tidak lebih kecil dari nilai celah energi, akan melewati dari tingkat elektron valensi pada tingkat konduksi.

Dalam hal ini, jika lebar celah energi melebihi 4 eV, konduktivitas semikonduktor iradiasi eksitasi atau pemanasan hampir tidak mungkin - energi eksitasi elektron pada suhu leleh tidak cukup untuk melompat kesenjangan energi melalui zona. Ketika dipanaskan, kristal mencair sebelum konduktivitas elektronik. zat tersebut termasuk kuarsa (dE = 5,2 eV), diamond (dE = 5,1 eV), banyak garam.

Ekstrinsik dan intrinsik konduktivitas semikonduktor

kristal semikonduktor Net memiliki konduktivitas intrinsik. semikonduktor seperti nama yang tepat. semikonduktor intrinsik mengandung jumlah yang sama lubang dan elektron bebas. Ketika pemanasan konduktivitas intrinsik semikonduktor meningkat. Pada suhu konstan, ada kondisi jumlah keseimbangan dinamis dari pasangan elektron-lubang yang dihasilkan dan jumlah mengkombinasikan elektron dan lubang, yang tetap konstan di bawah kondisi ini.

Kehadiran kotoran secara signifikan mempengaruhi konduktivitas listrik semikonduktor. Menambahkan mereka memungkinkan sangat meningkatkan jumlah elektron bebas di sejumlah kecil lubang dan meningkatkan jumlah lubang dengan sejumlah kecil elektron pada tingkat konduksi. semikonduktor pengotor - konduktor memiliki konduktivitas pengotor.

Kotoran mudah menyumbangkan elektron disebut donor. kotoran donor mungkin unsur kimia dengan atom, tingkat valensi yang mengandung lebih elektron dari atom dari bahan dasar. Sebagai contoh, fosfor dan bismuth - sebuah kotoran silikon donor.

Energi yang dibutuhkan untuk melompat dari sebuah elektron di wilayah konduksi, disebut energi aktivasi. Pengotor semikonduktor perlu banyak kurang dari itu dari bahan dasar. Dengan pemanasan sedikit atau cahaya didominasi dibebaskan elektron dari atom semikonduktor pengotor. Tempatkan meninggalkan atom mengambil lubang elektron. Namun lubang rekombinasi elektron tidak terjadi. konduktivitas lubang donor diabaikan. Hal ini karena sejumlah kecil atom pengotor tidak memungkinkan elektron bebas sering lebih dekat dengan lubang dan untuk menahannya. Elektron beberapa lubang, tetapi tidak mampu untuk mengisi mereka karena tingkat energi tidak mencukupi.

Sebuah aditif donor pengotor sedikit beberapa pesanan meningkatkan jumlah elektron konduksi dibandingkan dengan jumlah elektron bebas dalam semikonduktor intrinsik. Elektron di sini - pembawa utama dari biaya atom semikonduktor pengotor. Zat-zat ini termasuk ke dalam tipe-n semikonduktor.

Kotoran yang mengikat elektron dari semikonduktor, meningkatkan jumlah lubang di dalamnya, yang disebut akseptor. kotoran akseptor adalah elemen kimia dengan jumlah yang lebih kecil dari elektron pada tingkat valensi dari dasar semikonduktor. Boron, gallium, indium - akseptor pengotor dalam silikon.

Karakteristik semikonduktor tergantung pada cacat struktur kristal. Hal ini menyebabkan perlunya tumbuh kristal yang sangat murni. Parameter konduksi semikonduktor dikendalikan oleh penambahan dopan. kristal silikon didoping dengan fosfor (V elemen subkelompok) yang merupakan donor untuk membuat silikon kristal tipe-n. Untuk kristal dengan boron akseptor silikon tipe-p diberikan. Semikonduktor kompensasi tingkat Fermi untuk memindahkannya ke tengah celah pita dibuat dengan cara ini.

semikonduktor tunggal-elemen

Semikonduktor yang paling umum adalah, tentu saja, silikon. Bersama dengan Jerman, ia adalah prototipe dari kelas besar semikonduktor yang memiliki struktur kristal yang sama.

Struktur kristal Si dan Ge adalah sama seperti yang dari berlian dan α-timah. Ini mengelilingi setiap atom 4 atom terdekat yang membentuk tetrahedron. Koordinasi tersebut disebut empat kali. Kristal tetradricheskoy obligasi dasar baja untuk industri elektronik dan memainkan peran kunci dalam teknologi modern. Beberapa elemen V dan VI dari kelompok tabel periodik juga semikonduktor. Contoh dari jenis semikonduktor - fosfor (P), sulfur (S), selenium (Se) dan telurium (Te). semikonduktor ini mungkin atom triple (P), Disubstituted (S, Se, Te) atau koordinasi empat kali lipat. Akibatnya elemen seperti bisa eksis di beberapa struktur kristal yang berbeda, dan juga disiapkan dalam bentuk kaca. Misalnya, Se tumbuh dalam struktur kristal monoklinik dan trigonal atau sebagai jendela (yang juga dapat dianggap sebagai polimer).

- Diamond memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, sifat mekanik dan optik yang sangat baik, kekuatan mekanik yang tinggi. Lebar celah energi - dE = 5,47 eV.

- Silicon - semikonduktor digunakan dalam sel surya, dan bentuk amorf, - dalam film tipis sel surya. Ini adalah yang paling digunakan dalam sel surya semikonduktor, mudah untuk memproduksi, memiliki sifat listrik dan mekanik yang baik. dE = 1,12 eV.

- Germanium - semikonduktor yang digunakan dalam spektroskopi gamma-ray, kinerja tinggi sel surya. Digunakan dalam dioda pertama dan transistor. Hal ini membutuhkan pembersihan kurang dari silikon. dE = 0,67 eV.

- Selenium - semikonduktor, yang digunakan dalam rectifier selenium memiliki ketahanan radiasi yang tinggi dan kemampuan untuk menyembuhkan dirinya sendiri.

Senyawa dua-elemen

Sifat Semikonduktor membentuk elemen 3 dan 4 dari kelompok tabel periodik menyerupai sifat senyawa 4 kelompok. Transisi dari 4 kelompok elemen untuk senyawa 3-4 gr. Itu membuat komunikasi sebagian karena ion elektron biaya transportasi dari atom ke atom 3 Grup 4 Grup. Ionicity mengubah sifat semikonduktor. Hal ini menyebabkan peningkatan celah energi struktur pita elektron Coulomb energi dan ion-ion interaksi. CONTOH senyawa biner dari jenis ini - indium antimonide, InSb, GaAs gallium arsenide, gallium antimonide GaSb, indium phosphide InP, aluminium antimonide AlSb, gallium phosphide GaP.

Ionicity meningkat dan nilainya tumbuh kelompok-kelompok yang lebih dalam senyawa 2-6 senyawa, seperti kadmium selenide, seng sulfida, sulfida kadmium, kadmium telluride, selenide seng. Akibatnya, mayoritas senyawa 2-6 kelompok dilarang pita lebar dari 1 eV, kecuali senyawa merkuri. Mercury Telluride - tanpa energi gap semikonduktor, semi-logam, seperti α-timah.

Semikonduktor 2-6 kelompok dengan penggunaan menemukan celah energi yang lebih besar dalam produksi laser dan menampilkan. kelompok biner 6 2- senyawa dengan energi celah menyempit cocok untuk penerima inframerah. senyawa biner dari unsur kelompok 1-7 (tembaga bromida CuBr, AgI perak iodida, tembaga klorida CuCl) karena Ionicity tinggi memiliki luas celah pita W eV. Mereka tidak benar-benar semikonduktor, dan isolator. pertumbuhan kristal penahan energi karena Coulomb interaksi interionic memfasilitasi atom penataan garam dengan pesanan keenam, bukan kuadrat koordinat. Senyawa 4-6 kelompok - sulfida, telluride timbal, timah sulfida - sebagai semikonduktor. Ionicity zat ini juga mempromosikan koordinasi pembentukan enam kali lipat. Banyak Ionicity tidak menghalangi kehadiran mereka memiliki kesenjangan band yang sangat sempit, mereka dapat digunakan untuk menerima radiasi inframerah. Gallium nitrida - sebuah kelompok senyawa 3-5 dengan celah energi lebar, menemukan aplikasi dalam laser semikonduktor dan dioda pemancar cahaya yang beroperasi di bagian biru dari spektrum.

- GaAs, gallium arsenide - pada permintaan setelah semikonduktor silikon kedua umumnya digunakan sebagai substrat untuk konduktor lain, misalnya, GaInNAs dan InGaAs, di setodiodah inframerah, transistor frekuensi tinggi dan IC, sel surya yang sangat efisien, dioda laser, detektor penyembuhan nuklir. dE = 1,43 eV, yang meningkatkan daya perangkat dibandingkan dengan silikon. Rapuh, berisi lebih kotoran sulit untuk memproduksi.

- ZnS, seng sulfida - garam seng hidrogen sulfida dengan zona pita terlarang dan 3,54 3,91 eV, yang digunakan dalam laser dan sebagai fosfor.

- SNS, timah sulfide - semikonduktor digunakan dalam photoresistors dan foto dioda, dE = 1,3 dan 10 eV.

oksida

Oksida logam yang lebih disukai adalah isolator yang sangat baik, tetapi ada pengecualian. Contoh dari jenis semikonduktor - oksida nikel, tembaga oksida, kobalt oksida, tembaga dioksida, oksida besi, europium oksida, seng oksida. Sejak tembaga dioksida ada sebagai cuprite mineral, sifat-sifatnya dipelajari secara intensif. Prosedur untuk budidaya jenis semikonduktor belum sepenuhnya jelas, sehingga penggunaannya masih terbatas. Pengecualian adalah seng oksida (ZnO), kelompok senyawa 2-6, digunakan sebagai transduser dan dalam produksi pita perekat dan plester.

Situasi berubah secara dramatis setelah superkonduktivitas ditemukan di banyak senyawa tembaga dengan oksigen. Pertama superkonduktor suhu tinggi, terbuka Bednorz dan Muller, adalah senyawa semikonduktor berdasarkan La ₂ CuO _4, celah energi dari 2 eV. Mengganti divalen trivalen lantanum, barium atau strontium, diperkenalkan ke pembawa muatan semikonduktor lubang. Mencapai konsentrasi lubang yang diperlukan membuat La ₂ CuO ₄ superkonduktor. Pada saat ini, suhu tertinggi dari transisi ke negara superkonduktor milik senyawa HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Pada tekanan tinggi, nilainya adalah 134 K.

ZnO, varistor seng oksida digunakan, biru dioda pemancar cahaya, sensor gas, sensor biologis, pelapis jendela untuk memantulkan cahaya inframerah, sebagai konduktor dalam display LCD dan baterai surya. dE = 3,37 eV.

kristal berlapis

senyawa ganda seperti timah diiodide, gallium selenide dan molibdenum disulfida berbeda struktur kristal berlapis. Lapisan yang ikatan kovalen kekuatan yang cukup besar, jauh lebih kuat daripada ikatan van der Waals antara lapisan sendiri. Semikonduktor tipe tersebut menarik karena elektron berperilaku lapisan kuasi-dua-dimensi. Interaksi lapisan diubah dengan memperkenalkan atom luar - interkalasi.

MOS _2, molibdenum disulfida digunakan dalam detektor frekuensi tinggi, rectifier, memristor, transistor. dE = 1,23 dan 1,8 eV.

semikonduktor organik

Contoh semikonduktor atas dasar senyawa organik - naftalena, polyacetylene (CH _{2) n,} antrasena, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. semikonduktor organik memiliki keuntungan lebih dari non-organik: mereka mudah untuk memberikan kualitas yang diinginkan. Zat dengan ikatan konjugasi membentuk -C = C-C = memiliki substansial optik non-linearitas dan, karena ini, di Optoelektronik diterapkan. Selain itu, energi celah pita semikonduktor majemuk organik dari formula bervariasi perubahan yang jauh lebih mudah daripada semikonduktor konvensional. alotrop kristal fullerene karbon, graphene, nanotube - juga semikonduktor.

- Fullerene memiliki struktur dalam bentuk tertutup cembung polyhedron ugleoroda bahkan jumlah atom. Sebuah doping fullerene C ₆₀ dengan logam alkali berubah menjadi superkonduktor.

- lapisan grafit karbon monoatomik terbentuk, terhubung dalam kisi heksagonal dua dimensi. Rekam memiliki konduktivitas dan mobilitas elektron, kekakuan tinggi

- Nanotubes digulung menjadi pelat tabung grafit memiliki diameter beberapa nanometer. Bentuk-bentuk karbon memiliki janji besar di nanoelectronics. Tergantung pada kopling mungkin logam atau semikonduktor kualitas.

semikonduktor magnetik

Senyawa dengan ion magnetik dari europium dan mangan memiliki penasaran magnetik dan semikonduktor sifat. Contoh dari jenis semikonduktor - sulfida europium, selenide europium dan solusi yang solid, seperti Cd _1-x Mn _x Te. Isi dari ion magnetik mempengaruhi kedua zat menunjukkan sifat magnetik seperti ferromagnetism dan antiferromagnetisme. semikonduktor Semimagnetic - adalah hard magnetik semikonduktor solusi yang mengandung ion magnetik dalam konsentrasi rendah. larutan padat seperti menarik perhatian prospek Anda dan potensi besar dari aplikasi mungkin. Misalnya, berbeda dengan semikonduktor non-magnetik, mereka bisa mencapai satu juta kali lebih besar Faraday rotasi.

efek magnetooptical kuat semikonduktor magnetik memungkinkan penggunaannya untuk modulasi optik. Perovskites, seperti Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, sifat-sifatnya yang unggul transisi logam-semikonduktor, yang ketergantungan langsung pada hasil medan magnet dalam fenomena raksasa magneto-resistivitas. Mereka digunakan dalam radio, perangkat optik, yang dikendalikan oleh medan magnet, microwave Waveguide perangkat.

ferroelectrics semikonduktor

Tipe kristal ini ditandai dengan kehadiran pada saat-saat listrik dan terjadinya polarisasi spontan. Sebagai contoh, sifat tersebut adalah semikonduktor memimpin titanat PbTiO _3, barium titanat BaTiO _3, telluride germanium, Gete, timah telluride SNTE, yang pada suhu rendah memiliki sifat feroelektrik. Bahan-bahan ini digunakan dalam nonlinear optik, sensor piezoelektrik dan perangkat memori.

Berbagai bahan semikonduktor

Selain bahan semikonduktor yang disebutkan di atas, ada banyak orang lain yang tidak termasuk dalam salah satu jenis. Senyawa-senyawa formula 1-3-5 elemen ₂ (AgGaS ₂₎ dan 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ membentuk struktur kristal kalkopirit. Hubungi senyawa tetrahedral semikonduktor analog 3-5 dan 2-6 kelompok dengan struktur kristal blende seng. Senyawa yang membentuk elemen semikonduktor 5 dan 6 kelompok (mirip dengan As ₂ Se _3), - semikonduktor dalam bentuk kristal atau kaca. Chalcogenides bismut dan antimon digunakan dalam generator semikonduktor thermoelectric. Sifat dari jenis semikonduktor sangat menarik, tapi mereka belum mendapatkan popularitas karena aplikasi terbatas. Namun, fakta bahwa mereka ada, menegaskan kehadiran belum diselidiki sepenuhnya bidang fisika semikonduktor.