نمونه هایی از نیمه هادی ها. انواع، خواص، کاربرد عملی

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

مشهورترین نیمه هادی سیلیکون (Si) است. اما به جز او، بسیاری دیگر نیز هستند. به عنوان مثال می توان به مواد نیمه هادی طبیعی مانند مخلوط روی (ZnS)، کوپریت (Cu₂O)، گالن (PbS) و بسیاری دیگر اشاره کرد. خانواده نیمه هادی ها، از جمله نیمه هادی های سنتز شده در آزمایشگاه، یکی از متنوع ترین کلاس های مواد شناخته شده برای بشر است.

ویژگی های نیمه هادی ها

از 104 عنصر جدول تناوبی، 79 عنصر فلز، 25 عنصر غیرفلز هستند که 13 عنصر شیمیایی دارای خواص نیمه هادی و 12 عنصر دی الکتریک هستند. تفاوت اصلی بین نیمه هادی ها این است که هدایت الکتریکی آنها با افزایش دما به طور قابل توجهی افزایش می یابد. در دماهای پایین مانند دی الکتریک ها و در دماهای بالا مانند هادی ها رفتار می کنند. تفاوت نیمه هادی ها با فلزات به این صورت است: مقاومت فلز متناسب با افزایش دما افزایش می یابد.

تفاوت دیگر بین نیمه هادی و فلز این است که مقاومت یک نیمه هادیتحت تأثیر نور قرار می گیرد، در حالی که دومی بر فلز تأثیر نمی گذارد. رسانایی نیمه هادی ها نیز با وارد شدن مقدار کمی ناخالصی تغییر می کند.

نیمه رساناها در میان ترکیبات شیمیایی با ساختارهای کریستالی متنوع یافت می شوند. اینها می توانند عناصری مانند سیلیکون و سلنیوم یا ترکیبات دوتایی مانند آرسنید گالیم باشند. بسیاری از ترکیبات آلی، مانند پلی استیلن (CH)_n، مواد نیمه هادی هستند. برخی از نیمه هادی ها خواص مغناطیسی (Cd_1-xMn_xTe) یا فروالکتریک (SbSI) از خود نشان می دهند. سایرین با دوپینگ کافی تبدیل به ابررسانا می شوند (GeTe و SrTiO₃). بسیاری از ابررساناهای با دمای بالا که اخیراً کشف شده‌اند، دارای فازهای نیمه‌رسانای غیرفلزی هستند. برای مثال، La₂CuO₄ یک نیمه رسانا است، اما وقتی با Sr آلیاژ شود به یک ابررسانا تبدیل می شود (La_1-x Sr_x)₂CuO_۴.

کتاب های درسی فیزیک، نیمه هادی را به عنوان ماده ای با مقاومت الکتریکی از 10^-4 تا 10⁷ اهم·m تعریف می کنند. یک تعریف جایگزین نیز ممکن است. شکاف باند یک نیمه هادی از 0 تا 3 eV است. فلزات و نیمه فلزات موادی با شکاف انرژی صفر هستند و موادی که در آنها از 3 eV بیشتر باشد عایق نامیده می شوند. استثناهایی نیز وجود دارد. به عنوان مثال، الماس نیمه هادی دارای شکاف باند 6 eV، GaAs نیمه عایق - 1.5 eV است. GaN، ماده ای برای دستگاه های الکترونیک نوری در ناحیه آبی، دارای فاصله باند 3.5 eV است.

شکاف انرژی

اوربیتال های ظرفیت اتم ها در شبکه بلوری به دو گروه سطوح انرژی تقسیم می شوند - منطقه آزاد واقع در بالاترین سطح و تعیین کننده هدایت الکتریکی نیمه هادی ها و نوار ظرفیت واقع در زیر. این سطوح، بسته به تقارن شبکه کریستالی و ترکیب اتم ها، می توانند با هم قطع شوند یا در فاصله ای از یکدیگر قرار گیرند. در مورد دوم، یک شکاف انرژی یا به عبارت دیگر، یک منطقه ممنوعه بین مناطق ظاهر می شود.

موقعیت و پر شدن سطوح، خاصیت رسانایی ماده را تعیین می کند. بر این اساس مواد به رسانا، عایق و نیمه هادی تقسیم می شوند. عرض باند نیمه هادی بین 0.01-3 eV تغییر می کند، شکاف انرژی دی الکتریک از 3 eV بیشتر می شود. فلزات به دلیل همپوشانی سطوح، شکاف انرژی ندارند.

نیمه هادی ها و دی الکتریک ها، بر خلاف فلزات، دارای یک باند ظرفیت پر از الکترون هستند و نزدیکترین باند آزاد یا نوار رسانایی، با یک شکاف انرژی - ناحیه ای از انرژی های ممنوعه الکترون - از نوار ظرفیت محصور شده است..

در دی الکتریک، انرژی حرارتی یا میدان الکتریکی ناچیز برای پرش از این شکاف کافی نیست، الکترون ها وارد نوار رسانایی نمی شوند. آنها قادر به حرکت در امتداد شبکه کریستالی و تبدیل شدن به حامل جریان الکتریکی نیستند.

برای برانگیختن رسانایی الکتریکی، به یک الکترون در سطح ظرفیت باید انرژی داده شود که برای غلبه بر انرژی کافی باشد.شکاف. فقط زمانی که مقداری انرژی را جذب می کند که کمتر از مقدار شکاف انرژی نباشد، الکترون از سطح ظرفیت به سطح رسانایی حرکت می کند.

در صورتی که عرض شکاف انرژی از 4 eV تجاوز کند، تحریک رسانایی نیمه هادی توسط تابش یا گرمایش عملا غیرممکن است - انرژی تحریک الکترون ها در دمای ذوب برای پرش از ناحیه شکاف انرژی کافی نیست. هنگامی که گرم می شود، کریستال ذوب می شود تا زمانی که رسانش الکترونیکی رخ دهد. این مواد شامل کوارتز (dE=5.2 eV)، الماس (dE=5.1 eV)، بسیاری از نمک‌ها هستند.

ناخالصی و رسانایی ذاتی نیمه هادی ها

کریستال های نیمه هادی خالص رسانایی خاص خود را دارند. چنین نیمه هادی هایی ذاتی نامیده می شوند. یک نیمه رسانای ذاتی حاوی تعداد مساوی حفره و الکترون آزاد است. با گرم شدن، رسانایی ذاتی نیمه هادی ها افزایش می یابد. در دمای ثابت، یک حالت تعادل دینامیکی در تعداد جفت‌های الکترون-حفره تشکیل شده و تعداد الکترون‌ها و حفره‌های در حال ترکیب مجدد ایجاد می‌شود که در شرایط معین ثابت می‌مانند.

وجود ناخالصی ها تأثیر قابل توجهی بر هدایت الکتریکی نیمه هادی ها دارد. افزودن آنها باعث می شود تا تعداد الکترون های آزاد با تعداد حفره های کم بسیار افزایش یابد و تعداد حفره های با تعداد الکترون های کم در سطح رسانایی افزایش یابد. نیمه هادی های ناخالصی هادی هایی با رسانایی ناخالصی هستند.

ناخالصی هایی که به راحتی الکترون اهدا می کنند، ناخالصی های دهنده نامیده می شوند. ناخالصی‌های دهنده می‌توانند عناصر شیمیایی با اتم‌هایی باشند که سطح ظرفیت آن‌ها حاوی الکترون‌های بیشتری نسبت به اتم‌های ماده پایه است. به عنوان مثال، فسفر و بیسموت ناخالصی های دهنده سیلیکون هستند.

انرژی مورد نیاز برای پرش یک الکترون به ناحیه رسانایی انرژی فعال سازی نامیده می شود. نیمه هادی های ناخالصی بسیار کمتر از مواد پایه به آن نیاز دارند. با حرارت یا روشنایی جزئی، عمدتاً الکترون های اتم های نیمه هادی های ناخالصی آزاد می شوند. محل خروج الکترون از اتم توسط یک حفره اشغال شده است. اما ترکیب مجدد الکترون ها در حفره ها عملاً اتفاق نمی افتد. رسانایی سوراخ اهداکننده ناچیز است. این به این دلیل است که تعداد کم اتم های ناخالصی اجازه نمی دهد الکترون های آزاد اغلب به حفره نزدیک شده و آن را اشغال کنند. الکترون ها نزدیک حفره ها هستند، اما به دلیل سطح انرژی ناکافی قادر به پر کردن آنها نیستند.

افزودن ناچیز ناخالصی دهنده با چندین مرتبه بزرگی، تعداد الکترون های رسانا را در مقایسه با تعداد الکترون های آزاد در نیمه هادی ذاتی افزایش می دهد. الکترون ها در اینجا حامل های بار اصلی اتم های نیمه هادی های ناخالصی هستند. این مواد به عنوان نیمه هادی های نوع n طبقه بندی می شوند.

ناخالصی هایی که الکترون های یک نیمه هادی را به هم متصل می کنند و تعداد سوراخ های آن را افزایش می دهند، گیرنده نامیده می شوند. ناخالصی های گیرنده عناصر شیمیایی با الکترون های کمتر در سطح ظرفیت نسبت به نیمه هادی پایه هستند. بور، گالیم، ایندیم - پذیرندهناخالصی برای سیلیکون.

ویژگی های یک نیمه هادی به عیوب ساختار کریستالی آن بستگی دارد. این دلیل نیاز به رشد کریستال های بسیار خالص است. پارامترهای هدایت نیمه هادی با افزودن مواد ناخالص کنترل می شوند. کریستال‌های سیلیکون با فسفر (عنصر زیرگروه V) که یک اهداکننده است، دوپ می‌شوند تا یک کریستال سیلیکونی نوع n ایجاد کنند. برای به دست آوردن یک کریستال با رسانایی سوراخ، یک گیرنده بور به سیلیکون وارد می شود. نیمه هادی هایی با سطح فرمی جبران شده برای انتقال آن به وسط شکاف نواری به روشی مشابه ایجاد می شوند.

نیمه هادی های تک سلولی

متداول ترین نیمه هادی البته سیلیکون است. همراه با ژرمانیوم، نمونه اولیه کلاس وسیعی از نیمه هادی ها با ساختارهای کریستالی مشابه شد.

ساختار بلورهای Si و Ge همانند الماس و α-قلع است. در آن، هر اتم توسط 4 نزدیکترین اتم احاطه شده است که یک چهار وجهی را تشکیل می دهند. این هماهنگی چهارگانه نامیده می شود. کریستال های تترا باند شده اساس صنعت الکترونیک شده اند و نقش کلیدی در فناوری مدرن دارند. برخی از عناصر گروه های V و VI جدول تناوبی نیز نیمه هادی هستند. نمونه هایی از نیمه هادی ها از این نوع عبارتند از: فسفر (P)، گوگرد (S)، سلنیوم (Se) و تلوریم (Te). در این نیمه هادی ها، اتم ها می توانند هماهنگی سه برابری (P)، دو برابری (S، Se، Te) یا چهار برابری داشته باشند. در نتیجه، عناصر مشابه می توانند در چندین مورد متفاوت وجود داشته باشندساختارهای کریستالی، و همچنین به شکل شیشه به دست می آیند. به عنوان مثال، Se در ساختارهای کریستالی مونوکلینیک و سه ضلعی یا به صورت شیشه (که می تواند یک پلیمر نیز در نظر گرفته شود) رشد کرده است.

- الماس دارای هدایت حرارتی عالی، ویژگی های مکانیکی و نوری عالی، استحکام مکانیکی بالا است. عرض شکاف انرژی - dE=5.47 eV.

- سیلیکون نیمه هادی است که در سلول های خورشیدی و به شکل آمورف در سلول های خورشیدی لایه نازک استفاده می شود. این نیمه هادی پرکاربرد در سلول های خورشیدی است، ساخت آن آسان است و خواص الکتریکی و مکانیکی خوبی دارد. dE=1.12 eV.

- ژرمانیوم نیمه هادی است که در طیف سنجی گاما و سلول های فتوولتائیک با کارایی بالا استفاده می شود. در اولین دیودها و ترانزیستورها استفاده شد. نسبت به سیلیکون به تمیز کردن کمتری نیاز دارد. dE=0.67 eV.

- سلنیوم یک نیمه هادی است که در یکسو کننده های سلنیوم استفاده می شود که دارای مقاومت در برابر تشعشع و توانایی خود ترمیمی هستند.

ترکیبات دو عنصری

خواص نیمه هادی های تشکیل شده توسط عناصر گروه های سوم و چهارم جدول تناوبی شبیه خواص مواد گروه چهارم است. انتقال از عناصر گروه 4 به ترکیبات 3-4 گرم. پیوندها را به دلیل انتقال بار الکترون از اتم گروه 3 به اتم گروه 4 تا حدی یونی می کند. یونی بودن خواص نیمه هادی ها را تغییر می دهد. دلیل افزایش اندرکنش میانی کولن و انرژی شکاف باند انرژی استساختارهای الکترونی نمونه‌ای از ترکیبات دوتایی از این نوع، آنتی‌مونید ایندیم InSb، گالیم آرسنید GaAs، گالیم آنتی‌مونید GaSb، فسفید ایندیم InP، آنتی‌مونید آلومینیوم AlSb، گالیم فسفید GaP است.

یونیته افزایش می یابد و ارزش آن در ترکیبات مواد گروه 2-6 مانند سلنید کادمیوم، سولفید روی، سولفید کادمیوم، تلورید کادمیوم، سلنید روی بیشتر می شود. در نتیجه، بیشتر ترکیبات گروه های 2-6، به جز ترکیبات جیوه، شکاف باندی بزرگتر از 1 eV دارند. تلورید جیوه یک نیمه هادی بدون شکاف انرژی، یک نیمه فلز، مانند α-قلع است.

نیمه هادی های گروه 2-6 با شکاف انرژی زیاد در تولید لیزر و نمایشگر استفاده می شود. اتصالات باینری 2-6 گروه با شکاف انرژی باریک برای گیرنده های مادون قرمز مناسب است. ترکیبات دوتایی عناصر گروه 1-7 (برمید مس CuBr، یدید نقره AgI، کلرید مس CuCl) به دلیل یونی بودن بالا، دارای شکاف نواری بیشتر از 3 eV هستند. آنها در واقع نیمه هادی نیستند، بلکه عایق هستند. افزایش انرژی لنگر انداختن کریستال به دلیل برهم کنش بین یونی کولن به ساختار اتم های نمک سنگ با هماهنگی شش برابری و نه درجه دوم کمک می کند. ترکیبات گروه 4-6 - سولفید سرب و تلورید، سولفید قلع - نیز نیمه هادی هستند. درجه یونی بودن این مواد نیز به ایجاد هماهنگی شش برابری کمک می کند. یونیته قابل توجه مانع از داشتن شکاف های باند بسیار باریک نمی شود که به آنها اجازه می دهد برای دریافت تابش مادون قرمز استفاده شوند. نیترید گالیم - ترکیبی از 3-5 گروه با شکاف انرژی گسترده، در نیمه هادی ها کاربرد پیدا کرده است.لیزرها و ال ای دی ها در قسمت آبی طیف کار می کنند.

- GaAs، آرسنید گالیم، دومین نیمه رسانای پرکاربرد پس از سیلیکون است، که معمولاً به عنوان بستری برای سایر رساناها مانند GaInNAs و InGaAs، در دیودهای IR، ریزمدارها و ترانزیستورهای فرکانس بالا، سلول های خورشیدی با راندمان بالا استفاده می شود. ، دیودهای لیزری، آشکارسازهای درمان هسته ای. dE=1.43 eV که امکان افزایش قدرت دستگاه ها را نسبت به سیلیکون فراهم می کند. شکننده، حاوی ناخالصی های بیشتری است، ساخت آن دشوار است.

- ZnS، سولفید روی - نمک روی اسید هیدروسولفید با فاصله نواری 3.54 و 3.91 eV، مورد استفاده در لیزر و به عنوان فسفر.

- SnS، سولفید قلع - نیمه هادی مورد استفاده در مقاومت های نوری و فوتودیودها، dE=1، 3 و 10 eV.

اکسید

اکسیدهای فلزی عمدتاً عایق‌های عالی هستند، اما استثناهایی هم وجود دارد. نمونه هایی از نیمه هادی ها از این نوع عبارتند از اکسید نیکل، اکسید مس، اکسید کبالت، دی اکسید مس، اکسید آهن، اکسید یوروپیوم، اکسید روی. از آنجایی که دی اکسید مس به عنوان ماده معدنی کوپریت وجود دارد، خواص آن به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. روش رشد نیمه هادی هایی از این نوع هنوز به طور کامل درک نشده است، بنابراین کاربرد آنها هنوز محدود است. استثنا اکسید روی (ZnO) است که یک ترکیب گروه 2-6 است که به عنوان مبدل و در تولید نوارهای چسب و گچ استفاده می شود.

پس از کشف ابررسانایی در بسیاری از ترکیبات مس با اکسیژن، وضعیت به طرز چشمگیری تغییر کرد. اولینابررسانای دمای بالا که توسط مولر و بدنورز کشف شد، ترکیبی مبتنی بر نیمه هادی La₂CuO₄ با شکاف انرژی 2 eV بود. با جایگزینی لانتانیم سه ظرفیتی با باریم یا استرانسیوم دو ظرفیتی، حامل های بار سوراخ به نیمه هادی وارد می شوند. رسیدن به غلظت مورد نیاز سوراخ ها، La₂CuO₄ را به یک ابررسانا تبدیل می کند. در حال حاضر، بالاترین دمای انتقال به حالت ابررسانا متعلق به ترکیب HgBaCa₂Cu₃O₈. در فشار بالا، مقدار آن 134 K است.

ZnO، اکسید روی، در وریستورها، LED های آبی، حسگرهای گاز، حسگرهای بیولوژیکی، پوشش های پنجره برای انعکاس نور مادون قرمز، به عنوان رسانا در LCD ها و پنل های خورشیدی استفاده می شود. dE=3.37 eV.

کریستالهای لایه

ترکیبات مضاعف مانند دی یدید سرب، سلنید گالیم و دی سولفید مولیبدن با ساختار کریستالی لایه ای مشخص می شوند. پیوندهای کووالانسی با استحکام قابل توجهی در لایه ها عمل می کنند، بسیار قوی تر از پیوندهای واندروالسی بین خود لایه ها. نیمه هادی هایی از این نوع جالب هستند که الکترون ها در لایه ها به صورت شبه دو بعدی رفتار می کنند. برهمکنش لایه ها با معرفی اتم های خارجی - intercalation تغییر می کند.

MoS_2، دی سولفید مولیبدن در آشکارسازهای فرکانس بالا، یکسو کننده‌ها، ممریستورها، ترانزیستورها استفاده می‌شود. dE=1.23 و 1.8 eV.

نیمه هادی های آلی

نمونه هایی از نیمه هادی های مبتنی بر ترکیبات آلی - نفتالین، پلی استیلن(CH₂) ، آنتراسن، پلی دی استیلن، فتالوسیانیدها، پلی وینیل کاربازول. نیمه هادی های آلی یک مزیت نسبت به نیمه هادی های معدنی دارند: به راحتی می توان کیفیت های مورد نظر را به آنها منتقل کرد. مواد با پیوندهای مزدوج از نوع –С=С–С=غیرخطی نوری قابل توجهی دارند و به همین دلیل در اپتوالکترونیک استفاده می شوند. علاوه بر این، مناطق ناپیوستگی انرژی نیمه هادی های آلی با تغییر فرمول ترکیب تغییر می کند که بسیار آسان تر از نیمه هادی های معمولی است. آلوتروپ های کریستالی کربن فولرن، گرافن، نانولوله ها نیز نیمه هادی هستند.

- فولرن ساختاری به شکل چند وجهی محدب بسته از تعداد زوج اتم کربن دارد. و دوپینگ فولرن C₆₀ با فلز قلیایی آن را به یک ابررسانا تبدیل می کند.

- گرافن توسط یک لایه تک اتمی کربن که به یک شبکه شش ضلعی دو بعدی متصل است تشکیل می شود. دارای رسانایی گرمایی و تحرک الکترون رکورد، سفتی بالا

- نانولوله ها صفحات گرافیتی هستند که به صورت لوله ای با قطر چند نانومتر نورد شده اند. این اشکال کربن در نانوالکترونیک نویدبخش است. بسته به کوپلینگ ممکن است ویژگی های فلزی یا نیمه رسانا از خود نشان دهد.

نیمه هادی های مغناطیسی

ترکیبات دارای یونهای مغناطیسی یوروپیوم و منگنز دارای خواص مغناطیسی و نیمه هادی عجیبی هستند. نمونه هایی از نیمه هادی ها از این نوع عبارتند از: سولفید یوروپیوم، سلنید یوروپیوم و محلول های جامد مانندسی دی_1-xMn_xTe. محتوای یون های مغناطیسی بر چگونگی آشکار شدن خواص مغناطیسی مانند ضد فرومغناطیس و فرومغناطیس در مواد تأثیر می گذارد. نیمه هادی های نیمه مغناطیسی محلول های مغناطیسی جامد نیمه هادی ها هستند که حاوی یون های مغناطیسی در غلظت کمی هستند. چنین راه حل های جامد به دلیل نوید و پتانسیل زیاد برای کاربردهای احتمالی توجه را به خود جلب می کند. به عنوان مثال، بر خلاف نیمه هادی های غیر مغناطیسی، آنها می توانند یک میلیون بار چرخش فارادی بیشتر داشته باشند.

اثرات مغناطیسی نوری قوی نیمه هادی های مغناطیسی امکان استفاده از آنها را برای مدولاسیون نوری فراهم می کند. پروسکایت هایی مانند Mn_{0، 7}Ca_{0، 3}O_3، از فلز - یک نیمه هادی، پیشی می گیرند، وابستگی مستقیم آن به میدان مغناطیسی منجر به پدیده مقاومت مغناطیسی غول پیکر می شود. آنها در مهندسی رادیو، دستگاه های نوری که توسط یک میدان مغناطیسی کنترل می شوند، در موجبرهای دستگاه های مایکروویو استفاده می شوند.

فروالکتریک نیمه هادی

این نوع کریستال ها با وجود گشتاورهای الکتریکی در آنها و وقوع پلاریزاسیون خود به خود متمایز می شوند. به عنوان مثال، نیمه هادی هایی مانند تیتانات سرب PbTiO₃، تیتانات باریم BaTiO₃، تلورید ژرمانیوم GeTe، تلورید قلع SnTe که در دماهای پایین دارای خواص هستند. فروالکتریک این مواد در حسگرهای نوری، حافظه و پیزو غیر خطی استفاده می‌شوند.

انواع مواد نیمه هادی

علاوه بر موارد فوقمواد نیمه هادی، بسیاری دیگر وجود دارند که تحت هیچ یک از انواع ذکر شده قرار نمی گیرند. اتصالات عناصر طبق فرمول 1-3-5₂ (AgGaS₂) و 2-4-5₂ (ZnSiP₂) بلورهایی را در ساختار کالکوپیریت تشکیل می دهد. پیوندهای ترکیبات چهار وجهی هستند، شبیه به نیمه هادی های گروه های 3-5 و 2-6 با ساختار کریستالی مخلوط روی. ترکیباتی که عناصر نیمه هادی های گروه 5 و 6 را تشکیل می دهند (مانند As₂Se₃) به شکل کریستال یا شیشه نیمه هادی هستند.. بیسموت و کالکوژنید آنتیموان در ژنراتورهای ترموالکتریک نیمه هادی استفاده می شود. خواص نیمه هادی های این نوع بسیار جالب است، اما به دلیل کاربرد محدود آنها محبوبیتی کسب نکرده اند. با این حال، این واقعیت که آنها وجود دارند، وجود مناطقی از فیزیک نیمه هادی ها را تأیید می کند که هنوز به طور کامل کاوش نشده اند.