Прыклады паўправаднікоў. Тыпы, ўласцівасці, практычнае прымяненне

Самым вядомым паўправаднікоў з'яўляецца крэмній (Si). Але, акрамя яго, ёсць шмат іншых. Прыкладам могуць служыць такія прыродныя паўправадніковыя матэрыялы, як цынкавая падманка (ZnS), Купрытэ (Cu ₂ O), Гален (PbS) і многія іншыя. Сямейства паўправаднікоў, уключаючы паўправаднікі, сінтэзаваныя ў лабараторыях, уяўляе сабой адзін з найбольш рознабаковых класаў матэрыялаў, вядомых чалавеку.

характарыстыка паўправаднікоў

З 104 элементаў табліцы Мендзялеева 79 з'яўляюцца металамі, 25 - неметаламі, з якіх 13 хімічных элементаў валодаюць паўправадніковымі ўласцівасцямі і 12 - дыэлектрычнымі. Асноўнае адрозненне паўправаднікоў складаецца ў тым, што іх электраправоднасць значна ўзрастае пры павышэнні тэмпературы. Пры нізкіх тэмпературах яны паводзяць сябе падобна дыэлектрыка, а пры высокіх - як правадыры. Гэтым паўправаднікі адрозніваюцца ад металаў: супраціў металу расце прапарцыйна павелічэнню тэмпературы.

Іншым адзнакай паўправадніка ад металу з'яўляецца тое, што супраціў паўправадніка падае пад дзеяннем святла, у той час як на метал апошні не ўплывае. Таксама змяняецца праводнасць паўправаднікоў пры увядзенні нязначнай колькасці прымешкі.

Паўправаднікі сустракаюцца сярод хімічных злучэнняў з разнастайнымі крышталічнымі структурамі. Гэта могуць быць такія элементы, як крэмній і селен, або двайныя злучэння, як арсенід Галіі. Многія арганічныя злучэнні, напрыклад полиацетилен (СН) _n, - паўправадніковыя матэрыялы. Некаторыя паўправаднікі праяўляюць магнітныя (Cd _1-x Mn _x Te) або сегнетаэлектрычных ўласцівасці (SbSI). Іншыя пры дастатковай легіравання становяцца звышправаднікі (GeTe і SrTiO _3). Многія з нядаўна адкрытых высокатэмпературных звышправаднікоў маюць неметалічныя полупроводящие фазы. Напрыклад, La ₂ CuO ₄ з'яўляецца паўправаднікоў, але пры адукацыі сплаву з Sr становіцца сверхроводником (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Падручнікі фізікі даюць паўправаднікоў вызначэнне як матэрыялу з электрычным супрацівам ад 10 ^-4 да 10 ⁷ Ом · м. Магчыма і альтэрнатыўнае вызначэнне. Шырыня забароненай зоны паўправадніка - ад 0 да 3 эв. Металы і полуметалл - гэта матэрыялы з нулявым энергетычным разрывам, а рэчывы, у якіх яна перавышае З эв, называюць ізалятарамі. Ёсць і выключэнні. Напрыклад, паўправадніковы алмаз мае забароненую зону шырынёй 6 эв, полуизолирующий GaAs - 1,5 эв. GaN, матэрыял для оптаэлектронных прыбораў у сіняй вобласці, мае забароненую зону шырынёй 3,5 эв.

энергетычны зазор

Валентныя арбіталь атамаў у крышталічнай рашотцы падзеленыя на дзве групы энергетычных узроўняў - свабодную зону, якая знаходзіцца на вышэйшым узроўні і вызначальную электраправоднасць паўправаднікоў, і валентную зону, якая знаходзіцца ніжэй. Гэтыя ўзроўні, у залежнасці ад сіметрыі рашоткі крышталя і складу атамаў, могуць перасякацца або размяшчацца на адлегласці адзін ад аднаго. У апошнім выпадку паміж зонамі ўзнікае энергетычны разрыў або, іншымі словамі, забароненая зона.

Размяшчэнне і запаўненне узроўняў вызначае электраправоднасць ўласцівасці рэчывы. Па гэтай прыкмеце рэчывы дзеляць на праваднікі, ізалятары і паўправаднікі. Шырыня забароненай зоны паўправадніка вар'іруецца ў межах 0,01-3 эв, энергетычны зазор дыэлектрыка перавышае 3 эв. Металы з-за перакрыцця узроўняў энергетычных парываў не маюць.

Паўправаднікі і дыэлектрыкі, у процівагу металах, маюць запоўненую электронамі валентную зону, а бліжэйшая свабодная зона, ці зона праводнасці, адгароджана ад валентнай энергетычным разрывам - участкам забароненых энергій электронаў.

У дыэлектрыках цеплавой энергіі альбо малаважнага электрычнага поля недастаткова для здзяйснення скачка праз гэты прамежак, электроны ў зону праводнасці ня трапляюць. Яны не здольныя перасоўвацца па крышталічнай рашотцы і станавіцца пераносчыкамі электрычнага току.

Каб абудзіць электраправоднасці, электронных на валентнасці узроўні трэба надаць энергію, якой бы хапіла для пераадолення энергетычнага разрыву. Толькі пры паглынанні колькасці энергіі, не меншай, чым велічыня энергетычнага зазору, электрон пяройдзе з валентнай ўзроўню на ўзровень праводнасці.

У тым выпадку, калі шырыня энергетычнага разрыву перавышае 4 эв, ўзбуджэнне праводнасці паўправадніка апрамяненнем альбо награваннем практычна немагчыма - энергія ўзбуджэння электронаў пры тэмпературы плаўлення аказваецца недастатковай для скачка праз зону энергетычнага разрыву. Пры нагрэве крышталь расплавіцца да ўзнікнення электроннай праводнасці. Да такіх рэчываў ставіцца кварц (dE = 5,2 эв), алмаз (dE = 5,1 эв), многія солі.

Прымесная і ўласная праводнасць паўправаднікоў

Чыстыя паўправадніковыя крышталі маюць уласную праводнасць. Такія паўправаднікі называюцца ўласнымі. Уласны паўправаднік ўтрымлівае роўны лік дзірак і свабодных электронаў. Пры нагрэве ўласная праводнасць паўправаднікоў ўзрастае. Пры пастаяннай тэмпературы ўзнікае стан дынамічнай раўнавагі колькасці якія ўтвараюцца электронна-дзіркавы пар і колькасці рекомбинирующих электронаў і дзірак, якія застаюцца сталымі пры дадзеных умовах.

Наяўнасць прымешак аказвае значны ўплыў на электраправоднасць паўправаднікоў. Даданне іх дазваляе нашмат павялічыць колькасць вольных электронаў пры невялікім ліку дзірак і павялічыць колькасць дзірак пры невялікім ліку электронаў на ўзроўні праводнасці. Прымесных паўправаднікі - гэта праваднікі, якія валодаюць прымеснай праводнасцю.

Прымешкі, якія з лёгкасцю аддаюць электроны, называюцца донорными. Донорными прымешкамі могуць быць хімічныя элементы з атамамі, валентныя ўзроўні якіх ўтрымліваюць большую колькасць электронаў, чым атамы базавага рэчывы. Напрыклад, фосфар і вісмута - гэта донорные прымешкі крэмнію.

Энергія, неабходная для скачка электрона ў вобласць праводнасці, носіць назву энергіі актывізацыі. Прымесных паўправадніка неабходна нашмат менш яе, чым асноўнаму рэчыву. Пры невялікім нагрэве альбо асвятленні вызваляюцца пераважна электроны атамаў прымесных паўправаднікоў. Месца пакінуў атам электрона займае дзірка. Але рэкамбінацыі электронаў у дзіркі практычна не адбываецца. Дзіркавы праводнасць донара нязначная. Гэта адбываецца таму, што малая колькасць атамаў прымешкі не дазваляе свабодным электронам часта набліжацца да дзірцы і займаць яе. Электроны знаходзяцца каля дзірак, але не здольныя іх запоўніць па прычыне недастатковага энергетычнага ўзроўню.

Нязначная дадатак донорной прымешкі на некалькі парадкаў павялічвае лік электронаў праводнасці ў параўнанні з колькасцю вольных электронаў ва ўласным паўправадніку. Электроны тут - асноўныя пераносчыкі зарадаў атамаў прымесных паўправаднікоў. Гэтыя рэчывы адносяць да паўправадніка n-тыпу.

Прымешкі, якія звязваюць электроны паўправадніка, павялічваючы ў ім колькасць дзірак, называюць акцэптарных. Акцэптарных прымешкамі служаць хімічныя элементы з меншай колькасцю электронаў на валентнасці узроўні, чым у базавай паўправадніка. Бор, галій, індый - акцэптарных прымешкі для крэмнію.

Характарыстыкі паўправадніка знаходзяцца ў залежнасці ад дэфектаў яго крышталічнай структуры. Гэта з'яўляецца прычынай неабходнасці вырошчвання гранічна чыстых крышталяў. Параметрамі праводнасці паўправадніка кіруюць шляхам дадання легіруючых прысадак. Крышталі крэмнія легіравальных фосфарам (элемент V падгрупы), які з'яўляецца донарам, каб стварыць крышталь крэмнія n-тыпу. Для атрымання крышталя з дзіркавы праводнасцю ў крэмній ўводзяць акцептор бор. Паўправаднікі з кампенсаваць узроўнем Фермі для перамяшчэння яго ў сярэдзіну забароненай зоны ствараюць падобным чынам.

Одноэлементные паўправаднікі

Самым распаўсюджаным паўправаднікоў з'яўляецца, вядома, крэмній. Разам з Германіяй ён стаў прататыпам шырокага класа паўправаднікоў, якія валодаюць падобнымі структурамі крышталя.

Структура крышталяў Si і Ge тая ж, што ў дыямента і α-волава. У ёй кожны атам атачаюць 4 бліжэйшых атама, якія ўтвараюць Тэтраэдр. Такая каардынацыя называецца чатырохкратнай. Крышталі з тетрадрической сувяззю сталі базавымі для электроннай прамысловасці і гуляюць ключавую ролю ў сучаснай тэхналогіі. Некаторыя элементы V і VI групы табліцы Мендзялеева таксама з'яўляюцца паўправаднікамі. Прыклады паўправаднікоў гэтага тыпу - фосфар (Р), сера (S), селен (Se) і теллур (Тыя). У гэтых паўправадніках атамы могуць мець трохкратную (Р), двухразовы (S, Se, Тыя) або чатырохразовую каардынацыю. У выніку падобныя элементы могуць існаваць у некалькіх розных крышталічных структурах, а таксама быць атрыманы ў выглядзе шкла. Напрыклад, Se вырошчваецца ў моноклинной і тригональной крышталічных структурах або ў выглядзе шкла (якое можна таксама лічыць палімераў).

- Алмаз валодае выдатнай тэрмічнай праводнасцю, выдатнымі механічнымі і аптычнымі характарыстыкамі, высокай механічнай трываласцю. Шырыня энергетычнага разрыву - dE = 5,47 эв.

- Крэмній - паўправаднік, які выкарыстоўваецца ў сонечных батарэях, а ў аморфнай форме - у тонкаплёнкавых сонечных батарэях. Ёсць найбольш вядомая паўправаднікоў ў фотаэлементах, просты ў вытворчасці, валодае добрымі электрычнымі і механічнымі ўласцівасцямі. dE = 1,12 эв.

- Германіі - паўправаднік, які выкарыстоўваецца ў гама-спектраскапіі, высокаэфектыўных фотаэлементах. Выкарыстоўваўся ў першых дыёдах і транзістарах. Патрабуе менш ачысткі, чым крэмній. dE = 0,67 эв.

- Селен - паўправаднік, які ўжываецца ў селенавых выпрамніка, якія валодаюць высокай радыяцыйнай устойлівасцю і здольнасцю да самааднаўлення.

Двухэлементные злучэння

Ўласцівасці паўправаднікоў, што ўтвараюцца элементамі 3 і 4 груп табліцы Мендзялеева, нагадваюць ўласцівасці рэчываў 4 групы. Пераход ад 4 групы элементаў да злучэнняў 3-4 гр. робіць сувязі часткова іённымі па прычыне пераносу зарада электронаў ад атама 3 групы да атама 4 групы. Ионность змяняе ўласцівасці паўправаднікоў. Яна з'яўляецца прычынай павелічэння кулонаўскімі межионного ўзаемадзеяння і энергіі энергетычнага разрыву зоннай структуры электронаў. Прыклад бінарнага злучэння гэтага тыпу - антимонид індыя InSb, арсенід Галіі GaAs, антимонид Галіі GaSb, фасфід індыя InP, антимонид алюмінія AlSb, фасфід Галіі GaP.

Ионность ўзрастае, а значэнне яе яшчэ больш расце ў злучэннях рэчываў 2-6 груп, такіх як селенид кадмію, сульфід цынку, сульфід кадмію, теллурид кадмію, селенид цынку. У выніку ў большасці злучэнняў 2-6 груп забароненая зона шырэй 1 эВ, акрамя злучэнняў ртуці. Теллурид ртуці - паўправаднік без энергетычнага зазору, полуметалл, падобна α-волава.

Паўправаднікі 2-6 груп з вялікім энергетычным зазорам знаходзяць прымяненне ў вытворчасці лазераў і дысплеяў. Бінарныя злучэння 2- 6 груп са звужаным энергетычным разрывам падыходзяць для інфрачырвоных прымачоў. Бінарныя злучэння элементаў 1-7 груп (браміду медзі CuBr, иодид срэбра AgI, хларыд медзі CuCl) па прычыне высокай ионности валодаюць забароненай зонай шырэй З эв. Яны фактычна не паўправаднікі, а ізалятары. Рост энергіі счаплення крышталя па прычыне кулонаўскімі межионного ўзаемадзеяння спрыяе структураванню атамаў каменнай солі з шасціразовай, а не квадратычнай каардынацыяй. Злучэння 4-6 груп - сульфід і теллурид свінцу, сульфід волава - таксама паўправаднікі. Ступень ионности дадзеных рэчываў таксама спрыяе адукацыі шасціразовай каардынацыі. Значная ионность не замінае наяўнасці ў іх вельмі вузкіх забароненых зон, што дазваляе выкарыстоўваць іх для прыёму ВК-выпраменьвання. Нітрыд Галіі - злучэнне 3-5 груп з шырокім энергетычным зазорам, знайшоў прымяненне ў паўправадніковых лазерах і святлодыёдах, якія працуюць у блакітнай частцы спектру.

- GaAs, арсенід Галіі - другі па запатрабаванасці пасля крэмнія паўправаднік, звычайна выкарыстоўваецца ў якасці падкладкі для іншых правадыроў, напрыклад, GaInNAs і InGaAs, у ВК-сетодиодах, высокачашчынных мікрасхемах і транзістарах, высокаэфектыўных фотаэлементах, лазерных дыёдах, дэтэктарах ядзернага лячэння. dE = 1,43 эв, што дазваляе павысіць магутнасць прыбораў у параўнанні з крэмніем. Кволы, утрымлівае больш прымешак, складзены ў вырабе.

- ZnS, сульфід цынку - цынкавая соль серавадароднымі кіслаты з дыяпазонам забароненай зоны 3,54 і 3,91 эВ, выкарыстоўваецца ў лазерах і ў якасці люмінафора.

- SnS, сульфід волава - паўправаднік, які выкарыстоўваецца ў фоторезисторах і фотадыёд, dE = 1,3 і 10 эв.

аксіды

Аксіды металаў пераважна з'яўляюцца выдатнымі ізалятарамі, але ёсць і выключэнні. Прыклады паўправаднікоў гэтага тыпу - аксід нікеля, аксід медзі, аксід кобальту, двухвокіс медзі, аксід жалеза, аксід еўропію, аксід цынку. Так як двухвокіс медзі існуе ў выглядзе мінерала куприта, яе ўласцівасці ўзмоцнена даследаваліся. Працэдура вырошчвання паўправаднікоў гэтага тыпу яшчэ не зусім зразумелая, таму іх прымяненне пакуль абмежавана. Выключэнне складае аксід цынку (ZnO), злучэнне 2-6 груп, які ўжываецца ў якасці пераўтваральніка і ў вытворчасці клеючых стужак і пластыраў.

Становішча кардынальна змянілася пасля таго, як у многіх злучэннях медзі з кіслародам была адкрыта звышправоднасць. Першым высокатэмпературным звышправаднікоў, адкрытым Мюлерам і Беднорцем, стала злучэнне, заснаванае на паўправадніку La ₂ CuO ₄ з энергетычным зазорам 2 эв. Замяшчаючы трохвалентнай лантан двухвалентным барыем або стронцыем, у паўправаднік ўводзяцца пераносчыкі зарада дзіркі. Дасягненне неабходнай канцэнтрацыі дзірак ператварае La ₂ CuO ₄ у звышправаднік. У дадзены час найбольшая тэмпература пераходу ў звышправодны стан належыць злучэнню HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Пры высокім ціску яе значэнне складае 134 К.

ZnO, аксід цынку, выкарыстоўваецца ў варыстараў, блакітных святлодыёдах, датчыках газу, біялагічных сенсора, пакрыццях вокнаў для адлюстравання інфрачырвонага святла, як правадыр у ВК-дысплея і сонечных батарэях. dE = 3.37 эв.

слаістай крышталі

Падвойныя злучэння, падобныя дииодиду свінцу, селениду Галіі і дисульфиду малібдэна, адрозніваюцца слаістай будынак крышталя. У пластах дзейнічаюць кавалентным сувязі значнай сілы, нашмат мацней ван-дэр-ваальсовских сувязяў паміж самімі пластамі. Паўправаднікі такога тыпу цікавыя тым, што электроны паводзяць сябе ў пластах квазі-двухмернымі. Узаемадзеянне слаёў змяняецца увядзеннем іншых атамаў - интеркаляцией.

MoS _2, дисульфид малібдэна ўжываецца ў высокачашчынных дэтэктарах, выпрамнікоў, мемристорах, транзістарах. dE = 1,23 і 1,8 эв.

арганічныя паўправаднікі

Прыклады паўправаднікоў на аснове арганічных злучэнняў - нафталін, полиацетилен (CH _{2) n,} антрацыт, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Арганічныя паўправаднікі валодаюць перавагай перад неарганічнымі: ім лёгка надаваць патрэбныя якасці. Рэчывы з спалучанымі сувязямі выгляду -З = С-З =, валодаюць значнай аптычнай нелінейнасцю і, дзякуючы гэтаму, прымяняюцца ў оптаэлектронікі. Акрамя таго, зоны энергетычнага разрыву арганічных паўправаднікоў змяняюцца змяненнем формулы злучэння, што нашмат лягчэй, чым у звычайных паўправаднікоў. Крышталічныя аллотропы вугляроду Фуллер, графен, нанатрубкі - таксама паўправаднікамі.

- Фуллер мае структуру ў выглядзе выпуклага замкнёнага мнагагранніка з чётного колькасці атамаў углеорода. А легіраванне Фуллер З ₆₀ шчолачным металам ператварае яго ў звышправаднік.

- Графен утвораны аднаатамнага пластом вугляроду, злучанага ў двухмерную гексагональную краты. Валодае рэкорднай цеплаправоднасцю і рухомасцю электронаў, высокай калянасцю

- Нанатрубкі ўяўляюць сабой згорнутыя ў трубку пласціны графіту, якія маюць некалькі нанаметраў у дыяметры. Гэтыя формы вугляроду маюць вялікую перспектыву ў нанаэлектроніцы. У залежнасці ад счаплення могуць праяўляць металічныя або паўправадніковыя якасці.

магнітныя паўправаднікі

Злучэння з магнітнымі іёнамі еўропію і марганца валодаюць цікаўнымі магнітнымі і паўправадніковымі ўласцівасцямі. Прыклады паўправаднікоў гэтага тыпу - сульфід еўропію, селенид еўропію і цвёрдыя растворы, падобныя Cd _1-x Mn _x Te. Змест магнітных іёнаў ўплывае на тое, як у рэчывах выяўляюцца такія магнітныя ўласцівасці, як антиферромагнетизм і ферромагнетизм. Полумагнитные паўправаднікі - гэта цвёрдыя магнітныя растворы паўправаднікоў, якія ўтрымліваюць магнітныя іёны ў невялікі канцэнтрацыі. Такія цвёрдыя растворы звяртаюць на сябе ўвагу сваёй перспектыўнасць і вялікім патэнцыялам магчымых ужыванняў. Напрыклад, у адрозненне ад немагнітных паўправаднікоў, у іх можна дасягнуць у мільён разоў большага фарадеевского кручэння.

Моцныя магнитооптические эфекты магнітных паўправаднікоў дазваляюць выкарыстоўваць іх для аптычнай мадуляцыі. Перовскиты, падобныя Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, сваімі ўласцівасцямі пераўзыходзяць пераход метал-паўправаднік, прамая залежнасць якога ад магнітнага поля мае следствам з'ява гіганцкай магнета-рэзістыўны. Прымяняюцца ў радыётэхнічных, аптычных прыборах, якія кіруюцца магнітным полем, у хвалявода ЗВЧ-прылад.

паўправадніковыя сегнетоэлектрики

Гэты тып крышталяў адрозніваецца наяўнасцю ў іх электрычных момантаў і ўзнікненнем спантаннай палярызацыі. Напрыклад, такімі ўласцівасцямі валодаюць паўправаднікі титанат свінцу PbTiO _3, титанат барыю BaTiO _3, теллурид германію GeTe, теллурид волава SnTe, якія пры нізкіх тэмпературах маюць ўласцівасці сегнетоэлектрика. Гэтыя матэрыялы ўжываюцца ў нелінейна-аптычных, запамінальных прыладах і пьезодатчиках.

Разнастайнасць паўправадніковых матэрыялаў

Акрамя згаданых вышэй паўправадніковых рэчываў, ёсць шмат іншых, якія не падпадаюць ні пад адзін з пералічаных тыпаў. Злучэння элементаў па формуле 1-3-5 ₂ (AgGaS ₂₎ і 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ утвараюць крышталі ў структуры халькопирита. Сувязі злучэнняў тетраэдрические, аналагічна паўправадніка 3-5 і 2-6 груп з крышталічнай структурай цынкавай падманкі. Злучэння, якія ўтвараюць элементы паўправаднікоў 5 і 6 груп (падобна As ₂ Se _3), - паўправадніковыя ў форме крышталя або шкла. Халькогениды вісмута і сурмы выкарыстоўваюцца ў паўправадніковых тэрмаэлектрычных генератарах. Ўласцівасці паўправаднікоў гэтага тыпу надзвычай цікавыя, але яны не здабылі папулярнасць па прычыне абмежаванага ўжывання. Аднак тое, што яны існуюць, пацвярджае наяўнасць яшчэ да канца не даследаваных абласцей фізікі паўправаднікоў.