Semicondukta maarufu zaidi ni silikoni (Si). Lakini zaidi yake, kuna wengine wengi. Mfano ni nyenzo za asili za semiconductor kama vile mchanganyiko wa zinki (ZnS), cuprite (Cu2O), galena (PbS) na wengine wengi. Familia ya semicondukta, ikijumuisha halvledare-sanisi za maabara, ni mojawapo ya aina nyingi za nyenzo zinazojulikana kwa mwanadamu.
Tabia za semiconductors
Kati ya vipengele 104 vya jedwali la upimaji, 79 ni metali, 25 ni metali, ambapo vipengele 13 vya kemikali vina sifa ya semiconductor na 12 ni dielectric. Tofauti kuu kati ya semiconductors ni kwamba conductivity yao ya umeme huongezeka kwa kiasi kikubwa na ongezeko la joto. Kwa joto la chini wanafanya kama dielectri, na kwa joto la juu wanafanya kama makondakta. Hivi ndivyo semiconductors hutofautiana na metali: upinzani wa metali huongezeka kulingana na ongezeko la joto.
Tofauti nyingine kati ya semicondukta na chuma ni kwamba upinzani wa semicondukta.huanguka chini ya ushawishi wa mwanga, wakati mwisho hauathiri chuma. Uendeshaji wa semiconductors pia hubadilika wakati kiasi kidogo cha uchafu kinaanzishwa.
Semiconductors hupatikana kati ya michanganyiko ya kemikali yenye miundo mbalimbali ya fuwele. Hizi zinaweza kuwa vipengele kama vile silicon na selenium, au misombo ya binary kama vile gallium arsenide. Michanganyiko mingi ya kikaboni, kama vile polyasetilini (CH)n, ni nyenzo za semicondukta. Baadhi ya halvledare huonyesha sifa za sumaku (Cd1-xMnxTe) au sifa za ferroelectric (SbSI). Nyingine zilizo na doping za kutosha huwa watendaji wakuu (GeTe na SrTiO3). Wengi wa superconductors za joto la juu zilizogunduliwa hivi karibuni zina awamu zisizo za metali za semiconducting. Kwa mfano, La2CuO4 ni semicondukta, lakini ikiunganishwa na Sr inakuwa superconductor (La1-x Srx)2CuO4.
Vitabu vya kiada vya Fizikia vinafafanua semiconductor kama nyenzo yenye uwezo wa kustahimili umeme kutoka 10-4 hadi 107 Ohm·m. Ufafanuzi mbadala pia unawezekana. Pengo la bendi ya semiconductor ni kutoka 0 hadi 3 eV. Metali na semimetals ni nyenzo zilizo na pengo la sifuri la nishati, na vitu ambavyo huzidi eV 3 huitwa vihami. Pia kuna tofauti. Kwa mfano, almasi ya semiconductor ina pengo la bendi ya 6 eV, GaAs ya kuhami nusu - 1.5 eV. GaN, nyenzo ya vifaa vya optoelectronic katika eneo la bluu, ina pengo la bendi la 3.5 eV.
Pengo la nishati
Mizunguko ya valence ya atomi kwenye kimiani ya fuwele imegawanywa katika vikundi viwili vya viwango vya nishati - eneo huria lililo katika kiwango cha juu zaidi na kubainisha upitishaji wa umeme wa semiconductors, na mkanda wa valence ulio hapa chini. Viwango hivi, kulingana na ulinganifu wa kimiani ya kioo na muundo wa atomi, vinaweza kuingiliana au kuwa iko umbali kutoka kwa kila mmoja. Katika hali ya mwisho, pengo la nishati au, kwa maneno mengine, eneo lililokatazwa linaonekana kati ya kanda.
Mahali na ujazo wa viwango huamua sifa za upitishaji za dutu hii. Kwa msingi huu, vitu vinagawanywa katika conductors, insulators na semiconductors. Upana wa bandgap ya semiconductor inatofautiana ndani ya 0.01-3 eV, pengo la nishati ya dielectri inazidi 3 eV. Vyuma havina mapungufu ya nishati kwa sababu ya viwango vinavyopishana.
Semiconductors na dielectrics, tofauti na metali, zina bendi ya valence iliyojaa elektroni, na bendi ya karibu ya bure, au bendi ya upitishaji, imetengwa kutoka kwa bendi ya valence kwa pengo la nishati - eneo la nishati ya elektroni iliyokatazwa..
Katika dielectrics, nishati ya joto au sehemu ndogo ya umeme haitoshi kuruka pengo hili, elektroni haziingii kwenye bendi ya upitishaji. Haziwezi kusogea kando ya mwalo wa kioo na kuwa wabebaji wa mkondo wa umeme.
Ili kuchangamsha upitishaji umeme, elektroni iliyo katika kiwango cha valence lazima ipewe nishati ambayo ingetosha kushinda nishati hiyo.pengo. Wakati tu inachukua kiasi cha nishati kisichopungua thamani ya pengo la nishati, elektroni itasogea kutoka kiwango cha valence hadi kiwango cha upitishaji.
Iwapo upana wa pengo la nishati unazidi eV 4, msisimko wa conductivity ya semiconductor kwa mwaliko au inapokanzwa haiwezekani - nishati ya kusisimua ya elektroni katika halijoto ya kuyeyuka haitoshi kuruka kupitia eneo la pengo la nishati. Inapokanzwa, kioo kitayeyuka hadi upitishaji wa elektroniki utokee. Dutu hizi ni pamoja na quartz (dE=5.2 eV), almasi (dE=5.1 eV), chumvi nyingi.
Uchafu na upitishaji wa ndani wa semiconductors
Fuwele safi za semicondukta zina uboreshaji wake. Semiconductors vile huitwa intrinsic. Semiconductor ya ndani ina idadi sawa ya mashimo na elektroni za bure. Inapokanzwa, conductivity ya ndani ya semiconductors huongezeka. Katika halijoto isiyobadilika, hali ya msawazo wa nguvu hutokea katika idadi ya jozi za shimo la elektroni zilizoundwa na idadi ya elektroni zinazounganisha na mashimo, ambayo hubaki bila kubadilika chini ya hali fulani.
Kuwepo kwa uchafu kuna athari kubwa kwenye upitishaji umeme wa semiconductors. Kuziongeza hufanya iwezekanavyo kuongeza kwa kiasi kikubwa idadi ya elektroni za bure na idadi ndogo ya mashimo na kuongeza idadi ya mashimo na idadi ndogo ya elektroni kwenye ngazi ya uendeshaji. Semikondukta za uchafu ni kondakta zilizo na upitishaji uchafu.
Uchafu ambao hutoa elektroni kwa urahisi huitwa uchafu wa wafadhili. Uchafu wa wafadhili unaweza kuwa vipengele vya kemikali vilivyo na atomi ambazo viwango vyake vya valence vina elektroni zaidi kuliko atomi za dutu ya msingi. Kwa mfano, fosforasi na bismuth ni uchafu wa wafadhili wa silicon.
Nishati inayohitajika ili kuruka elektroni kwenye eneo la upitishaji inaitwa nishati ya kuwezesha. Semiconductors za uchafu zinahitaji kidogo sana kuliko nyenzo za msingi. Kwa inapokanzwa au mwangaza kidogo, ni hasa elektroni za atomi za semiconductors za uchafu ambazo hutolewa. Mahali pa elektroni ikiacha atomi huchukuliwa na shimo. Lakini kuunganishwa tena kwa elektroni kwenye mashimo haifanyiki. Conductivity ya shimo ya wafadhili ni kidogo. Hii ni kwa sababu idadi ndogo ya atomi za uchafu hairuhusu elektroni za bure kukaribia shimo na kukalia. Elektroni ziko karibu na mashimo, lakini haziwezi kuzijaza kwa sababu ya kiwango cha nishati cha kutosha.
Ongezeko lisilo la maana la uchafu wa wafadhili kwa maagizo kadhaa ya ukubwa huongeza idadi ya elektroni za upitishaji ikilinganishwa na idadi ya elektroni zisizolipishwa katika semicondukta ya ndani. Elektroni hapa ndio wabebaji wakuu wa malipo ya atomi za semiconductors za uchafu. Dutu hizi zimeainishwa kama semiconductors za aina ya n.
Uchafu unaofunga elektroni za semiconductor, na kuongeza idadi ya mashimo ndani yake, huitwa kipokeaji. Uchafu wa vipokezi ni vipengele vya kemikali vilivyo na elektroni chache katika kiwango cha valence kuliko semiconductor msingi. Boroni, gallium, indium - mpokeajiuchafu wa silicon.
Sifa za semicondukta hutegemea kasoro katika muundo wake wa fuwele. Hii ndiyo sababu ya haja ya kukua fuwele safi sana. Vigezo vya conductivity ya semiconductor vinadhibitiwa kwa kuongeza dopants. Fuwele za silicon hutiwa fosforasi (kipengele kidogo cha V), ambacho ni wafadhili, ili kuunda fuwele ya silicon ya aina ya n. Ili kupata kioo na conductivity ya shimo, mpokeaji wa boroni huletwa kwenye silicon. Semikondukta zilizo na kiwango cha Fermi kilicholipwa ili kuisogeza hadi katikati ya pengo la bendi huundwa kwa njia sawa.
Semiconductors za seli moja
Semicondukta inayojulikana zaidi ni, bila shaka, silikoni. Pamoja na germanium, ikawa mfano wa tabaka pana la semiconductors zilizo na miundo ya fuwele inayofanana.
Muundo wa fuwele za Si na Ge ni sawa na ule wa almasi na α-bati. Ndani yake, kila atomi imezungukwa na atomi 4 za karibu, ambazo huunda tetrahedron. Uratibu huu unaitwa quadruple. Fuwele zenye dhamana ya Tetra zimekuwa msingi wa tasnia ya umeme na zina jukumu muhimu katika teknolojia ya kisasa. Vipengele vingine vya vikundi V na VI vya jedwali la upimaji pia ni semiconductors. Mifano ya semiconductors ya aina hii ni fosforasi (P), sulfuri (S), selenium (Se) na tellurium (Te). Katika semiconductors hizi, atomi zinaweza kuwa na uratibu wa mara tatu (P), mara mbili (S, Se, Te) au uratibu wa mara nne. Matokeo yake, vipengele vinavyofanana vinaweza kuwepo katika tofauti kadhaamiundo ya kioo, na pia kupatikana kwa namna ya kioo. Kwa mfano, Se imekuzwa katika kliniki moja na miundo ya fuwele ya pembetatu au kama glasi (ambayo pia inaweza kuchukuliwa kuwa polima).
- Almasi ina mshikamano bora wa halijoto, sifa bora za kiufundi na za macho, nguvu ya juu ya kiufundi. Upana wa pengo la nishati - dE=5.47 eV
- Silicon ni semicondukta inayotumika katika seli za jua na katika umbo la amofasi katika seli nyembamba za sola. Ni semiconductor inayotumika zaidi katika seli za jua, ni rahisi kutengeneza, na ina sifa nzuri za umeme na mitambo. dE=1.12 eV.
- Germanium ni semicondukta inayotumika katika uchunguzi wa gamma, seli za photovoltaic zenye utendakazi wa juu. Inatumika katika diode za kwanza na transistors. Inahitaji kusafisha kidogo kuliko silicon. dE=0.67 eV.
- Selenium ni semicondukta ambayo hutumika katika virekebishaji selenium, ambavyo vina ukinzani mkubwa wa mionzi na uwezo wa kujiponya.
Michanganyiko ya vipengele viwili
Sifa za semiconductors zinazoundwa na vipengele vya kundi la 3 na la 4 la jedwali la upimaji hufanana na sifa za dutu za kundi la 4. Mpito kutoka kwa vipengele vya kikundi 4 hadi misombo 3-4 gr. hufanya vifungo kuwa ionic kwa sababu ya uhamishaji wa malipo ya elektroni kutoka kwa atomi ya kikundi cha 3 hadi atomi ya kikundi cha 4. Iocity hubadilisha mali ya semiconductors. Ndio sababu ya kuongezeka kwa mwingiliano wa mwingiliano wa Coulomb na nishati ya pengo la bendi ya nishatimiundo ya elektroni. Mfano wa kiwanja cha binary cha aina hii ni indium antimonide InSb, gallium arsenide GaAs, gallium antimonide GaSb, indium phosfide InP, antimonide aluminiamu AlSb, gallium phosphide GaP.
Ionicity huongezeka, na thamani yake hukua hata zaidi katika misombo ya vitu vya vikundi 2-6, kama vile cadmium selenide, zinki sulfide, cadmium sulfide, cadmium telluride, zinki selenide. Matokeo yake, misombo mingi ya vikundi 2-6 ina pengo la bendi pana zaidi ya 1 eV, isipokuwa kwa misombo ya zebaki. Mercury telluride ni semicondukta isiyo na pengo la nishati, nusu-metali, kama α-bati.
Semiconductors za Kundi la 2-6 zilizo na pengo kubwa la nishati hutumika katika utengenezaji wa leza na skrini. Viunganisho vya binary vya vikundi 2-6 vilivyo na pengo la nishati iliyopunguzwa vinafaa kwa wapokeaji wa infrared. Michanganyiko ya binary ya vipengele vya vikundi 1-7 (bromidi ya shaba CuBr, iodidi ya fedha AgI, kloridi ya shaba CuCl) kutokana na ionicity yao ya juu ina pengo la bendi pana zaidi ya 3 eV. Kwa kweli sio semiconductors, lakini vihami. Ongezeko la nishati ya kutia nanga ya fuwele kutokana na mwingiliano wa ndani wa Coulomb huchangia katika uundaji wa atomi za chumvi ya mwamba zenye uratibu wa mara sita badala ya ule wa quadratic. Misombo ya vikundi 4-6 - sulfidi ya risasi na telluride, sulfidi ya bati - pia ni semiconductors. Kiwango cha ionicity ya vitu hivi pia huchangia kuundwa kwa uratibu wa mara sita. Ionicity kubwa haiwazuii kuwa na mapungufu ya bendi nyembamba sana, ambayo inaruhusu kutumika kupokea mionzi ya infrared. Nitridi ya Gallium - kiwanja cha vikundi 3-5 na pengo kubwa la nishati, imepata matumizi katika semiconductor.leza na LED zinazofanya kazi katika sehemu ya samawati ya wigo.
- GaAs, gallium arsenide, ndiyo semikondukta ya pili inayotumika zaidi baada ya silicon, ambayo hutumiwa kwa kawaida kama sehemu ndogo ya vikondakta vingine kama vile GaInNAs na InGaAs, katika diodi za IR, miduara ya juu-frequency na transistors, seli za jua zenye ufanisi wa hali ya juu., diodi za leza, vigundua tiba ya nyuklia. dE=1.43 eV, ambayo inafanya uwezekano wa kuongeza nguvu za vifaa ikilinganishwa na silicon. Ni dhaifu, ina uchafu zaidi, ni vigumu kutengeneza.
- ZnS, sulfidi zinki - zinki chumvi ya asidi hidrosulfidi yenye pengo la bendi ya 3.54 na 3.91 eV, inayotumika katika leza na kama fosphor.
- SnS, sulfidi ya bati - semiconductor inayotumika katika viboreshaji picha na photodiodi, dE=1, 3 na 10 eV.
Oksidi
Oksidi za metali ni vihami bora zaidi, lakini kuna vighairi. Mifano ya semiconductors ya aina hii ni oksidi ya nickel, oksidi ya shaba, oksidi ya cob alt, dioksidi ya shaba, oksidi ya chuma, oksidi ya europiamu, oksidi ya zinki. Kwa kuwa dioksidi ya shaba ipo kama cuprite ya madini, sifa zake zimetafitiwa sana. Utaratibu wa kuongezeka kwa semiconductors ya aina hii bado haujaelewa kikamilifu, kwa hiyo maombi yao bado ni mdogo. Isipokuwa ni oksidi ya zinki (ZnO), kiwanja cha 2-6 kinachotumika kama kibadilishaji fedha na katika utengenezaji wa kanda za wambiso na plasta.
Hali ilibadilika sana baada ya utendakazi wa hali ya juu kugunduliwa katika misombo mingi ya shaba yenye oksijeni. KwanzaSuperconductor ya halijoto ya juu iliyogunduliwa na Müller na Bednorz ilikuwa kiwanja kulingana na semiconductor La2CuO4 yenye pengo la nishati la 2 eV. Kwa kuchukua nafasi ya lanthanum trivalent na bariamu divalent au strontium, wabebaji wa malipo ya shimo huletwa kwenye semiconductor. Kufikia mkusanyiko unaohitajika wa mashimo hugeuza La2CuO4 kuwa kondakta mkuu. Kwa sasa, halijoto ya juu zaidi ya mpito hadi hali ya upitishaji maji kupita kiasi ni ya mchanganyiko HgBaCa2Cu3O8. Katika shinikizo la juu, thamani yake ni 134 K.
ZnO, oksidi ya zinki, hutumika katika viboreshaji, LED za bluu, vitambuzi vya gesi, vitambuzi vya kibayolojia, mipako ya dirisha ili kuakisi mwanga wa infrared, kama kondakta katika LCD na paneli za jua. dE=3.37 eV.
Fuwele za tabaka
Michanganyiko miwili kama vile diodidi ya risasi, gallium selenide na disulfidi ya molybdenum ina sifa ya muundo wa fuwele uliowekwa tabaka. Vifungo vya ushirikiano vya nguvu muhimu hutenda katika tabaka, na nguvu zaidi kuliko vifungo vya van der Waals kati ya tabaka zenyewe. Semiconductors ya aina hii ni ya kuvutia kwa kuwa elektroni hutenda quasi-mbili-dimensionally katika tabaka. Mwingiliano wa tabaka hubadilishwa kwa kuanzishwa kwa atomi za kigeni - kuingiliana.
MoS2, molybdenum disulfide hutumika katika vigunduzi vya masafa ya juu, virekebishaji, kumbukumbu, transistors. dE=1.23 na 1.8 eV.
Halsafa za kikaboni
Mifano ya semiconductors kulingana na misombo ya kikaboni - naphthalene, polyacetylene(CH2) , anthracene, polydiacetylene, phthalocyanides, polyvinylcarbazole. Semiconductors za kikaboni zina faida zaidi ya zile za isokaboni: ni rahisi kuwapa sifa zinazohitajika. Dutu zilizo na vifungo vilivyounganishwa vya aina ya -С=іС=vina usawa mkubwa wa macho na, kwa sababu ya hii, hutumiwa katika optoelectronics. Kwa kuongeza, maeneo ya kutokuwepo kwa nishati ya semiconductors ya kikaboni hubadilishwa kwa kubadilisha formula ya kiwanja, ambayo ni rahisi zaidi kuliko ile ya semiconductors ya kawaida. Alotropu za fuwele za kaboni fullerene, graphene, nanotubes pia ni halvledare.
- Fullerene ina muundo katika umbo la polihedroni mbonyeo yenye idadi sawa ya atomi za kaboni. Na doping fullerene C60 kwa metali ya alkali huigeuza kuwa kondakta mkuu.
- Graphene huundwa kwa safu ya kaboni ya monatomiki iliyounganishwa kwenye kimiani chenye pande mbili za hexagonal. Ina rekodi ya upitishaji joto na uhamaji wa elektroni, uthabiti wa juu
- Nanotubes ni vibao vya grafiti vilivyoviringishwa ndani ya mirija, yenye kipenyo cha nanomita chache. Aina hizi za kaboni zina ahadi kubwa katika nanoelectronics. Inaweza kuonyesha sifa za metali au nusu conductive kulingana na uunganisho.
Semiconductors za sumaku
Michanganyiko yenye europiamu ya sumaku na ioni za manganese zina sifa za kuvutia za sumaku na semicondukta. Mifano ya semiconductors za aina hii ni europium sulfide, europium selenide, na suluhu thabiti kama vile. Cd1-xMnxTe. Yaliyomo katika ioni za sumaku huathiri jinsi sifa za sumaku kama vile antiferromagnetism na ferromagnetism huonyeshwa katika dutu. Semimagnetic semiconductors ni suluhu thabiti za sumaku za halvledare ambazo zina ioni za sumaku katika mkusanyiko mdogo. Ufumbuzi huo imara huvutia tahadhari kutokana na ahadi zao na uwezo mkubwa wa maombi iwezekanavyo. Kwa mfano, tofauti na semikondukta zisizo za sumaku, zinaweza kufikia mzunguko wa Faraday mara milioni zaidi.
Athari kali za magneto-optical za semiconductors za sumaku hurahisisha kuzitumia kwa urekebishaji wa macho. Perovskites kama Mn0, 7Ca0, 3O3, kuzidi chuma- semicondukta, utegemezi wa moja kwa moja ambao kwenye uwanja wa magnetic husababisha uzushi wa magnetoresistance kubwa. Hutumika katika uhandisi wa redio, vifaa vya macho ambavyo vinadhibitiwa na uga sumaku, katika miongozo ya mawimbi ya vifaa vya microwave.
Umeme wa semiconductor
Aina hii ya fuwele hutofautishwa na kuwepo kwa matukio ya umeme ndani yake na kutokea kwa ubaguzi wa moja kwa moja. Kwa mfano, semiconductors kama vile lead titanate PbTiO3, barium titanate BaTiO3, germanium telluride GeTe, tin telluride SnTe, ambayo kwa joto la chini huwa na sifa umeme wa feri. Nyenzo hizi hutumika katika vitambuzi vya macho, kumbukumbu na piezo zisizo laini.
Aina ya nyenzo za semiconductor
Mbali na hayo hapo juudutu za semiconductor, kuna wengine wengi ambao hawana chini ya aina yoyote iliyoorodheshwa. Miunganisho ya vipengele kulingana na fomula 1-3-52 (AgGaS2) na 2-4-52 (ZnSiP2) huunda fuwele katika muundo wa chalcopyrite. Vifungo vya misombo ni tetrahedral, sawa na semiconductors ya vikundi 3-5 na 2-6 na muundo wa kioo wa mchanganyiko wa zinki. Michanganyiko inayounda vipengele vya semiconductors za vikundi 5 na 6 (kama vile As2Se3) ni semicondukta kwa namna ya fuwele au glasi.. Bismuth na chalcogenides ya antimoni hutumiwa katika jenereta za thermoelectric za semiconductor. Sifa za semiconductors za aina hii zinavutia sana, lakini hazijapata umaarufu kwa sababu ya utumiaji mdogo. Hata hivyo, ukweli kwamba zipo unathibitisha kuwepo kwa maeneo ya fizikia ya semiconductor ambayo bado hayajachunguzwa kikamilifu.
