דוגמאות של מוליכים למחצה. סוגים, תכונות, יישומים מעשיים

המפורסם ביותר הוא סיליקון של מוליכים למחצה (Si). אבל חוץ ממנו, ישנם רבים אחרים. דוגמאות לכך הן טבעיים, חומרים מוליכים למחצה כגון blende (ZnS), קופריט (Cu ₂ O), Galena (PBS) ועוד רבים אחרים. המשפחה מוליך למחצה, כולל מוליכים למחצה ערוכי מעבדות, מייצגת את אחד השיעורים המגוונים ביותר של חומרים הידועים לאדם.

אפיון של מוליכים למחצה

מבין 104 האלמנטים של הטבלה המחזורית הם מתכות 79, 25 - nonmetals שמהם 13 היסודות הכימיים בעלי תכונות מוליכות למחצה ו 12 - דיאלקטרי. תכונת מוליכים למחצה ראשית מורכב כי המוליכות שלהם מגדילה משמעותית עם הגדלת טמפרטורה. בטמפרטורות נמוכות, הם מתנהגים כמו מבודדים, ובבית גבוה - כפי מנצחים. מוליכים למחצה אלו שונים ממתכת: התנגדות מתכת מגדילה באופן יחסי לגידול טמפרטורה.

הבדל נוסף בין מתכת המוליכים למחצה הוא כי ההתנגדות של המוליכים למחצה פוחתת תחת שפעת האור, בעוד שהאחרון המתכת אינה מושפעת. גם המוליכות של מוליכי למחצה משתנות כאשר מנוהלים לסכום מזערי של טומאה.

סמיקונדקטורס נמצא בין תרכובות כימיות עם מבנים גבישיים שונים. אלה עשויים להיות אלמנטים כגון סיליקון וסלניום, או תרכובות כפולות כגון גליום ארסניד. תרכובות אורגניות רבות, כגון polyacetylene, (CH) _n, - חומרים מוליכים למחצה. מוליכים למחצה מסוימים מפגינים מגנטי (Cd _1-x Mn _x Te) או נכסים ferroelectric (SbSI). אחרים יתווכו עם מוליכים להיות מספיק (גית ו SrTiO _3). רבים מן מוליכים בטמפרטורה גבוהה שהתגלו לאחרונה יש שלב למחצה מתכתי. לדוגמה, La ₂ CuO ₄ הוא מוליך למחצה, אך היווצרות של סגסוגת עם האב הופך sverhrovodnikom (La _1-x האב _{x) 2} CuO _4.

ספרי לימוד בפיזיקה לתת הגדרה כחומר מוליך למחצה עם התנגדות חשמלית של מ 10 ^-4 ל 10 ⁷ אוהם · מ '. אולי הגדרה אלטרנטיבית. רוחב הפס האסור של המוליכים למחצה - מ -0 עד 3 eV. מתכות Semimetals - חומר עם אפס פער אנרגיה, ואת החומר שבו הוא חורג מבודד שנקרא W eV. יש יוצאים מן הכלל. לדוגמה, יהלום המוליכים למחצה יש eV 6 רחב אסור אזור, GaAs בידוד למחצה - 1,5 eV. GaN, חומר עבור התקני אופטו באזור הכחול, יש רוחב פס אסור של 3.5 eV.

פער האנרגיה

אורביטלים ערכיים של אטומים בסריג הגבישי נחלקים לשתי קבוצות של רמות אנרגיה - אזור חופשי, הנמצא ברמה הגבוהה ביותר, וקובעים את מוליכות חשמלית של מוליכים למחצה, ואת פס הערכיות, להלן. רמות אלו, תלוי את הסימטריה של המבנה הגבישי אטומי יכול מצטלבים או להיות מחולקת בין זה לזה. במקרה האחרון קיים פער אנרגיה, או במילים אחרות, בין אזורי הלהקה אסורה.

המיקום ורם המילוי נקבע על פי מאפייני מוליכות החומר. על פי חומר תכונה זו מחולק מוליכים, מבודדים, ומוליכים למחצה. רוחב הפס האסור של מוליכי למחצה משתנה 0.01-3 eV, פער האנרגיה של דיאלקטרי מ 3 eV. מתכות עקב החפיפה של רמות פערי אנרגיה אינן.

מוליכים למחצה ומבודד, בניגוד מתכות, האלקטרונים מלאים פס ערכי ואת האזור החופשי הקרוב, או בפס ההולכה, האנרגיה הערכית מגודרת מ קרע - חלק אנרגיות אסורות של אלקטרונים.

בשנת דיאלקטריים אנרגיה תרמית או שדה חשמלי זניח אינו מספיק כדי לעשות את הקפיצה דרך הפער הזה, האלקטרונים אינם כפופים בפס ההולכה. הם אינם מסוגלים לנוע בסריג הגבישי ולהיות נשאים של הזרם החשמלי.

כדי להמריץ את המוליכות החשמלית, אלקטרון ברמת הערכיות יש לתת את האנרגיה, אשר יהיה מספיק כדי להתגבר על הפער האנרגיה. רק כאשר כמות ספיגת אנרגיה אינה קטנה מהערך של פער אנרגיה, יעבור מרמת האלקטרון הערכית ברמת ההולכה.

במקרה כזה, אם את רוחב פער האנרגיה עולה 4 eV, הקרנת עירור מוליכים למחצה מוליכים או חימום הוא כמעט בלתי אפשרית - אנרגית העירור של אלקטרונים על טמפרטורת ההתכה אינה מספיקה כדי לקפוץ פער האנרגיה דרך האזור. כאשר מחומם, הגביש נמס לפני המוליכות האלקטרוניות. חומרים אלה כוללים קוורץ (DE = 5,2 eV), יהלום (DE = 5,1 eV), מלחים רבים.

מוליכים למחצה מוליכות חיצוניות ומתבקשים

יש גבישים מוליכים למחצה נטו מוליכות מהותיות. מוליכים למחצה מסוג שמות פרטיים. מוליכים למחצה Intrinsic מכילים מספר שווה של חורים ואלקטרונים חופשיים. כאשר מחממי מוליכות מהותיות של עליות מוליכות למחצה. בטמפרטורה קבועה, קיים מצב של כמות שיווי משקל דינמי של זוגות אלקטרון-חור שנוצר ומספר אלקטרונים וחורים בהצרפת, אשר נשארים קבועים בתנאים אלה.

הנוכחות של זיהומים משפיעה באופן משמעותי את מוליכות חשמלית של מוליכים למחצה. הוספת אותם מאפשר הגדלת מספר משמעותי של אלקטרונים חופשיים בבית מספר קטן של חורים להגדיל את מספר חורים עם מספר קטן של אלקטרונים ברמת ההולכה. מוליכים למחצה טומאה - המנצחים בעל מוליכות הטומאה.

זיהומים הם בקלות לתרום אלקטרונים נקראים תורם. זיהומים תורמים עשויים להיות יסודות כימיים עם האטומים, הרמות הערכיות אשר מכילות יותר אלקטרונים מאשר האטום של חומר הבסיס. לדוגמא, זרחן ביסמוט - A זיהומים תורמים סיליקון.

האנרגיה הדרושה לקפיצה של אלקטרון באזור ההולכה, נקראת אנרגית שפעול. מוליכים למחצה טומאה צריכים הרבה פחות מזה מאשר חומר הבסיס. עם חימום או אור קל משוחרר בעיקר אלקטרונים מאטומים של המוליכים למחצה טומאה. מניחים מהאטום לוקח חור אלקטרון. אבל רקומבינציה חור אלקטרון לא תתקיים. מוליכות תורם חור היא זניחות. הסיבה לכך היא כמות קטנה של אטומי טומאה אינה מאפשרת אלקטרונים חופשיים לפעמים קרובה אל החור כדי להחזיק אותו. אלקטרונים הם כמה חורים, אבל הם לא מסוגלים למלא אותם בשל רמת אנרגיה מספיקה.

טומאת תורם תוסף קלה בכמה סדרים מגדילה את מספר אלקטרוני הולכה בהשוואת מספר האלקטרונים החופשיים מוליך למחצה המהותי. אלקטרונים כאן - הספקים העיקריים של חיובים אטומיים של מוליכים למחצה טומאה. חומרים אלה שייכים מוליך למחצה מסוג n.

זיהומים אשר נקלטים אלקטרונים של המוליכים למחצה, הגדלת מספר החורים, שנקראו acceptor. זיהומים המקבל הם יסודות כימיים עם מספר קטן יותר של אלקטרונים ברמה ערכית מ בבסיס המוליכים למחצה. בורון, גליום, אינדיום - טומאה acceptor סיליקון.

המאפיינים של מוליכים למחצה תלויים פגמים במבנה הגבישי שלה. זה גורם הכרח גדל גבישים טהורים מאוד. הפרמטרים של הולכת המוליכים למחצה נשלטים על ידי התוספת של dopants. גבישים הסיליקון מסוממים עם זרחן (אלמנט תת קבוצה V) וזה תורם ליצירת סיליקון קריסטל מסוג n. עבור קריסטל עם סיליקון מסוג p מנוהל acceptor בורון. סמיקונדקטורס פיצוי רמה פרום כדי להזיז אותו לאמצע פער הלהקה נוצר באופן זה.

מוליכי למחצה חד אלמנט

המוליכים למחצה השכיח ביותר הוא, כמובן, סיליקון. יחד עם גרמניה, הוא היה אב טיפוס של מחלקה גדולה של מוליכים למחצה בעלי מבנים גבישיים דומה.

מבנה הגבישי Si ו גה זהה לזה של יהלום ופח α. זה להקיף כל אטום 4 אטומים הקרובים ביותר המהווים ארבעון. תיאום כזה נקרא ארבע פעמים. קריסטלים tetradricheskoy בסיס פלדה הקשר לתעשיית האלקטרוניקה ולשחק תפקיד מפתח הטכנולוגיה המודרנית. חלק V האלמנטים השישי של הקבוצה בטבלה המחזורית הם גם מוליך למחצה. דוגמאות לסוג זה של מוליכים למחצה - זרחן (P), גופרית (S), סלניום (Se) ו טלור (Te). מוליכים למחצה אלה עשויים להיות אטומים משולשים (P), disubstituted (S, Se, טה) או תיאום פי ארבעה. כתוצאה מכך אלמנטים כאלה יכולים להתקיים בכמה מבנים גבישיים שונים, וגם להיות מוכן בצורה של זכוכית. לדוגמה, Se שגודלו מבנים גבישיים monoclinic ו trigonal או כחלון (אשר יכול גם להיחשב פולימר).

- יש יהלום מוליכות תרמית מעולה, תכונות מכניות ואופטיות מעולה, חוזק מכני גבוה. רוחב פער האנרגיה - דה = 5,47 eV.

- הסיליקון - מוליכים למחצה המשמשים תאים סולריים, ואת הצורה אמורפי, - בתוך תאים סולאריים בשכבה דקה. זוהי ביותר בשימוש בתאים סולריים מוליך למחצה, קל לייצר, בעל תכונות חשמליות ומכניות טובות. דה = 1,12 eV.

- גרמניום - מוליכים למחצה המשמשים ספקטרוסקופיה בקרני גאמא, ביצועים גבוהים תאים סולריים. השתמשו בדיודות וטרנזיסטורים הראשון. זה דורש פחות ניקוי מאשר סיליקון. דה = 0,67 eV.

- סלניום - מוליכים למחצה, אשר משמש מיישרים סלניום בעל עמידות גבוהה לקרינה ואת היכולת לרפא את עצמו.

תרכובות דו אלמנט

מאפיינים של מוליכי למחצה שהוקמה אלמנטים 3 ו 4 של קבוצות הטבלה המחזוריות דומים המאפיינים של תרכובות 4 קבוצות. מעבר 4 הקבוצות של אלמנטים לתרכובות 3-4 גרם. זה גורם תקשורת גם בגלל אלקטרוני תחבורת מטען יוניים מאטום לאטום 3 הקבוצה 4 קבוצה. Ionicity משנה את המאפיינים של מוליכים למחצה. זה גורם לעליית מבנה להקת אלקטרוני פער אנרגית אינטראקצית אנרגית יון-יון קולון. תרכובות בינארית דוגמא לסוג זה - antimonide אינדיום, InSb, GaAs גליום ארסניד, גליום antimonide GaSb, InP זרח אינדיום, antimonide אלומיניום AlSb, פער זרח גליום.

Ionicity עליות הערך שלו גדל בקבוצות יותר תרכובות 2-6 תרכובות, כגון selenide קדמיום, אבץ גופרי, גופרי קדמיום, קדמיום טלוריד, selenide אבץ. כתוצאה מכך, רוב התרכובות 2-6 קבוצות אסורות להקה רחבה יותר מאשר 1 eV, למעט תרכובות כספיות. מרקורי טלוריד - בלי מוליכי למחצה פער אנרגיה, חצי מתכת, כמו-פח α.

סמיקונדקטורס 2-6 קבוצות עם שימוש למצוא פער אנרגיה גדול יותר בייצור לייזרים ומציגים. קבוצות בינארי 6 2- מתחם עם אנרגיה הפער הצטמצם מתאים מקלטי אינפרא אדום. תרכובות בינארי של אלמנטים של קבוצות 1-7 (CuBr ברומיד cuprous, יודיד הכסף אגי, כלוריד הנחושת CuCl) בשל ionicity גבוהה יש eV W bandgap רחב יותר. הם לא באמת מוליכים למחצה, ומבודדים. צמיחת קריסטל עיגון אנרגיה בשל אינטראקצית interionic קולון מקל אטומי מבנה מלח עם סדר שישי, במקום ריבועית לתאם. קבוצות תרכובות 4-6 - גופרתי, טלוריד עופרת, בדיל גופרתי - כמו מוליכים למחצה. Ionicity של חומרים אלה גם מקדם את התיאום ששתים היווצרות. הרבה לא ionicity למנוע הנוכחות יש להם פערי להקה צרים מאוד, הם יכולים לשמש עבור קבלת קרינת אינפרא אדומה. גליום ניטריד - קבוצות תרכובת 3-5 עם פער אנרגיה רחב, למצוא יישום לייזרים מוליכים למחצה דיודות פולטות אור הפועלות החלק הכחול של הספקטרום.

- GaAs, גליום ארסניד - על פי דרישה לאחר המוליכים למחצה סיליקון השניים הוא נפוץ כמו מצע של מוליכי אחרים, למשל, GaInNAs ו InGaAs, ב אינפרא אדום setodiodah, טרנזיסטורים שבבים תדירים גבוהה, תאים סולריים יעילים מאוד, דיודות ליזר, גלאי של תרופה גרעינית. דה = 1,43 eV, אשר משפר את מכשירי הכח לעומת סיליקון. פריך, מכיל יותר זיהומים קשים לייצור.

- ZnS, אבץ גופרי - מלח אבץ של מימן גפרתי עם אזורי הלהקה האסורה 3.54 3.91 eV, המשמשים לייזרים וכתוצאה זרחן.

- SNS, גופרתי פח - מוליכים למחצה המשמשים photoresistors ו photodiodes, דה = 1,3 ו 10 eV.

תחמוצות

תחמוצות המתכת רצויות הם מבודדים מצוינים, אבל יש יוצאים מן הכלל. דוגמאות לסוג זה של מוליכים למחצה - תחמוצת ניקל, נחושת אוקסיד, תחמוצת קובלט, נחושת דו, תחמוצת ברזל, תחמוצת אירופיום, תחמוצת אבץ. מאז דו נחושת קיימים כמו קופריט המינרלים, תכונותיו נחקרו באופן אינטנסיבי. ההליך לגידול מסוג זה של מוליכים למחצה הוא עדיין לא לגמרי ברור, כך השימוש בהם הוא עדיין מוגבל. יוצאת דופן היא תחמוצת אבץ (ZnO), קבוצות תרכובת 2-6, משמש מתמר בייצור קלטות פלסטרים דבקים.

המצב השתנה באופן דראמטי לאחר המוליכות התגלו תרכובות רבות של נחושת עם חמצן. מוליך חום גבוה פותח לראשונה Bednorz ו מולר, היה מוליך למחצה תרכובת המבוססת על La ₂ CuO _4, הפער האנרגיה של 2 eV. divalent החלפת trivalent לנתן, בריום או סטרונציום, מוחדר נושאי מטען המוליכים למחצה של חורים. השגת ריכוז חור הכרחי שהופך מוליך La ₂ CuO _4. בשלב זה, הטמפרטורה הגבוהה ביותר של מעבר מוליכי המדינה שייכת למתחם HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. בלחץ גבוה, הערך שלו הוא 134 ק

ZnO, varistor תחמוצת אבץ משמש, דיודות פולטות אור כחול, חיישנים גז, חיישנים ביולוגיים, חלונות ציפויים לשקף אור אינפרא אדום, כמנצח ב LCD מציג וסוללות סולארית. דה = 3.37 eV.

גבישים שכבתיים

תרכובות זוגיות כמו עופרה diiodide, selenide גליום disulphide מוליבדן שונה מבנה הגבישי שכבתי. השכבות הן קשרים קוולנטיים של כוח רב, הרבה יותר חזקים מאשר אג"ח ואן דר ואלס בין השכבות עצמם. סמיקונדקטורס סוג כזה מעניין כי האלקטרונים מתנהגים שכבות של מעין-דו-ממדי. אינטראקציה של שכבות משתנית על ידי החדרת אטומים מחוץ - עיבור.

דיסולפיד _{2 MOS,} מוליבדן משמש גלאי בתדירות גבוהה, מיישרים, ממריסטור, טרנזיסטורים. דה = 1,23 ו 1.8 eV.

מוליכים למחצה אורגניים

דוגמאות של מוליכים למחצה על בסיס תרכובות אורגניות - נפתלין, polyacetylene (CH _{2) n,} anthracene, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. מוליכים למחצה אורגניים יש יתרון על פני הלא-אורגני: הם קלים להקנות את האיכות הרצויה. חומרים עם אג"ח המצומד יוצרים -C = C-C = להחזיק אי-ליניאריות אופטי משמעותי, עקב זה, בשנת אופטו מיושם. יתר על כן, במתחם המוליכים למחצה אורגניים פער להקת אנרגיה של הנוסחא להשתנות שינוי כי הרבה יותר קל מזה של מוליכים למחצה קונבנציונליים. allotropes הקריסטל של פולרנים פחמן, גראפן, צינוריות - גם מוליכים למחצה.

- פולרן יש מבנה בצורה של ugleoroda פאון קמור סגור אפילו מספר האטומים. שימוש בסמים פולרן C ₆₀ עם מתכת אלקלית והופך אותה מוליך.

- גרפיט פחמן שכבת monoatomic נוצר, מחובר ב סריג משושה דו-ממדי. שיא יש מוליכות ואת ניידות האלקטרונים, קשיחות גבוהה

- צינורות הם התגלגלו לתוך צלחת גרפיט צינור בעל קוטר של כמה ננומטרים. יש צורות אלה של פחמן הבטחה גדולה nanoelectronics. בהתאם הצימוד עשוי להיות באיכות מתכתית או מוליכים למחצה.

מוליך למחצה המגנטי

תרכובות עם יונים מגנטיים של אירופיום ויש מנגן תכונות מגנטיות למחצה סקרניות. דוגמאות לסוג זה של מוליכים למחצה - גופרתי אירופיום, אירופיום selenide ופתרונות מוצקים, כגון Cd _1-x Mn _x טה. התוכן של היונים המגנטיים משפיע הוא החומרים להפגין תכונות מגנטיות כגון פרומגנטיות ו אנטי-פרומגנטיות. מוליכים למחצה Semimagnetic - הם פתרונות מוליכים למחצה מגנטיים חזקים אשר מכילים יונים מגנטיים בריכוז נמוך. פתרונות מוצקים כזה למשוך את תשומת הלב של הלקוח הפוטנציאלי שלך ואת הפוטנציאל גדול של יישומים אפשריים. לדוגמה, בניגוד מוליכים למחצה שאינו מגנטי, הם יכולים להגיע פעמים מיליון סיבוב פאראדיי גדול.

תופעות magnetooptical חזקה של מוליכים למחצה המגנטי לאפשר את השימוש בהם עבור אפנון אופטי. Perovskites, כמו Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, המאפיינים שלה עדיפים על מעבר מתכת-למחצה, תלות ישירה אשר על תוצאות השדה המגנטיות של התופעה-ההתנגדות מגנט ענקית. הם משמשים רדיו, מכשירים אופטיים, אשר נשלטים על ידי שדה מגנטי, התקנים מוליכים גל מיקרוגל.

ferroelectrics מוליכים למחצה

גבישים מסוג זה מאופיין בנוכחות ברגעים שלהם החשמליים התרחשות של קיטוב ספונטני. לדוגמה, תכונות כאלה הם מוליכים למחצה להוביל התרכובת PbTiO _3, titanate בריום BaTiO _3, טלוריד גרמניום, גטה, טלוריד פח SnTe, אשר בטמפרטורות נמוכות יש מאפיינים ferroelectric. חומרים אלה משמשים קויים אופטיים, חיישנים פיזואלקטריים והתקני זיכרון.

מגוון של חומרים מוליכים למחצה

בנוסף לחומרים מוליכים למחצה שהוזכרו לעיל, ישנם רבים אחרים שאינם נופלים תחת אחד מהסוגים. תרכובות של הנוסחה 1-3-5 אלמנטים ₂ (AgGaS ₂₎ ו 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ יוצרים מבנה גבישי כלקופיריט. צור תרכובות tetrahedral מוליכים למחצה מקביל 3-5 ו 2-6 קבוצות עם מבנה הגביש blende אבץ. תרכובות המהווים אלמנטים המוליכים למחצה 5 ו 6 קבוצות (בדומה כפי ₂ Se _3), - המוליכים למחצה בצורת גביש או זכוכית. חלקוגינדי של ביסמוט אנטימון משמש גנרטורים תרמו-אלקטריים המוליכים למחצה. המאפיינים של סוג זה של מוליכים למחצה מעניינים מאוד, אבל הם לא זכו לפופולריות בשל היישום המוגבל. עם זאת, העובדה שהם קיימים, מאשרת את נוכחותו של עדיין לא לגמרי נחקר בתחום הפיזיקה המוליכים למחצה.