Жартылай мысалдары. Түрлері, қасиеттері, практикалық қосымшалар

ең танымал жартылай өткізгіш кремний (Si) болып табылады. Бірақ бір-бірінен одан, басқа да көптеген бар. Мысалдары обманки ретінде табиғи, мұндай жартылай өткізгіш материалдар (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), галенит (PbS) және тағы басқалар болып табылады. зертханаларда дайындалған жартылай қоса жартылай отбасы, адам белгілі материалдардың ең түрлі сынып бірі болып табылады.

жартылай сипаттамасы

13 оның металл еместер - периодтық 104 элементтерін металдар 79, 25 химиялық элементтер жартылай қасиеттері мен 12 ие - диэлектрлік. Басты жартылай өткізгіш ерекшелігі олардың өткізгіштігі артып температурасы айтарлықтай арттырады деп тұрады. төмен температурада, олар оқшаулағыштар сияқты, және жоғары кезінде өзін ұстай - өткізгіштері ретінде. Бұл жартылай металл айырмашылығы бар: металл қарсылық температураның артуына пропорционалды арттырады.

жартылай өткізгіш металл екіншісіне айырмашылық соңғы металл әсер етпейді, ал жартылай қарсылық, жарық әсерінен азаяды. қоспалардың кәмелетке толмаған сомасы енгізу кезінде, сондай-ақ жартылай өткізгіштік өзгереді.

Жартылай өткізгіш аспаптар әр түрлі кристалдық құрылымдармен химиялық қосылыстардың арасында табылды. Бұл, мысалы, кремний мен селен, немесе осындай арсенида галлий сияқты қос қосылыстар ретінде элементтері болуы мүмкін. Мұндай polyacetylene, (CH) сияқты көптеген органикалық қосылыстар, _N, - жартылай өткізгіш материалдар. Кейбір жартылай магниттік көрсетеді немесе сегнетоэлектрическими қасиеттерін (SbSI) (CD _1-х Mn Te _х). Басқа жеткілікті болуға өткізгіштер, (Гете және SrTiO _{3) қоспалау.} жаңадан ашылған жоғары өткізгіштер көптеген металл жартылай кезеңін бар. Мысалы, La ₂ CuO ₄ жартылай өткізгіш болып табылады, бірақ Sr бар қорытпасынан қалыптастыру sverhrovodnikom (La _1-х Sr _{х) 2} CuO _{4 айналады.}

Физика оқулықтар 10 ^{-4 7} 10 Ом дейін электр кедергісі бар жартылай өткізгіш материал · м ретінде анықтамасын береді. Мүмкін балама анықтау. жартылай тыйым жолақ ені - 0-ден 3 эВ. Металдар мен полуметаллов - нөлдік энергетикалық саңылау, және ол W эВ оқшаулағыштары деп аталатын артық болатын зат бар материал. ерекшеліктер бар. 1,5 эВ - Мысалы, жартылай өткізгіш гауһар кең тыйым аймағын 6 эВ, жартылай оқшаулағыш GaAs бар. Ган, көк аймақтағы электронды-оптикалық құрылғылар үшін материалдық, 3,5 эВ тыйым жолағы ені бар.

энергетикалық саңылау

, Тегін аймағы жоғары деңгейде орналасқан, және төмен, жартылай электр өткізгіштігі, валенттілігі және айқындайды - кристалды тор атомдарының валенттік орбитальдар энергетикалық деңгейлері екі топқа бөлінеді. кристалдық тор құрылымы мен атомдар симметрия байланысты Бұл деңгейлер, қиылысатын мүмкін немесе бір-бірінен қашықтықта болуы. Соңғы жағдайда тыйым салынған аймақ аймақтары арасындағы энергетикалық саңылау, немесе басқа сөзбен айтқанда, бар.

орналасуы және толтыру деңгейі материалды өткізгіш қасиеттері анықталады. дирижер, оқшаулағыштар, және жартылай бөлінген бұл функция зат айтуынша. жартылай тыйым жолақ ені 0,01-3 Е.В., диэлектрлік қарағанда 3 эВ энергиясы алшақтықты өзгереді. байланысты энергетикалық кемшіліктер деңгейдегі жабу үшін Металдар емес.

электрондардың тыйым энергия бөлігі - металдар айырмашылығы, электрондар валенттілігі аймақ және жақын азат аймақ, немесе өткізгіштігінің толтырылады және Диэлектрик, валенттік энергия жыртылу бастап өшіру қоршалған.

Диэлектриктердің жылу энергиясын немесе елеусіз электр өрісі осы саңылау арқылы өту үшін жеткілікті емес, электрондар өткізгіштігінің үшін жатпайды. Олар кристалды тор арқылы жылжыту қабілетсіз және электр тогының тасымалдаушылар айналды.

электр өткізгіштікті қуаттайтын, валенттік деңгейде электронның энергиясы алшақтықты еңсеруге жеткілікті болар еді энергиясын, берілуі тиіс. энергиясын сіңіру сомасы энергетикалық саңылау құннан аз емес кезде ғана, өткізу деңгейде валенттік электрон деңгейінен өтеді.

Бұл жағдайда, энергетикалық саңылау ені 4 эВ, өткізгіштік жартылай өткізгіш қозу сәуле немесе қыздыру асатын болса жүзінде мүмкін емес - балқу температурасында электрондардың қозу энергиясы аймағы арқылы энергия алшақтықты секіруге жеткілікті емес. қыздырылған кезде, кристалды электрондық өткізгіштік бұрын ерітеді. Мұндай заттар кварц (DE = 5,2 эВ), гауһар (DE = 5,1 эВ), көптеген тұздары қамтиды.

Сыртқы және ішкі өткізгіштігі жартылай өткізгіш

Таза жартылай кристалдар ішкі өткізгіштігі бар. Мұндай жартылай дұрыс атаулары. Ішкі жартылай өткізгіш тесіктері және еркін электрондардың тең санын қамтиды. жартылай артады ішкі өткізгіштігі қыздырған кезде. тұрақты температурада, динамикалық тепе-жинақталатын электрон-тесік жұп сомасына және осы жағдайларда тұрақты қалады дожигания және дырок электрондардың санына шарты бар.

қоспалардың болуы айтарлықтай жартылай электр өткізгіштікті әсер етеді. Оларды қосу айтарлықтай тесік шағын санының еркін электрондардың санын көбейту және өткізу деңгейде электрондардың саны аз тесіктердің санын ұлғайтуға мүмкіндік береді. Ластанудан жартылай - қоспалы өткізгіштігі бар өткізгіштер.

Қоспалардың оңай электрондар доноры деп аталады қайырымдылықпен жатыр. Донор қоспалар атомдарымен химиялық элементтер, негізгі материалдың атомдарының артық электрон құрамында валенттік деңгейі болуы мүмкін. Мысалы, фосфор және висмут - кремний донор қоспалар.

өткізгіштігінің аймақтағы электрон секіруге үшін қажетті энергия, активтендіру энергиясы деп аталады. Ластанудан жартылай өткізгіш базалық материал қарағанда ол көп аз қажет. шамалы жылыту немесе жарық бар басым қоспалық жартылай атомдарының электрон азат. Орны атом электрон тесік алады қалдырды. Бірақ электрон тесік рекомбинация орын алмайды. донорлық тесік өткізгіштік шамалы болып табылады. қоспалардың атомдары шағын сомасы бос электрондар жиі тесікке жақын және оны өткізуге мүмкіндік бермейді, өйткені бұл. Электрондар кейбір тесіктер бар, бірақ байланысты жеткіліксіз энергетикалық деңгейге дейін толтыру мүмкін емес.

Шамалы қоспа донор қоспалық бірнеше тапсырыстар ішкі жартылай өткiзгiш бос электрондардың санымен салыстырғанда электрондардың өткізгіштігінің санын арттырады. мұнда электрондар - қоспалық жартылай атом зарядтардың негізгі тасымалдаушылар. Бұл заттар N-түрі жартылай тиесілі.

жартылай электрондарды байланыстыру Арамшөп қоспасы, акцепторлық деп аталады оған тесіктердің санын ұлғайту. Акцепторлық қоспалар жартылай базасын қарағанда валенттік деңгейде электрондардың аз санымен химиялық элементтер болып табылады. Бор, галлий, индий - кремний акцепторы қоспалық.

жартылай сипаттамалары оның кристалдық құрылымы ақаулар тәуелді болып табылады. Бұл өсіп келе жатқан өте таза кристалдардың қажеттілігін тудырады. телімдер қосу арқылы бақыланатын жартылай өткізгіш жүргізу параметрлері. Кремний кристалдар кремний N-түрін жасау үшін донор болып фосфор (V топ элементі) легирленген. бор акцепторлық әкімшілік Р-түрі кремний бар кристалл үшін. Жартылай өткізгіш аспаптар Осы жолмен құрылған тобы алшақтықты ортасында оны жылжыту үшін Ферми деңгейі өтеледі.

бір элементті жартылай

ең көп таралған жартылай өткізгіш, әрине, кремний болып табылады. Германиямен бірлесе отырып, ол ұқсас кристалды құрылымдары бар жартылай үлкен сыныпты прототипі болды.

Құрылымы кристалдық Si және Ge гауһар және α-қалайы сияқты бірдей болып табылады. Ол әрбір атомы тетраэдр қалыптастыру 4 жақын атомдары қоршаған. Мұндай үйлестіру төрт рет деп аталады. Кристалдар tetradricheskoy электроника өнеркәсібі үшін облигациялық болат базалық және қазіргі заманғы технологияларды шешуші рөл атқарады. элементтері V және периодтық тобының VI Кейбір, сондай-ақ жартылай болып табылады. жартылай осы түріне мысалдары - фосфор (P), күкірт (S), селен (Se) және теллур (Те). Бұл жартылай үштік атомдары (P), дизамещенных (S, Se, Te) немесе төрт есе үйлестіру болуы мүмкін. Нәтижесінде мұндай элементтері бірнеше кристалдық құрылымдардың өмір сүре алады, сондай-ақ шыны түрінде дайын болуы. Мысалы, Se Эвклаздың және тригональной кристалдық құрылымдардың немесе (сондай-ақ полимер ретінде қарастырыла алады) терезе ретінде өсіріледі.

- Diamond тамаша жылу, тамаша механикалық және оптикалық қасиеттері, жоғары механикалық беріктігі бар. DE = 5,47 эВ - энергетикалық саңылау ені.

- Silicon - күн батареяларын пайдаланылатын жартылай өткізгіш, және аморфты нысаны, - жұқа пленкалы күн жасушаларының. Бұл жартылай өткізгішті күн батареяларын ең көп пайдаланылатын болып табылады, өндіру оңай, жақсы электр және механикалық қасиеттері бар. DE = 1,12 эВ.

- Германий - гамма-сәулесі спектроскопия, өнімділігі жоғары күн батареяларын пайдаланылатын жартылай өткізгіш. Бірінші диодтар мен транзисторлар пайдаланылатын. Ол кремний кем тазалау қажет. DE = 0,67 эВ.

- Селен - жоғары радиациялық төзімділігі және өзін сауықтыруын қабілеті бар селен түзеткіштер қолданылатын жартылай өткізгіш.

Екі-элементі қосылыстар

элементтерін 3 және периодтық топтардың 4 құрылған жартылай қасиеттерін еске қосылыстардың қасиеттерін 4 топтары. қосылыстардың 3-4 гр дейін элементтерін 4 топтардың көшу. Егер атом иондық заряд көлік электрондар 3 тобы 4 Group атомдар, өйткені ішінара байланыс жасайды. Ionicity жартылай қасиеттерін өзгертеді. Ол кулондық энергетика және ион-иондық өзара энергия алшақтық электрондардың тобы құрылымында ұлғайту туғызады. осы түріне Мысал екілік қосылыстар - индий антимонида, InSb, арсенид галлий GaAs, антимонида галлий GaSb, индий фосфиті InP, алюминий антимонида AlSb, фосфида галлий GaP.

Ionicity артады және оның мәні осындай кадмий селенидов, мырыш сульфидінің, кадмий сульфиді, кадмий теллуридінің, мырыштың селенидiнен ретінде қосылыстар 2-6 қосылыстар, көп топтарын өседі. Нәтижесінде, қосылыстардың 2-6 топтар көпшілігі сынап қосылыстар қоспағанда, 1 эВ қарағанда кеңірек ауқымын тыйым. Меркурий Telluride - α-қалайы сияқты энергетикалық алшақтық жартылай өткiзгiш, жартылай металл, жоқ.

үлкен энергетикалық саңылау жартылай отырып 2-6 топтар лазер және дисплейлер өндіру пайдалану табады. Екілік топтар инфрақызыл қабылдау үшін жарамды тарыла алшақтық энергиясын 6 2- құрама. байланысты жоғары ionicity топтардың 1-7 (мыс бромиді CuBr, AGI күміс йодид, мыс хлориді CuCl) элементтерін бинарлы қосылыстар кең энергетикалық забой W эВ бар. Олар емес, шын мәнінде жартылай, және оқшаулағыштары істеу. салдарынан кулондық межионных өзара энергиясын бекітпей кристалдарын құрылымдау атомдары жеңілдетеді тұз орнына шаршы үйлестіру, алтыншы тапсырысына. жартылай ретінде - қосылыстар 4-6 топтар - сульфидті қорғасын теллуриді, қалайы сульфид. Осы заттардың Ionicity, сондай-ақ қалыптастыру алты есеге үйлестіру ықпал етеді. Көп ionicity олар өте тар жолақты олқылықтарды бар болуын жоққа шығармайды, олар инфрақызыл сәуле алу үшін пайдалануға болады. Галлий нитрид - кең энергетикалық саңылау бар құрама топтар 3-5, қолданбаны тауып өткізгіш лазер және көк бөлігінде спектрін жұмыс істейтін жарық шығаратын диодтары.

- GaAs, арсенид галлий - талабы бойынша екінші кремний жартылай өткізгіш кейін әдетте setodiodah инфрақызыл, жоғары жиілікті транзисторлар және ICS, жоғары тиімді күн батареяларын, лазер диодтарынан, ядролық Сауығудың детектор басқа өткізгіштер, мысалы, GaInNAs және InGaAs үшін субстрат ретінде пайдаланылады. кремний салыстырғанда электр құрылғыларды жақсартады DE = 1,43 эВ. Сынғыш, өндіру қиын көп қоспаларды қамтиды.

- ZnS, сульфид мырыш - лазер және фосфор ретінде пайдаланылатын тыйым тобы аймақтары мен 3.54 3.91 эВ күкіртті сутек мырыш тұз.

- SNS, қалайы сульфид - photoresistors және фотодиодам пайдаланылатын жартылай өткізгіш, DE = 1,3 және 10 эВ.

оксиді

металл тотықтары мүмкіндігінше тамаша оқшаулағыштары бар, бірақ ерекшеліктер бар. жартылай осы түріне мысалдары - никель оксиді, мыс оксиді, кобальт оксиді, мыс диоксиді, темір оксиді, europium оксиді, мырыш оксиді. мыс диоксиді минералды cuprite ретінде бар болғандықтан, оның қасиеттері қарқынды зерттелді. Жартылай өткiзгiш осы түріне өсіру тәртібі әлі анық емес, сондықтан оларды пайдалану әлі де шектеулі. Ерекшелік мырыш оксиді (ZnO), құрама топтар 2-6, түрлендіргіш ретінде және жабысқақ таспалар және сылақ өндіру пайдаланылады отыр.

сверхпроводимость оттегімен мыс көптеген қосылыстар ашылды кейін жағдай күрт өзгерді. Алдымен жоғары температура өткізгіштер ашық Bednorz және Мюллер, La ₂ CuO _4, 2 эВ энергетикалық саңылау негізінде жартылай өткiзгiштерге болды. двухвалентный үш валентті лантан, барий немесе стронций алмастыратын, тесік жартылай өткізгіш заряд тасымалдаушылардың енгізіледі. қажетті тесік концентрациясын қол жеткізу La ₂ CuO ₄ жоғары өткізгіштер құрайды. Осы уақытта, сверхпроводящем көшу жоғары температура HgBaCa Cu ₂ O _{3 8} күрделі _{тиесілі.} жоғары қысым кезінде, оның мәні 134 Қ табылады

ZnO, мырыш оксиді вари пайдаланылады, көк жарық шығаратын диодтар, газ датчиктер, биологиялық датчиктер, жабындар Windows СК дисплей және күн батареяларын в кондукторлар, инфрақызыл жарық көрсетуі. DE = 3.37 эВ.

қабатты кристалдар

diiodide қорғасын, галлий селенидов және молибден дисульфид сияқты екілік қосылыстардың қабатты кристалды құрылымы ерекшеленеді. қабаттар бар ковалентті облигациялар қабаттары өздері арасындағы ван дер Waals облигациялар әлдеқайда күшті айтарлықтай беріктік. электрондар квази-екі өлшемді қабаттар өзін ұстай өйткені жартылай өткізгіштер мұндай түрі қызықты болып табылады. интеркалирующие - қабаттарының өзара іс-қимыл тыс атомдарының енгізілуіне өзгереді.

MoS _2, молибден дисульфидтік жоғары жиілікті детекторлар, түзеткіштер, memristor, транзисторлар пайдаланылады. De = 1,23 және 1,8 эВ.

органикалық жартылай

органикалық қосылыстар негізінде жартылай мысалдары - нафталин, polyacetylene (CH _{2) N,} антрацен, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Органикалық жартылай органикалық емес артықшылық бар: олар қалаған сапасын үйрету оңай. бастайтын, облигациялармен Заттар -C = C-C = айтарлықтай оптикалық емес сызықтық ие және, осыған байланысты, оптоэлектроникада қолданбалы қалыптастырады. Сонымен қатар, формула энергия тобы алшақтық органикалық жартылай қосылыс деп әлдеқайда жеңіл әдеттегі жартылай қарағанда өзгерту өзгереді. Сондай-ақ, жартылай - көміртек фуллеренов, графен, нанотүтікшелердің кристалдық allotropes.

- фуллерен тұйық дөңес многогранник ugleoroda түрінде атомдарының тіпті санының құрылымы бар. сілтілік металл бар допинг Фуллеренов C ₆₀ өткізгіштер оның түрлендіреді.

- графит көміртегі Біратомдық қабаты қалыптасады, екі өлшемді алтыбұрышты торда байланысты. Record өткізгіштігі және жылжымалы электрондардың, жоғары қаттылығы

- нанотүтікшелердің бірнеше нм диаметрі бар түтік графитті табаққа салыңыз прокат жатыр. көміртегі Бұл нысандары наноэлектроника үлкен уәде бар. муфталар байланысты металл немесе жартылай өткізгіш сапалы болуы мүмкін.

магниттік жартылай

магниттік europium иондары және марганец бар қосылыстар білімқұмар магниттік және жартылай қасиеттері бар. жартылай осы түріне мысалдары - europium сульфидті, селенидов europium және қатты ерітінділер, мұндай Cd _1-х Mn Te _х. магниттік иондар мазмұны екі заттар, мысалы, ферромагнетизма және antiferromagnetism ретінде магниттік қасиеттері әсер етеді. Semimagnetic жартылай - төмен концентрациясы магниттік иондар құрамында қатты магниттік жартылай шешімдер болып табылады. Мұндай қатты ерітінділер сіздің болашақта және ықтимал қосымшаларды үлкен әлеуетін назарын. Мысалы, магниттiк емес жартылай айырмашылығы, олар миллион есе үлкен Фарадей бұруды жетуі мүмкін.

магниттік жартылай күшті магниттік әсері оптикалық модуляция олардың пайдалануға мүмкіндік береді. Перовскитах, Mn _0,7 Ca _0,3 O _{3 сияқты,} оның қасиеттері алып магнитті-қарсылық құбылыс магнит өрісінің нәтижелері тәуелділікті тікелей металл-жартылай өткізгіш көшу, жоғары болып табылады. Олар магнит өрісі арқылы басқарылады радио, оптикалық құрылғылар, микротолқынды волновод құрылғылар пайдаланылады.

жартылай өткізгіш сегнетоэлектрики

Бұл түрі кристалдар олардың электр сәттері мен өздігінен поляризация пайда болуымен сипатталады. Мысалы, мұндай қасиеттері жартылай титанат PbTiO ₃ титанат барий төмен температурада сегнетоэлектрическими қасиеттері бар BaTiO _3, германий теллуриді, Гете, қалайы теллуриді SnTe, әкелуі жатыр. Бұл материалдар сызықты оптикалық, Пьезоэлектрические датчиктер және жад құрылғыларында қолданылады.

жартылай өткізгіш материалдардың түрлілігі

Жоғарыда аталған жартылай өткізгіш материалдар Сонымен қатар, осы түрлерінің бірі орналастырылуға жатпайды көптеген басқалар бар. формуласы 1-3-5 элементтерін ₂ (AgGaS ₂₎ және 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ қосылыстары бар халькопирит кристалды құрылымын қалыптастырады. мырыш обманки кристалды құрылымы бар төрт қырлы Құрама ұқсас жартылай 3-5 және 2-6 топтар Байланыс. жартылай өткізгіш элементтерін 5 және ₍₂ Se _{3 ұқсас)} 6 тобын құруды _{қосылыстар,} - кристалл немесе шыны түрінде жартылай өткізгіш. Висмут пен сурьма халькоге жартылай өткізгіш термоэлектрлік генераторлар қолданылады. Жартылай өткiзгiш осы түріне қасиеттері өте қызықты болып табылады, бірақ олар байланысты шектеулі қолдану танымалдыққа ие емес. Алайда, олар бар, бұл факт емес, әлі болуы толық физика саласындағы жартылай зерттелген растайды.