Ejemplos de semiconductores. Tipos, propiedades, aplicaciones prácticas

El más famoso es el silicio semiconductor (Si). Pero aparte de él, hay muchos otros. Ejemplos de ello son, tales materiales semiconductores naturales como blenda (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PbS) y muchos otros. La familia de los semiconductores, incluyendo semiconductores preparados en laboratorios, representa una de las más diversas clases de materiales conocidos por el hombre.

Caracterización de los semiconductores

De los 104 elementos de la tabla periódica son metales 79, 25 – los elementos no metálicos de la que los 13 elementos químicos poseen propiedades semiconductoras y 12 – dieléctricas. característica de semiconductor principal consiste en que su conductividad aumenta significativamente al aumentar la temperatura. A bajas temperaturas, se comportan como aislantes, ya alta – como conductores. Estos semiconductores son diferentes de metales: resistencia a metales aumenta proporcionalmente al aumento de la temperatura.

Otra diferencia a partir del metal semiconductor es que la resistencia del semiconductor disminuye bajo la influencia de la luz, mientras que en este último el metal no se ve afectada. También la conductividad de los semiconductores varía cuando se administra a una cantidad menor de impureza.

Semiconductores se encuentran entre los compuestos químicos con diferentes estructuras cristalinas. Estos pueden ser elementos tales como silicio y selenio, o compuestos dobles como el arseniuro de galio. Muchos compuestos orgánicos, tales como poliacetileno, (CH) _n, – materiales semiconductores. Ciertos semiconductores exhiben magnético (Cd _1-x Mn _x Te) o propiedades ferroeléctricas (SBSI). Otros aleación con superconductores convertido suficientes (GeTe y _SrTiO3). Muchos de los superconductores de alta temperatura recientemente descubiertos tienen fase semiconductora metálico. Por ejemplo, La ₂ CuO ₄ es un semiconductor, pero la formación de la aleación con Sr convierte sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

los libros de texto de la física dan definición como el material semiconductor con una resistividad eléctrica de entre 10 ^-4 a 10 ⁷ ohmios · m. Tal vez una definición alternativa. La anchura de la banda prohibida del semiconductor – de 0 a 3 eV. Metales y semimetales – un material con brecha de energía cero, y la sustancia en la que se excede W eV llamados aisladores. Hay excepciones. Por ejemplo, un diamante semiconductor tiene una amplia prohibido eV zona 6, de un semi-aislante GaAs – 1,5 eV. GaN, un material para dispositivos optoelectrónicos en la región azul, tiene una anchura de banda prohibida de 3,5 eV.

la brecha de energía

orbitales de valencia de los átomos en la red cristalina se dividen en dos grupos de niveles de energía – una zona libre, situada en el nivel más alto, y determina la conductividad eléctrica de los semiconductores, y la banda de valencia, a continuación. Estos niveles, dependiendo de la simetría de la estructura reticular del cristal y átomos pueden cruzarse o estar separados entre sí. En el último caso hay una brecha de energía, o en otras palabras, entre las zonas de banda prohibida.

La ubicación y el nivel de llenado se determina por las propiedades conductoras del material. De acuerdo con esta sustancia característica dividido por los conductores, aislantes y semiconductores. La anchura de la banda prohibida del semiconductor varía 0,01-3 eV, la brecha de energía del dieléctrico de 3 eV. Metales debido a la superposición de los niveles de energía no son huecos.

Semiconductores y aislantes, a diferencia de los metales, los electrones se llenan banda de valencia y la zona libre más cercano, o la banda de conducción, la energía de valencia está cercado de ruptura – porción de energías prohibidas de electrones.

En dieléctricos energía térmica o campo eléctrico despreciable no es suficiente para hacer el salto a través de este hueco, los electrones no están sujetas a la banda de conducción. Son incapaces de moverse a través de la red cristalina y se convierten en portadores de la corriente eléctrica.

Para energizar la conductividad eléctrica, un electrón en el nivel de valencia se debe dar la energía, lo que sería suficiente para superar la brecha de energía. Sólo cuando la cantidad de absorción de energía no es menor que el valor de la brecha de energía, pasará desde el nivel de electrón de valencia en el nivel de conducción.

En ese caso, si la anchura de la brecha de energía excede 4 eV, conductividad semiconductor irradiación de excitación o de calentamiento es prácticamente imposible – la energía de excitación de los electrones en la temperatura de fusión no es suficiente para saltar la brecha de energía a través de la zona. Cuando se calienta, el cristal se funde antes de la conductividad electrónica. Tales sustancias incluyen cuarzo (de = 5,2 eV), diamante (de = 5,1 eV), muchas sales.

Extrínseca e intrínseca semiconductor de conductividad

cristales netas semiconductores tienen una conductividad intrínseca. Tales semiconductores nombres propios. semiconductor intrínseco contiene un número igual de agujeros y electrones libres. Al calentar conductividad intrínseca de semiconductores aumenta. A temperatura constante, hay una condición de equilibrio dinámico cantidad de pares electrón-hueco generados y el número de recombinación de electrones y agujeros, que permanecen constantes en estas condiciones.

La presencia de impurezas afecta significativamente la conductividad eléctrica de los semiconductores. Adición de ellos permite aumentar en gran medida el número de electrones libres en un pequeño número de agujeros y aumentar el número de agujeros con un pequeño número de electrones en el nivel de conducción. semiconductores de impureza – los conductores que tienen la conductividad impureza.

Las impurezas son fácilmente donar electrones se llaman donante. impurezas donantes pueden ser elementos químicos con los átomos, los niveles de valencia que contienen más electrones que los átomos del material de base. Por ejemplo, el fósforo y bismuto – unas impurezas donantes de silicio.

La energía necesaria para el salto de un electrón en la región de conducción, se llama energía de activación. semiconductor de impurezas necesita mucho menos de lo que el material de base. Con un ligero calentamiento o luz predominantemente liberado electrones de los átomos de los semiconductores de impureza. Lugar dejado el átomo tiene un electrón-hueco. Sin embargo, la recombinación electrón-hueco no tiene lugar. agujero de donantes conductividad es insignificante. Esto se debe a una pequeña cantidad de átomos de impurezas no permiten electrones libres a menudo más cerca del agujero y para sostenerlo. Los electrones son algunos agujeros, pero no son capaces de llenarlos debido al nivel insuficiente de energía.

Un aditivo ligero donante impureza varios órdenes aumenta el número de electrones de conducción en comparación con el número de electrones libres en el semiconductor intrínseco. Los electrones aquí – los principales portadores de cargas atómicas de semiconductores impureza. Estas sustancias pertenecen a los semiconductores de tipo n.

Las impurezas que se unen electrones del semiconductor, aumentando el número de agujeros en ella, llamados aceptor. impurezas aceptoras son elementos químicos con un menor número de electrones en el nivel de valencia de la base del semiconductor. El boro, galio, indio – impureza aceptor en silicio.

Las características de la semiconductor dependen de sus defectos de la estructura cristalina. Esto hace que la necesidad de crecimiento de cristales de gran pureza. Los parámetros de la conducción de semiconductores controlados por la adición de agentes de dopado. cristales de silicio dopado con fósforo (elemento subgrupo V) que es un donante para crear silicio de cristal de tipo n. Para el cristal con un aceptor de boro de tipo p de silicio administrada. Semiconductores compensados nivel de Fermi para moverlo hacia el centro de la brecha de banda creada de esta manera.

semiconductores de un solo elemento

El semiconductor más común es, por supuesto, de silicio. Junto con Alemania, fue el prototipo de una clase grande de semiconductores que tienen estructuras cristalinas similares.

Estructura cristalina de Si y Ge son los mismos que la del diamante y α-estaño. Se rodean cada átomo de 4 átomos más próximos que forman un tetraedro. Dicha coordinación se llama cuatro veces. Cristales tetradricheskoy base de acero de bonos para la industria electrónica y juegan un papel clave en la tecnología moderna. Algunos de los elementos V y VI de la tabla periódica grupo son también semiconductores. Ejemplos de este tipo de semiconductores – fósforo (P), azufre (S), selenio (Se) y telurio (Te). Estos semiconductores pueden ser átomos triples (P), disustituido (S, Se, Te) o una coordinación de cuatro veces. Como resultado de ello pueden existir tales elementos en varias diferentes estructuras cristalinas, y también se pueden preparar en forma de cristal. Por ejemplo, Se cultiva en las estructuras de cristal monoclínico y trigonales o como una ventana (que también puede ser considerado como un polímero).

– Diamond tiene una excelente conductividad térmica, excelentes propiedades mecánicas y ópticas, alta resistencia mecánica. El ancho de la brecha de energía – dE = 5,47 eV.

– Silicon – semiconductor que se utiliza en las células solares, y forma amorfa, – en una película delgada de células solares. Es el más utilizado en las células solares de semiconductores, fácil de fabricar, tiene buenas propiedades eléctricas y mecánicas. dE = 1,12 eV.

– germanio – semiconductor utilizado en la espectroscopía de rayos gamma, las células solares de alto rendimiento. Se utiliza en los primeros diodos y transistores. Se requiere menos limpieza que el silicio. dE = 0,67 eV.

– Selenio – un semiconductor, que se utiliza en los rectificadores de selenio que tienen una alta resistencia a la radiación y la capacidad de curarse a sí mismo.

compuestos de dos elementos

Propiedades de los semiconductores formados elementos 3 y 4 de los grupos de la tabla periódica se asemejan a las propiedades de los compuestos 4 grupos. La transición de los 4 grupos de elementos a compuestos 3-4 gr. Se hace que la comunicación en parte porque iónicos electrones de transporte de carga de un átomo a átomo 3 Grupo 4 Grupo. Ionicidad cambia las propiedades de los semiconductores. Se produce un aumento de la estructura de bandas de electrones brecha energía de interacción de energía y ion-ion Coulomb. Ejemplo compuestos binarios de este tipo – antimoniuro de indio, InSb, GaAs de arseniuro de galio, galio antimonide GaSb, fosfuro de indio InP, antimoniuro de aluminio ALSB, fosfuro de galio Gap.

Ionicidad aumenta y su valor crece más grupos en los compuestos 2-6 compuestos, tales como seleniuro de cadmio, sulfuro de zinc, sulfuro de cadmio, telururo de cadmio, seleniuro de zinc. Como resultado, la mayoría de los compuestos 2-6 grupos prohibido banda más ancha de 1 eV, excepto los compuestos de mercurio. Mercurio Telluride – sin semiconductor de energía, semi-metal, como α-estaño.

Semiconductores 2-6 grupos con un mayor intervalo de energía encuentran uso en la producción de láseres y pantallas. grupos binarios 6 2- compuestos con una energía de brecha estrechado adecuado para receptores de infrarrojos. Los compuestos binarios de elementos de los grupos 1-7 (CuBr cuproso bromuro, AgI de yoduro de plata, cloruro de cobre CuCl) debido a la alta ionicidad tienen más ancho de banda prohibida W eV. Ellos en realidad no los semiconductores y aislantes. El crecimiento de cristales de anclaje de energía debido a Coulomb interacción interiónica facilita átomos de estructuración de sal con sexto orden, en lugar de la coordenada cuadrática. Compuestos 4-6 grupos – sulfuro, el telururo de plomo, sulfuro de estaño – como semiconductores. Ionicidad de estas sustancias también promueve la coordinación formación de seis veces. Mucho no ionicidad excluye la presencia tienen una muy estrechos intervalos de banda, que pueden ser utilizados para recibir la radiación infrarroja. nitruro de galio – unos grupos de compuestos 3-5 con una amplia brecha de energía, encuentran aplicación en láseres semiconductores y diodos emisores de luz que funcionan en la parte azul del espectro.

– GaAs, arseniuro de galio – en la demanda después de que el segundo semiconductor de silicio se usa comúnmente como un sustrato para otros conductores, por ejemplo, GaInNAs y InGaAs, en infrarrojo setodiodah, transistores de alta frecuencia y circuitos integrados, las células solares de alta eficiencia, diodos láser, los detectores de cura nuclear. dE = 1,43 eV, lo que mejora los dispositivos de potencia en comparación con el silicio. Quebradizo, contiene más impurezas difíciles de fabricar.

– ZnS, sulfuro de cinc – sal de zinc del sulfuro de hidrógeno con las zonas de banda prohibida y 3,54 3,91 eV, utilizados en láseres y como fósforo.

– SnS, sulfuro de estaño – semiconductor que se utiliza en fotorresistores y fotodiodos, dE = 1,3 y 10 eV.

óxidos

Los óxidos metálicos son preferiblemente excelentes aislantes, pero hay excepciones. Ejemplos de este tipo de semiconductores – óxido de níquel, óxido de cobre, óxido de cobalto, dióxido de cobre, óxido de hierro, óxido de europio, óxido de zinc. Puesto que el dióxido de cobre existe como el cuprite mineral, sus propiedades se estudiaron intensivamente. El procedimiento para el cultivo de este tipo de semiconductor aún no está del todo claro, por lo que su uso es todavía limitada. Una excepción es óxido de zinc (ZnO), grupos de compuestos 2-6, se utiliza como el transductor y en la producción de cintas adhesivas y yesos.

La situación cambió drásticamente después de la superconductividad fue descubierta en muchos compuestos de cobre con oxígeno. La primera superconductor de alta temperatura abrir Bednorz y Muller, fue semiconductor compuesto basa en La ₂ CuO _4, la brecha de energía de 2 eV. Sustituyendo divalente trivalente de lantano, bario o estroncio, introducido en los portadores de carga semiconductor de agujeros. El logro de la concentración de huecos necesarios hace de La ₂ CuO ₄ superconductor. En este momento, la temperatura más alta de la transición al estado superconductor pertenece compuesto HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. A alta presión, su valor es de 134 K.

ZnO, se utiliza varistor de óxido de zinc, diodos emisores de luz azul, sensores de gas, sensores biológicos, recubrimientos ventanas para reflejar la luz infrarroja, como un conductor en pantallas LCD y las baterías solares. dE = 3,37 eV.

cristales estratificados

compuestos dobles como el plomo diyoduro, seleniuro de galio y disulfuro de molibdeno difieren estructura cristalina en capas. Las capas son enlaces covalentes de una fuerza considerable, mucho más fuertes que los enlaces de van der Waals entre las propias capas. Semiconductores tal tipo son interesantes debido a que los electrones se comportan en capas de un cuasi-bidimensional. Interacción de capas se cambia mediante la introducción de átomos de fuera – intercalación.

_MoS2, disulfuro de molibdeno se utiliza en los detectores de alta frecuencia, rectificadores, memristor, transistores. dE = 1,23 y 1,8 eV.

semiconductores orgánicos

Ejemplos de semiconductores sobre la base de compuestos orgánicos – naftaleno, poliacetileno _{(CH2) n,} antraceno, polidiacetileno, ftalotsianidy, polivinilcarbazol. Los semiconductores orgánicos tienen una ventaja sobre los no orgánicos: son fáciles de impartir la calidad deseada. Las sustancias con enlaces conjugados forman -C = C-C = poseen sustancial no linealidad óptica y, debido a esto, en la optoelectrónica aplicadas. Además, el compuesto semiconductor orgánico de banda prohibida de energía de la fórmula varían cambio que mucho más fácil que la de los semiconductores convencionales. alótropos cristalinos de fullerenos de carbono, grafeno, nanotubos – también semiconductores.

– fullereno tiene una estructura en forma de un poliedro convexo cerrado ugleoroda número par de átomos. Un dopaje fullereno C ₆₀ con un metal alcalino lo transforma en un superconductor.

– se forma capa monoatómico grafito de carbono, está conectado en una red hexagonal de dos dimensiones. Registro tiene la conductividad y la movilidad de los electrones, de alta rigidez

– Los nanotubos se enrollan en una placa de grafito tubo que tiene un diámetro de varios nanómetros. Estas formas de carbono tienen una gran promesa en la nanoelectrónica. Dependiendo del acoplamiento puede ser de calidad metálico o semiconductor.

semiconductores magnéticos

Los compuestos con iones magnéticos de europio y manganeso tienen propiedades magnéticas y semiconductoras curiosos. Ejemplos de este tipo de semiconductores – sulfuro de europio, europio seleniuro y soluciones sólidas, tales Cd _1-x Mn _x Te. El contenido de los iones magnéticos afecta tanto a sustancias exhiben propiedades magnéticas tales como ferromagnetismo y antiferromagnetismo. semiconductores Semimagnetic – es un duro soluciones de semiconductores magnéticos que contienen iones magnéticos en baja concentración. Tales soluciones sólidas atraen la atención de su cliente potencial y un gran potencial de aplicaciones posibles. Por ejemplo, en contraste con los semiconductores no magnéticos, pueden alcanzar un millón de veces más grandes rotación de Faraday.

efectos magneto fuertes de semiconductores magnéticos permiten su uso para la modulación óptica. Perovskitas, como Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, sus propiedades son superiores a los metales de transición semiconductor, que dependencia directa de los resultados de campo magnético en el fenómeno de la gigante magneto-resistividad. Se utilizan en radio, dispositivos ópticos, que son controlados por un campo magnético, unos dispositivos de guía de ondas de microondas.

ferroeléctricos semiconductores

Este tipo de cristales se caracteriza por la presencia en sus momentos eléctricos y la aparición de polarización espontánea. Por ejemplo, tales propiedades son semiconductores de titanato de plomo _PbTiO3, titanato de bario BaTiO _3, teluro de germanio, GeTe, estaño teluro de SnTe, que a bajas temperaturas tiene propiedades ferroeléctricas. Estos materiales se utilizan en, sensores piezoeléctricos ópticos no lineales y dispositivos de memoria.

Una variedad de materiales semiconductores

Además de los materiales semiconductores mencionados anteriormente, hay muchas otras que no caen bajo uno de estos tipos. Los compuestos de fórmula 1-3-5 elementos ₂ (AgGaS ₂₎ y 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ forman una estructura de cristal de calcopirita. Contacto compuestos tetraédricos semiconductores análogos 3-5 y 2-6 grupos con una estructura de cristal de blenda de zinc. Los compuestos que forman elementos semiconductores 5 y 6 grupos (similares a As ₂ Se _3), – el semiconductor en forma de cristal o vidrio. Calcogenuros de bismuto y el antimonio se utilizan en los generadores termoeléctricos semiconductor. Las propiedades de este tipo de semiconductor es muy interesante, pero no han ganado popularidad debido a la aplicación limitada. Sin embargo, el hecho de que existen, confirma la presencia de todavía no investigado completamente el campo de la física de los semiconductores.