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半導体の例。 種類、性質、実用的なアプリケーション
最も有名なのは、半導体シリコン（Si）です。 しかし、離れて彼から、他の多くのがあります。 例としては、鉱などの天然、そのような半導体材料（のZnS）、カプライト銅（Cu 2 O）、方鉛鉱（PBS）および多くの他です。 実験室で製造した半導体を含む半導体の家族は、人に知られている材料の中で最も多様なクラスのいずれかを表しています。
半導体の特性評価
13のそこから非金属-周期表の104個の要素の金属79、25である 化学元素は、 誘電体-半導体特性及び12を有します。 主半導体機能では、その導電率は温度の上昇に伴って大幅に増加することで構成されています。 低温では、彼らは絶縁体のような、そして高に振る舞う - 導体として。 これらの半導体は、金属とは異なる：金属の抵抗は温度の増加に比例して増加します。
半導体金属からもう1つの違いは、後者では、金属が影響されないが、半導体の抵抗は、光の影響下で減少することです。 不純物の少量に投与した場合にも、半導体の導電率が変化します。
半導体は異なる結晶構造を有する化学化合物の中で発見されました。 これらは、シリコン、セレン、又はガリウムヒ素などの二重の化合物などの要素であってもよいです。 ポリアセチレン、（CH）等の多くの有機化合物、N、 -半導体材料。 特定の半導体は、磁気（CD-1のx MnのX TE）または強誘電特性（SBSI）を示します。 その他の十分になる超伝導体（のGeTeとのSrTiO 3）との合金化。 新たに発見された高温超伝導体の多くは、金属製の半導体相を有します。 例えば、のLa 2 CuOを4は、半導体であるが、Srを有する合金の形成は、（LA 1-XのSr X）2 CuOを4 sverhrovodnikomなります。
物理学の教科書は、10 -4〜10 7オーム・mでの電気抵抗率を有する半導体材料として定義を与えます。 おそらく、別の定義。 半導体の禁制帯の幅 - 0〜3 eVでから。 金属および半金属 - ゼロエネルギーギャップ、それはW電子ボルトと呼ばれる絶縁体を超えた物質を有する材料。 例外があります。 1.5電子ボルト - 例えば、半導体ダイヤモンドは、広い禁制帯6 eVで、半絶縁性GaAsを有しています。 GaN系、青色領域の光電子デバイスのための材料は、3.5eVでの禁制帯幅を有しています。
エネルギーギャップ
結晶格子中の原子の価電子軌道エネルギーレベルの2つのグループに分けられる - フリーゾーン、最高レベルに位置し、以下、半導体の電気伝導度、及び価電子帯を決定します。 結晶格子構造と原子の対称性に応じて、これらのレベルは、交差することができ又は互いに離間します。 後者の場合、禁制帯領域との間のエネルギーギャップ、または他の言葉では、存在します。
位置及び充填レベルは、材料の導電特性によって決定されます。 導体、絶縁体、及び半導体で割ったこの機能性物質によります。 半導体の禁制帯幅は0.01~3 eVで、誘電体よりも3電子ボルトのエネルギーギャップを変化させます。 エネルギーギャップレベルのオーバーラップに金属がありません。
半導体および絶縁体は、金属とは対照的に、電子が価電子帯と最寄りのフリーゾーン、または伝導帯に満たされ、価電子エネルギーが破裂から柵れる - 電子の禁じられたエネルギーの一部。
誘電体に熱エネルギー又は無視できる電界がこの隙間を通ってジャンプをするのに十分ではない、電子が伝導帯を受けません。 それらは、結晶格子内を移動することができないと電流のキャリアとなります。
導電性を通電する、原子価レベルの電子は、エネルギーギャップを克服するのに十分であろうエネルギーを与えられるべきです。 エネルギー吸収量は、エネルギーギャップの値より小さくない場合にのみ、導通レベルに価電子レベルから通過します。
その場合に、エネルギーギャップの幅が4 eVで、導電半導体励起照射や加熱を超えた場合には実質的に不可能である - 融解温度での電子の励起エネルギーは、ゾーンを介してエネルギーギャップをジャンプするのに十分ではありません。 加熱すると、結晶は、電子伝導性の前に溶けます。 そのような物質は、石英（脱= 5,2 eV）で、ダイヤモンド（ドイツ= 5,1 eV）で、多くの塩が挙げられます。
外因性および内因性伝導半導体
ネット半導体結晶は、固有導電性を有します。 このような半導体固有名詞。 真性半導体は、正孔と自由電子の等しい数を含んでいます。 半導体増加の固有導電率を加熱します。 一定温度で、動的平衡の発生した電子・正孔対の量とこれらの条件下で一定のままで再結合する電子と正孔の数の条件があります。
不純物の存在は、有意半導体の電気伝導度に影響を与えます。 それらを追加すると、大幅に孔の数が少ないで自由電子の数を増加させ、伝導レベルの電子数の少ない孔の数を増やすことができます。 不純物半導体 - 不純物の導電性を有する導電体。
不純物は簡単に寄付された電子はドナーと呼ばれています。 ドナー不純物が原子と化学元素、基材の原子よりも多くの電子を含む原子価レベルであってもよいです。 例えば、リンおよびビスマス - シリコンドナー不純物。
伝導領域における電子のジャンプに必要なエネルギーは、活性化エネルギーと呼ばれます。 不純物半導体基材よりも、それをはるかに少ない必要があります。 わずかな加熱又は光を主に不純物半導体の原子の電子を解放しました。 原子が電子ホールを取り、左に置きます。 しかし、電子と正孔の再結合は行われません。 ドナーホール伝導は無視できます。 不純物原子の少量の穴に自由電子が頻繁に近づくことはできませんし、それを保持するためです。 電子は、いくつかの穴ですが、不十分なエネルギーレベルにそれらを埋めることができません。
わずかな添加ドナー不純物数桁真性半導体中の自由電子の数と比較して伝導電子の数を増加させます。 ここでの電子 - 不純物半導体の原子電荷の主なキャリア。 これらの物質は、n型半導体に属します。
半導体の電子と結合する不純物、アクセプターと呼ばれるそれの穴の数を増加させます。 アクセプタ不純物が半導体のベースよりも価レベルにおける電子数の少ない化学元素です。 ホウ素、ガリウム、インジウム - シリコンにおけるアクセプタ不純物。
半導体の特性は、その結晶構造欠陥に依存しています。 これは、非常に純粋な結晶を成長させる必要性が発生します。 半導体伝導のパラメータは、ドーパントを添加することによって制御されます。 結晶シリコンn型を作成するためのドナーであるリン（Vサブグループの元素）をドープしたシリコン結晶。 ホウ素アクセプタ投与p型シリコンと結晶の。 半導体は、このように作成されたバンドギャップの中央に移動するようにフェルミ準位を補償します。
単一元素半導体
最も一般的な半導体は、当然のことながら、シリコンです。 一緒にドイツと、彼は同様の結晶構造を持つ半導体の大きなクラスのプロトタイプでした。
構造の結晶SiおよびGeは、ダイヤモンドとα-錫のものと同じです。 これは四面体を形成する各原子4個の最寄り原子を取り囲みます。 このような調整は4回呼び出されます。 クリスタルtetradricheskoyエレクトロニクス業界向け債券スチールベースと近代的な技術で重要な役割を果たしています。 要素Vと周期表グループのVIのいくつかは、半導体です。 リン（P）、硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te） - 半導体のこのタイプの例です。 これらの半導体は、三重原子（P）、二置換（S、SE、TE）または4配位であってもよいです。 その結果、このような要素は、いくつかの異なる結晶構造で存在することができ、またガラスの形態で調製することができます。 例えば、Seが単斜晶及び三方晶系結晶構造または（また、ポリマーとみなすことができる）ウィンドウとして増殖させました。
- ダイヤモンドは、優れた熱伝導性、優れた機械的及び光学的特性、高い機械的強度を有しています。 dE = 5,47 eVの - エネルギーギャップの幅。
- シリコン - 太陽電池に使用される半導体、及びアモルファス形態、 - 薄膜太陽電池です。 これは、最も製造が容易で、半導体太陽電池で使用され、良好な電気的および機械的特性を有します。 dE = 1,12 eVで。
- ゲルマニウム - ガンマ線分光法、高性能太陽電池で使用される半導体。 最初のダイオードやトランジスタに使用されます。 これは、シリコンよりも掃除が必要です。 dE = 0.67 eVで。
- セレン - 高い耐放射線性及びそれ自身を治癒する能力を有するセレン整流器で使用される半導体、。
二元素化合物
半導体形成された素子3及び周期律表のグループ4の特性が似ている 化合物の性質 4グループ。 化合物3-4のGRへの要素の4つの群からの遷移。 原子からイオン電荷輸送電子は3グループ4グループアトムするので、部分的に通信を行います。 イオン化傾向は、半導体の性質を変更します。 これはクーロンエネルギーとイオン - イオン相互作用エネルギーギャップ電子バンド構造の増加を引き起こします。 このタイプの実施例二元化合物 - アンチモン化インジウム、InSbの、ガリウムヒ素GaAsの、ガリウムアンチモンのGaSb、インジウムリンのInP、アルミニウムアンチモンのAlSb、ガリウムリンギャップ。
イオン性が増大し、その値は、セレン化カドミウム、硫化亜鉛、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化亜鉛などの化合物2-6の化合物の他のグループを成長させます。 その結果、化合物2-6基の大部分は、水銀化合物を除いて、1電子ボルトよりも広い帯域を禁止します。 水銀テルル - α - スズのようなエネルギーギャップ半導体、半金属、無し。
より大きなエネルギーギャップを有する半導体2-6基は、レーザーおよびディスプレイの製造における使用を見出します。 バイナリグループの赤外線受信機に適し狭くギャップエネルギーを有する6 2-化合物。 高いイオン性の基1-7（第一銅臭化物のCuBr、ヨウ化銀のヨウ化銀、塩化銅のCuCl）の元素の二元化合物は、広いバンドギャップW EVを有します。 彼らはない、実際に半導体、絶縁体を行います。 クーロンinterionic相互作用エネルギーを固定結晶成長は、構造化原子は容易に塩の代わりに次の座標を、第六の順序で。 化合物4-6グループ - 硫化物、テルル化鉛、スズ硫化物 - 半導体として。 これらの物質のイオン化傾向も形成6倍の連携を推進しています。 多くのイオン性、彼らは非常に狭いバンドギャップを持つ存在を排除するものではない、彼らは赤外線を受信するために使用することができます。 窒化ガリウム-広いエネルギーギャップを有する化合物群3-5は、アプリケーションを見つける 半導体レーザ と、スペクトルの青色部分で動作する発光ダイオード。
- たGaAs、ガリウム砒素 - 要求に応じて第2のシリコン半導体後は、一般setodiodah赤外線、高周波トランジスタやIC、高効率の太陽電池、レーザーダイオード、核硬化の検出器における他の導体、例えば、GaInNAs系とInGaAsのための基質として使用されます。 シリコンに比べてパワーデバイスを向上させるのdE = 1,43 eVで、。 脆性は、製造が困難でより多くの不純物が含まれています。
- たZnS、硫化亜鉛 - レーザーおよび蛍光体として使用する禁制帯領域と3.54 3.91 eVで、と硫化水素の亜鉛塩。
- たSnS、スズ硫化物 - フォトレジスタとフォトダイオードに使用される半導体デ= 1,3および10電子ボルト。
酸化物
金属酸化物は、好ましくは、優れた絶縁体であるが、例外もあります。 ニッケル、酸化銅、酸化コバルト、酸化銅、酸化鉄、酸化ユーロピウム、酸化亜鉛 - 半導体のこのタイプの例です。 銅二酸化鉱物カプライトとして存在するので、その特性は、集中的に研究しました。 半導体のこの種の栽培のための手順は、まだ完全には明らかではないので、その使用はまだ限られています。 例外は、酸化亜鉛（ZnO）、化合物群2-6は、トランスデューサとして、接着テープ及びプラスターの製造に使用されます。
超伝導は、酸素と銅の多くの化合物で発見された後、状況は劇的に変化しました。 最初の高温超伝導オープンBednorzとミュラーは、ラ2のCuO 4、2電子ボルトのエネルギーギャップに基づいて化合物半導体でした。 二価、三価ランタン、バリウム又はストロンチウムを置換、孔の半導体電荷キャリアに導入されます。 必要に応じて正孔濃度を達成することのLa 2 CuOを4超伝導体になります。 このとき、超伝導状態への遷移の最高温度がHgBaCa 2のCu 3 O 8を化合物に属します。 高圧で、その値は134 Kです。
酸化亜鉛、酸化亜鉛バリスタは、LCDディスプレイや太陽電池に導体として、赤外光を反射するように、青色発光ダイオード、ガスセンサー、生体センサー、コーティングウィンドウを使用されています。 dE = 3.37 eVで。
層状の結晶
ジアイオダイド鉛、ガリウム、セレン及び二硫化モリブデンなどの二重の化合物は、層状の結晶構造を異なります。 層である 共有結合 層自体の間のファンデルワールス結合よりはるかに強いかなりの強度の、。 電子は準二次元の層で動作するので、このようなタイプの半導体は興味深いものです。 インターカレーション - 層の相互作用は、外側原子を導入することによって変更されます。
MoS 2は、二硫化モリブデンは、高周波検出器、整流器、メモリスタ、トランジスタに使用されます。 dE = 1,23と1.8 eVの。
有機半導体
ナフタレン、ポリアセチレン（CH 2）nは、アントラセン、ポリジアセチレン、ftalotsianidy、ポリビニルカルバゾール-有機化合物に基づいて半導体の例。 有機半導体は、非有機勝る利点を持っている：彼らは、所望の品質を付与するために簡単です。 共役結合を有する物質は、-C = C-C =かなりの光学非線形性を有し、かつ、これにより、オプトエレクトロニクスに適用形成します。 また、式のエネルギーバンドギャップの有機半導体化合物は、従来の半導体に比べてそれほど容易変化を変化させます。 また、半導体 - 炭素フラーレン、グラフェン、カーボンナノチューブの結晶性同素体。
- フラーレンは、閉じた凸多面体ugleoroda原子の偶数の形で構造を有しています。 アルカリ金属をドープフラーレンC 60は、超伝導体に変換します。
- グラファイトカーボン単原子層が形成され、二次元六方格子に接続されています。 録音は、導電性と電子移動度、高い剛性を持っています
- ナノチューブは、数ナノメートルの直径を有するチューブ黒鉛板に圧延されます。 炭素のこれらのフォームは、ナノエレクトロニクスにおける大きな期待を持っています。 カップリングに応じて金属又は半導体の品質であってもよいです。
磁性半導体
ユーロピウムとマンガンの磁気イオンを有する化合物は、好奇心、磁気や半導体特性を持っています。 半導体のこのタイプの例-ユーロピウム硫化物、セレン化物ユーロピウム及び固溶体、例えばCD 1-x MnはXテ。 磁性イオンの含有量は、両物質は、強磁性および反強磁性としての磁気特性を示す影響を及ぼす。 半磁性半導体は - 低濃度で磁気イオンを含むハード磁性半導体ソリューションです。 このような固溶体は、あなたの見通しと可能な用途の大きな可能性の注目を集めます。 例えば、非磁性半導体とは対照的に、彼らは百万倍大きいファラデー回転に到達することができます。
磁性半導体の強力な磁気の効果は、光変調のためのそれらの使用を許可します。 ペロブスカイトは、Mnが0.7のCa 0.3 O 3のように、その特性は、金属-半導体転移、巨大磁気抵抗現象の磁界結果に直接依存性に優れています。 それらは、磁場によって制御されている無線、光学機器、マイクロ波導波路デバイスで使用されています。
半導体強誘電体
この種結晶は、それらの電気モーメント及び自発分極の発生に存在することを特徴とします。 例えば、そのような特性は、半導体がチタン酸のPbTiO 3、チタン酸バリウムBaTiO 3を、ゲルマニウムテルル、GeTeを、低温で強誘電特性を有する錫テルルSnTeでは、リードされています。 これらの材料は、非線形光学、圧電センサ及びメモリデバイスで使用されています。
種々の半導体材料
上記の半導体材料に加えて、これらのタイプのいずれかに該当しない他の多くがあります。 式1-3-5の要素2（AgGaS 2）及び2-4-5 2（ZnSiP 2）の化合物は、カルコパイライト結晶構造を形成します。 閃亜鉛鉱結晶構造と四面体の化合物に類似した半導体3-5と2-6のグループにお問い合わせください。 結晶またはガラスの形態における半導体-半導体素子5及び（3 SE 2と同様の）6基を形成する化合物。 ビスマスとアンチモンのカルコゲナイド半導体熱電発電に使用されています。 半導体のこのタイプの性質は非常に興味深いですが、彼らは原因限られたアプリケーションに人気を得ていません。 しかし、それらが存在するという事実は、まだ完全には半導体物理学の分野を調査していないの存在を確認します。
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