أمثلة من أشباه الموصلات. أنواع وخصائص، والتطبيقات العملية

الأكثر شهرة هو أشباه الموصلات السيليكون (سي). ولكن بصرف النظر عنه، هناك العديد من الآخرين. ومن الأمثلة على الطبيعية، مثل هذه المواد شبه الموصلة كما blende (ZnS)، شعيرة دينية مقدسة (النحاس ₂ O)، غالينا (PBS) وغيرها الكثير. عائلة أشباه الموصلات، بما في ذلك أشباه الموصلات التي أعدت في المختبرات، وتمثل واحدة من الطبقات الأكثر تنوعا من المواد المعروفة للإنسان.

توصيف أشباه الموصلات

عناصر 104 من الجدول الدوري هي المعادن 79، 25 - اللافلزات من خلالها 13 العناصر الكيميائية تمتلك خصائص و 12 شبه الموصلة - عازل. تتكون ميزة أشباه الموصلات الرئيسية في هذا الموصلية يزيد بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة. في درجات حرارة منخفضة، وأنها تتصرف مثل العوازل، وعلى ارتفاع - كما الموصلات. هذه أشباه الموصلات مختلفة من المعادن: مقاومة المعادن تزيد بشكل متناسب مع الزيادة في درجات الحرارة.

وثمة فرق آخر من المعدن أشباه الموصلات هو أن المقاومة من أشباه الموصلات تنخفض تحت تأثير الضوء، في حين أن هذا الأخير لا يتأثر المعدن. أيضا التوصيل من أشباه الموصلات يختلف عندما تدار على كمية ضئيلة من الشوائب.

تم العثور على أشباه الموصلات بين المركبات الكيميائية مع هياكل الكريستال مختلفة. قد تكون هذه العناصر مثل السليكون والسيلينيوم، أو مركبات مزدوجة مثل زرنيخ الغاليوم. العديد من المركبات العضوية، مثل polyacetylene، (CH) _ن، - مواد أشباه الموصلات. بعض أشباه الموصلات يحمل المغناطيسي (الكادميوم _1-س المنغنيز _س تي) أو خصائص متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف (SbSI). صناعة السبائك أخرى مع تصبح فائقة التوصيل كافية (غيتي وSrTiO _3). العديد من الموصلات الفائقة عالية درجة الحرارة المكتشفة حديثا لديهم مرحلة معدنية شبه الموصلة. على سبيل المثال، لا ₂ CUO ₄ هو أشباه الموصلات، ولكن تشكيل سبائك مع الأب يصبح sverhrovodnikom (لا _1-س الأب _{خ) 2} CUO _4.

كتب الفيزياء المدرسية تعطي تعريف كمادة أشباه الموصلات مع المقاومة الكهربائية من 10 ^-4 إلى 10 ⁷ أوم · م. ربما تعريفا بديلا. عرض الفرقة ممنوعة من أشباه الموصلات - 0-3 فولت. المعادن وsemimetals - مادة مع صفر فجوة الطاقة، والمواد التي يتجاوز دعا W فولت العوازل. هناك استثناءات. على سبيل المثال، الماس أشباه الموصلات لديه ممنوع واسعة منطقة 6 فولت، والعزل شبه الغاليوم - 1،5 فولت. الجاليوم، وهو مادة لالأجهزة البصرية الالكترونية في المنطقة الزرقاء، ويحتوي على عرض النطاق ممنوع من 3.5 فولت.

فجوة الطاقة

وتنقسم المدارات التكافؤ من الذرات في الكريستال المشبك إلى مجموعتين من مستويات الطاقة - منطقة حرة، وتقع على أعلى مستوى، ويحدد التوصيل الكهربائي من أشباه الموصلات، وعصابة التكافؤ أدناه. هذه المستويات، اعتمادا على التماثل للبنية شعرية الكريستال والذرات يمكن أن تتقاطع أو أن متباعدة عن بعضها البعض. في الحالة الأخيرة أن هناك فجوة الطاقة، أو بعبارة أخرى، بين المناطق الفرقة المحرمة.

يتم تحديد الموقع ومستوى التعبئة من خصائص موصل للمادة. وفقا لهذه المادة ميزة مقسوما على الموصلات، العوازل، وأشباه الموصلات. عرض الفرقة ممنوعة من أشباه الموصلات يختلف ،01-3 فولت، فجوة الطاقة من عازل من 3 فولت. المعادن نظرا لتداخل مستويات الثغرات الطاقة ليست كذلك.

أشباه الموصلات والعوازل، وعلى النقيض من المعادن، وتمتلئ الإلكترونات عصابة التكافؤ وأقرب منطقة خالية، أو نطاق التوصيل، وهو محاط بسياج الطاقة التكافؤ الخروج من تمزق - جزء من الطاقات ممنوع من الالكترونات.

في العوازل الحرارية الطاقة أو مجال كهربائي ضئيل لا يكفي لجعل الانتقال من خلال هذه الفجوة، والإلكترونات لا تخضع لنطاق التوصيل. أنهم غير قادرين على التحرك من خلال شعرية الكريستال وتصبح حاملة للتيار الكهربائي.

لتنشيط التوصيل الكهربائي، وينبغي إعطاء الإلكترون في مستوى التكافؤ الطاقة، وهو ما سيكون كافيا للتغلب على فجوة الطاقة. فقط عندما كمية امتصاص الطاقة ليست أصغر من قيمة فجوة الطاقة، سوف تمر من مستوى إلكترون التكافؤ على مستوى التوصيل.

في هذه الحالة، إذا كان العرض من فجوة الطاقة يتجاوز 4 فولت، والموصلية أشباه الموصلات الإثارة إشعاع أو التدفئة يكاد يكون من المستحيل - طاقة الإثارة من الإلكترونات في درجة حرارة انصهار ليست كافية للقفز فجوة الطاقة من خلال المنطقة. عند تسخينها، يذوب وضوح الشمس قبل توصيل كهربي. وتشمل هذه المواد الكوارتز (دي = 5،2 فولت)، الماس (دي = 5،1 فولت)، والعديد من الأملاح.

خارجي والجوهرية أشباه الموصلات الموصلية

صافي بلورات أشباه الموصلات لها الموصلية جوهري. هذه أشباه الموصلات الأسماء المناسبة. يحتوي على أشباه الموصلات جوهري على عدد متساو من الثقوب والإلكترونات الحرة. عند تسخين الموصلية لا يتجزأ من زيادات أشباه الموصلات. في درجة حرارة ثابتة، وهناك حالة من كمية التوازن الديناميكي لللدت أزواج الإلكترونات حفرة وعدد من إعادة توحيد الإلكترونات والثقوب، التي تظل ثابتة في ظل هذه الظروف.

وجود شوائب يؤثر بشكل كبير على التوصيل الكهربائي لأشباه الموصلات. إضافتها يسمح بزيادة كبيرة في عدد من الإلكترونات الحرة في عدد صغير من الثقوب وزيادة عدد الثقوب مع عدد قليل من الإلكترونات في مستوى التوصيل. أشباه الموصلات النجاسة - الموصلات وجود الموصلية النجاسة.

وبسهولة وتسمى الشوائب التبرع الإلكترونات المانحة. قد يكون الشوائب المانحة العناصر الكيميائية مع ذرات، ومستويات التكافؤ التي تحتوي على أكثر من الإلكترونات من الذرات في المواد الأساسية. على سبيل المثال، والفوسفور والبزموت - والشوائب السيليكون المانحة.

ويطلق على الطاقة اللازمة للقفزة الإلكترون في المنطقة التوصيل، طاقة التنشيط. النجاسة أشباه الموصلات تحتاج أقل بكثير من ذلك من المواد الأساسية. مع التدفئة طفيفة أو ضوء سراح الغالب الإلكترونات من الذرات من أشباه الموصلات النجاسة. ضع ترك الذرة يأخذ ثقب الإلكترون. ولكن إعادة التركيب حفرة الإلكترون لا يحدث. حفرة المانحة الموصلية لا يكاد يذكر. وذلك لأن كمية صغيرة من ذرات الشوائب لا تسمح الإلكترونات الحرة في كثير من الأحيان أقرب إلى حفرة والاحتفاظ بها. الإلكترونات هي بعض الثقوب، ولكن ليست قادرة على ملء هذه الشواغر نظرا لمستوى الطاقة غير كافية.

A طفيف المضافة النجاسة المانحة عدة أوامر يزيد من عدد الإلكترونات التوصيل بالمقارنة مع عدد الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات الجوهرية. الإلكترونات هنا - شركات الطيران الرئيسية من رسوم الذرية أشباه الموصلات النجاسة. هذه المواد تنتمي إلى أشباه الموصلات من نوع ن.

الشوائب التي تربط الإلكترونات من أشباه الموصلات، وزيادة عدد من الثقوب في ذلك، ودعا المتقبلة. الشوائب متقبل هي العناصر الكيميائية مع عدد أقل من الالكترونات في مستوى التكافؤ من قاعدة أشباه الموصلات. البورون، الغاليوم، الإنديوم - متقبل النجاسة في السيليكون.

خصائص أشباه الموصلات تعتمد على عيوب التركيب البلوري لها. يؤدي هذا ضرورة تزايد بلورات نقية للغاية. المعلمات من التوصيل أشباه الموصلات التي تسيطر عليها إضافة مواد إشابة. بلورات السيليكون مخدر مع الفوسفور (V عنصر فرعي) وهو المانحة لخلق الكريستال السليكون من نوع ن. لالكريستال مع متقبل البورون ف نوع السيليكون تدار. أشباه الموصلات عوضت مستوى فيرمي لنقلها إلى منتصف فجوة إنشاؤها في هذه الطريقة.

أشباه الموصلات عنصر واحد

أشباه الموصلات الأكثر شيوعا هو، بطبيعة الحال، والسيليكون. جنبا إلى جنب مع ألمانيا، وكان النموذج الأولي لفئة كبيرة من أشباه الموصلات التي لديها هياكل الكريستال مماثلة.

التركيب البلوري سي وشركة جنرال الكتريك هي نفسها كما ان من الماس وα القصدير. انها تحيط كل ذرة 4 أقرب الذرات التي تشكل رباعي الاسطح. ويسمى هذا التنسيق أربع مرات. بلورات tetradricheskoy قاعدة الصلب السندات لصناعة الإلكترونيات وتلعب دورا رئيسيا في مجال التكنولوجيا الحديثة. بعض V العناصر والسادس من مجموعة الجدول الدوري هي أيضا أشباه الموصلات. ومن الأمثلة على هذا النوع من أشباه الموصلات - الفسفور (P)، (S) الكبريت والسيلينيوم (جنوب شرق) والتيلوريوم (تي). قد تكون هذه أشباه الموصلات ذرات ثلاثية (P)، مزدوج الاستبدال (S، SE، تي) أو تنسيق أربعة أضعاف. ونتيجة لذلك يمكن أن توجد هذه العناصر في العديد من الهياكل البلورية المختلفة، وأيضا تكون مستعدة في شكل الزجاج. على سبيل المثال، سي تزرع في هياكل الكريستال أحادي وثلاثي الزوايا أو في إطار (والتي يمكن أيضا اعتبار البوليمر).

- الماس لديها التوصيل الحراري ممتازة، الخواص الميكانيكية والبصرية ممتازة، قوة ميكانيكية عالية. عرض فجوة الطاقة - دي = 5،47 فولت.

- السيليكون - أشباه الموصلات المستخدمة في الخلايا الشمسية، وشكل غير متبلور، - في الخلايا الشمسية الرقيقة. هذا هو الأكثر استخداما في الخلايا الشمسية أشباه الموصلات، وسهلة لتصنيع، لديها خواص كهربائية وميكانيكية جيدة. دي = 1،12 فولت.

- الجرمانيوم - أشباه الموصلات المستخدمة في التحليل الطيفي لأشعة جاما، والخلايا الشمسية عالية الأداء. المستخدمة في الثنائيات الأولى والترانزستورات. فإنه يتطلب التنظيف أقل من السيليكون. دي = 0،67 فولت.

- السيلينيوم - أشباه الموصلات، والذي يستخدم في مقومات السيلينيوم وجود مقاومة الإشعاع العالية والقدرة على شفاء نفسه.

مركبات اثنان من عنصر ل

خصائص أشباه الموصلات شكلت العناصر 3 و 4 من مجموعات الجدول الدوري تشبه خصائص المركبات 4 مجموعات. الانتقال من 4 مجموعات من العناصر لمركبات 3-4 غرام. يجعل التواصل ويرجع ذلك جزئيا الإلكترونات النقل تهمة الأيونية من ذرة إلى 3 المجموعة 4 المجموعة. Ionicity يغير خصائص أشباه الموصلات. أنه يسبب زيادة في كولوم الطاقة وأيون أيون التفاعل فجوة الطاقة هيكل الفرقة الإلكترون. مثال مركبات ثنائية من هذا النوع - antimonide الإنديوم، INSB، الغاليوم الغاليوم زرنيخيد، أنتيمونيد الجاليوم GaSb، فوسفيد الإنديوم البرنامج النووي العراقي، والألمنيوم antimonide AlSb، الغاليوم فوسفيد الفجوة.

زيادات Ionicity وقيمته ينمو أكثر من المجموعات في المركبات 2-6 المركبات، مثل سيلينيد الكادميوم، كبريتيد الزنك، كبريتيد الكادميوم، تيلوريد الكادميوم والزنك سيلينيد. ونتيجة لذلك، فإن الغالبية العظمى من المركبات 2-6 الجماعات يمنع الفرقة أوسع من 1 فولت، باستثناء مركبات الزئبق. الزئبق تيلوريد - دون الطاقة أشباه الموصلات الفجوة، وشبه المعدنية، مثل α القصدير.

أشباه الموصلات 2-6 مجموعة مع أكبر استخدام العثور على فجوة الطاقة في إنتاج الليزر وشاشات العرض. مجموعة ثنائية 6 2- المجمع مع طاقة الفجوة ضاقت مناسبة لاستقبال الأشعة تحت الحمراء. مركبات ثنائية من عناصر الجماعات 1-7 (CuBr نحاسي بروميد، AGI الفضة يوديد والنحاس كلوريد CuCl) نتيجة لارتفاع ionicity لها أوسع فجوة الحزمة W فولت. لم يفعلوا ذلك فعلا أشباه الموصلات، والعوازل. نمو البلورات ترسيخ الطاقة بسبب كولوم التفاعل interionic يسهل ذرات هيكلة ملح مع النظام السادس، بدلا من الدرجة الثانية تنسيق. مركبات 4-6 مجموعة - كبريتيد، تيلوريد الرصاص، القصدير كبريتيد - كما أشباه الموصلات. كما يعزز Ionicity هذه المواد تنسيق تشكيل ستة أمثالها. كثيرا ionicity لا يمنع وجود لديهم فجوات نطاق ضيق جدا، ويمكن استخدامها لاستقبال الأشعة تحت الحمراء. نيتريد الغاليوم - جماعات مجمع 3-5 مع وجود فجوة الطاقة واسعة، والعثور على التطبيق في ليزر اشباه الموصلات والثنائيات الباعثة للضوء تعمل في الجزء الأزرق من الطيف.

- الغاليوم، زرنيخيد - على الطلب بعد أشباه الموصلات السيليكون الثاني يستخدم عادة باعتبارها الركيزة للموصلات أخرى، على سبيل المثال، GaInNAs وInGaAs، في الأشعة تحت الحمراء setodiodah، والترانزستورات ذات تردد عال والمرحلية، والخلايا الشمسية عالية الكفاءة، الثنائيات الليزر، وأجهزة الكشف عن علاج النووي. دي = 1،43 فولت، مما يحسن من أجهزة الطاقة بالمقارنة مع السيليكون. هش، ويحتوي على أكثر من الشوائب صعبة لتصنيع.

- ZnS، الزنك كبريتيد - ملح الزنك من كبريتيد الهيدروجين مع المناطق المحرمة الفرقة و3.54 3.91 فولت، وتستخدم في أشعة الليزر وكما الفوسفور.

- SNS، والقصدير كبريتيد - أشباه الموصلات المستخدمة في photoresistors وفوتوديوديس، DE = 1،3 و 10 فولت.

أكاسيد

أكاسيد معدنية ويفضل أن تكون العوازل ممتازة، ولكن هناك استثناءات. ومن الأمثلة على هذا النوع من أشباه الموصلات - أكسيد النيكل، أكسيد النحاس، وأكسيد الكوبالت وثاني أكسيد النحاس وأكسيد الحديد، وأكسيد اليوروبيوم، وأكسيد الزنك. منذ وجود ثاني أكسيد النحاس باعتبارها شعيرة دينية مقدسة المعدنية، وتمت دراسة خصائصه بشكل مكثف. الإجراء لزراعة هذا النوع من أشباه الموصلات ليس واضحا بعد تماما، لذلك استخدامها لا يزال محدودا. استثناء هو أكسيد الزنك (أكسيد الزنك) وجماعات مجمع 2-6، يتم استخدام محول وفي إنتاج الشرائط اللاصقة واللصقات.

تغير الوضع بشكل كبير بعد اكتشاف الموصلية الفائقة في العديد من المركبات من النحاس مع الأكسجين. أول موصل جيد للكهرباء ارتفاع درجة الحرارة فتح Bednorz وومولر، وأشباه الموصلات مركب على أساس لا ₂ CUO _4، وفجوة الطاقة من 2 إلكترون فولت. استبدال ثنائي التكافؤ الثلاثي اللانثانم، الباريوم أو السترونتيوم، التي أدخلت على حاملات الشحنة أشباه الموصلات من الثقوب. تحقيق تركيز حفرة الضروري يجعل لا ₂ CUO ₄ موصل جيد للكهرباء. في هذا الوقت، وهي أعلى درجة حرارة التحول إلى دولة فائق التوصيل ينتمي تفاقم HgBaCa ₂ النحاس ₃ O _8. تحت ضغط عال، قيمتها 134 K.

أكسيد الزنك، ويستخدم مكثف أكسيد الزنك، الثنائيات الباعثة للضوء الأزرق، وأجهزة الاستشعار الغاز، وأجهزة الاستشعار البيولوجية، والطلاء ويندوز لتعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء، وموصل في شاشات LCD والبطاريات الشمسية. دي = 3.37 فولت.

بلورات الطبقات

مركبات مزدوجة مثل الرصاص ثنائي يوديد، سيلينيد الغاليوم وثاني كبريتيد الموليبدينوم تختلف التركيب البلوري الطبقات. طبقات هي روابط تساهمية من قوة كبيرة، أقوى بكثير من فان دير فال الروابط بين طبقات أنفسهم. أشباه الموصلات مثل هذا النوع مثيرة للاهتمام لأن الإلكترونات تتصرف في طبقات من شبه ثنائي الأبعاد. يتم تغيير التفاعل بين الطبقات عن طريق إدخال ذرات الخارجية - إقحام.

موس _2، يتم استخدام ثاني كبريتيد الموليبدينوم في كشف الترددات العالية، ومقومات، ممرستور، والترانزستورات. دي = 1،23 و 1.8 فولت.

أشباه الموصلات العضوية

أمثلة من أشباه الموصلات على أساس المركبات العضوية - النفثالين، polyacetylene (CH _{2) ن،} الأنثراسين، polydiacetylene، ftalotsianidy، polyvinylcarbazole. أشباه الموصلات العضوية لديها ميزة على غير العضوية: أنها سهلة لنقل والجودة المطلوبة. المواد مع السندات المترافقة تشكل -C = C-C = تمتلك كبيرة البصرية اللاخطية، ونتيجة لهذا، في الإلكترونيات الضوئية التطبيقية. وعلاوة على ذلك، فإن الطاقة الفجوة الفرقة أشباه الموصلات العضوية مجمع الصيغة تختلف التغيير الذي أسهل بكثير من أشباه الموصلات التقليدية. المتآصلة البلورية من الفلورين الكربون، الجرافين، الأنابيب النانوية - أيضا أشباه الموصلات.

- الفوليرين لديها بنية في شكل مغلقة محدب الشكل المتعدد السطوح ugleoroda حتى عدد من الذرات. A المنشطات الفوليرين C ₆₀ مع الفلزات القلوية يحولها إلى موصل جيد للكهرباء.

- يتم تشكيل طبقة monoatomic جرافيت الكربون، ويرتبط في شعرية سداسية ثنائية الأبعاد. سجل ديه التوصيل والتنقل الإلكترون، صلابة عالية

- وتوالت الأنابيب النانومترية في لوحة أنبوب الغرافيت التي يبلغ قطرها عدة نانومتر. هذه الأشكال من الكربون لديها وعدا كبيرا في الكترونيات النانو. اعتمادا على اقتران قد يكون المعدنية أو أشباه الموصلات الجودة.

أشباه الموصلات المغناطيسية

المركبات مع أيونات المغناطيسية للاليوروبيوم والمنغنيز لها خصائص مغناطيسية وشبه الموصلة غريبة. ومن الأمثلة على هذا النوع من أشباه الموصلات - كبريتيد اليوروبيوم، اليوروبيوم سلينيد والحلول الصلبة، مثل الكادميوم _{1-س س} المنجنيز تي. محتوى الأيونات المغناطيسي يؤثر على كل المواد المعرض الخواص المغناطيسية مثل فرومنتيسم ومغناطيسية حديدية مضادة. أشباه الموصلات Semimagnetic - هي الصلبة المغناطيسية أشباه الموصلات الحلول التي تحتوي على أيونات المغناطيسية في تركيز منخفض. مثل هذه الحلول الصلبة جذب انتباه احتمال الخاص بك وإمكانات كبيرة من التطبيقات الممكنة. على سبيل المثال، على النقيض من أشباه الموصلات غير المغناطيسية، وأنها يمكن أن تصل إلى مليون مرة أكبر فاراداي التناوب.

آثار magnetooptical قوية من أشباه الموصلات المغناطيسية تسمح استخدامها لتعديل البصرية. Perovskites، مثل المنغنيز _0،7 الكالسيوم _0،3 O _3، خصائصه تعلو على الانتقال المعادن أشباه الموصلات، والتي الاعتماد المباشر على نتائج الحقل المغناطيسي في ظاهرة العملاقة مغناطيسي، المقاومة. وهي تستخدم في الراديو والأجهزة البصرية، والتي يتم التحكم فيها بواسطة مجال مغناطيسي، وأجهزة الميكروويف الدليل الموجي.

ferroelectrics أشباه الموصلات

يتميز هذا النوع بلورات من خلال وجود في لحظات الكهربائية وحدوث الاستقطاب عفوية. على سبيل المثال، هذه الخصائص هي أشباه الموصلات يؤدي تيتانات PbTiO _3، الباريوم تيتانات BaTiO _3، تيلوريد الجرمانيوم، جيتي، القصدير تيلوريد SNTE، والتي في درجات الحرارة المنخفضة لها خصائص متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف. وتستخدم هذه المواد في البصرية، وأجهزة استشعار كهرضغطية غير الخطية وأجهزة الذاكرة.

مجموعة متنوعة من مواد أشباه الموصلات

بالإضافة إلى مواد أشباه الموصلات المذكورة أعلاه، هناك العديد من الآخرين التي لا تندرج تحت أحد هذه الأنواع. مركبات صيغة 1-3-5 عناصر ₂ (AgGaS ₂₎ و2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ تشكيل هيكل الكريستال كالكوبايرايت. الاتصال مركبات رباعي السطوح أشباه الموصلات مماثلة 3-5 و2-6 مجموعة مع الزنك التركيب البلوري blende. المركبات التي تشكل عناصر أشباه الموصلات 5 و 6 مجموعات (على غرار _و2 سي _3)، - أشباه الموصلات في شكل الكريستال أو الزجاج. وتستخدم Chalcogenides من البزموت والأنتيمون في المولدات الحرارية أشباه الموصلات. خصائص هذا النوع من أشباه الموصلات هي مثيرة للاهتمام للغاية، لكنها لم اكتسب شعبية بسبب التطبيق المحدود. ومع ذلك، فإن حقيقة أن وجدت، يؤكد وجود لم التحقيق فيها بالكامل مجال فيزياء أشباه الموصلات.