반도체의 예. 유형, 속성, 실제 적용

가장 유명한 반도체는 실리콘 (Si)입니다. 그러나 그와 별개로 많은 사람들이 있습니다. ZnS (zinc blende), Cu2O, galena (PbS) 등과 같은 천연 반도체 재료가 그 예입니다. 연구실에서 합성 된 반도체를 비롯한 반도체 제품군은 사람에게 알려진 가장 다양한 종류의 재료 중 하나입니다.

반도체의 특성

주기율표의 104 개 원소 중 79 개는 금속이고, 25 개는 비금속이며, 13 개의 화학 원소 는 반도체 특성을 갖고, 12 개는 유전체이다. 반도체의 주요 차이점은 온도가 증가함에 따라 전기 전도도가 크게 증가한다는 것입니다. 저온에서 그들은 유전체처럼 행동하고 고온에서 그들은 도체처럼 행동합니다. 이 반도체는 금속과 다르다 : 금속의 저항은 온도 증가에 비례하여 증가한다.

반도체와 금속 사이의 또 다른 차이점은 금속의 영향을받지 않는 동안 반도체의 저항은 빛의 작용으로 떨어지는 것이다. 소량의 불순물이 도입되면 반도체의 전도도도 변합니다.

반도체는 다양한 결정 구조를 갖는 화합물 중에서 발견됩니다. 실리콘과 셀레늄과 같은 원소 또는 갈륨 비소와 같은 이중 화합물 일 수 있습니다. 많은 유기 화합물, 예를 들어 폴리 아세틸렌 (CH) _n 은 반도체 재료이다. 일부 반도체는 자성 (Cd _1-x Mn _x Te) 또는 강유전성 특성 (SbSI)을 나타낸다. 충분한 도핑을 한 것들이 초전도체가된다 (GeTe와 SrTiO3). 최근에 발견 된 많은 고온 초전도체는 비금속 반도체 상을 가지고 있습니다. 예를 들어, La ₂ CuO ₄ 는 반도체이지만 Sr과 합금을 형성하면 초전도체 (La _1-x Sr _x ) ₂ CuO _4가된다 .

물리 교과서는 반도체 정의를 10 ^-4 ~ 10 ⁷ Ω · m의 전기 저항을 갖는 재료로 제공합니다. 다른 정의도 가능합니다. 반도체의 금 제대의 폭은 0 내지 3eV이다. 금속 및 반 금속은 에너지가 0 인 재료이며 3eV를 초과하는 물질을 절연체라고합니다. 예외가 있습니다. 예를 들어, 반도체 다이아몬드는 폭 6eV, 반 절연 GaAs-1.5eV의 금 제대를 갖는다. 청색 영역의 광전자 소자 용 재료 인 GaN은 3.5eV의 금 제대를 가지고있다.

에너지 갭

결정 격자의 원자가 원자 궤도는 에너지 레벨의 두 그룹으로 나뉘어진다. 최고 레벨에 위치한 자유 구역과 반도체의 전기 전도도를 결정하고 낮은 원자가 밴드를 두 그룹으로 나눈다. 이들 레벨은 결정 격자의 대칭성 및 원자의 조성에 따라 교차하거나 이격 될 수있다. 후자의 경우, 영역 들간의 에너지 갭, 즉 금지 영역이 존재한다.

레벨의 위치 및 충진은 물질의 전도성을 결정합니다. 이를 기초로 물질은 도체, 절연체 및 반도체로 나뉩니다. 반도체의 금 제대의 폭은 0.01-3eV의 범위 내에서 변하며, 유전 에너지 갭은 3eV를 초과한다. 금속은 에너지 갭의 겹침으로 인한 것이 아닙니다.

반도체와 유전체는 금속과 달리 전자로 채워진 원자가 밴드를 가지고 있으며 가장 가까운 자유 구역 또는 전도 밴드는 금지 된 전자 에너지의 일부인 원자가 에너지 갭으로부터 차단됩니다.

열 에너지의 유전체 또는 작은 전계가이 틈을 통해 점프하기에 충분하지 않으면 전자가 전도대에 들어 가지 않습니다. 그들은 결정 격자 주위를 움직일 수없고 전류의 운반자가 될 수 없다.

전기 전도성을 자극하기 위해, 원자가 레벨의 전자는 에너지 갭을 극복하기에 충분한 에너지를 가질 필요가있다. 에너지 갭의 크기보다 작지 않은 양의 에너지만을 흡수함으로써, 전자는 원자가 수준에서 전도도 수준으로 갈 것입니다.

에너지 갭의 폭이 4eV를 초과하는 경우, 조사 또는 가열에 의한 반도체의 전도도의 여기는 사실상 불가능합니다. 용융 온도에서의 전자의 여기 에너지는 에너지 불연속 영역을 통과하는 점프를 위해 불충분합니다. 가열하면 전자 전도가 일어나기 전에 크리스탈이 녹습니다. 이러한 물질에는 석영 (dE = 5.2eV), 다이아몬드 (dE = 5.1eV), 많은 염이 포함됩니다.

반도체의 불순물 및 고유 전도도

순수 반도체 결정은 고유 한 전도성을 갖는다. 이러한 반도체는 독점적이라고합니다. 진성 반도체는 동일한 수의 홀과 자유 전자를 포함합니다. 가열되면 반도체의 고유 전도도가 증가합니다. 일정한 온도에서, 동적 평형의 상태는 전자 - 정공 쌍의 수와 주어진 조건 하에서 일정하게 유지되는 재결합 전자 및 정공의 수 사이에서 발생한다.

불순물의 존재는 반도체의 전기 전도성에 중요한 영향을 미친다. 그것들을 추가하면 적은 수의 홀로 자유 전자의 수를 크게 늘릴 수 있고 전도도 수준에서 적은 수의 전자로 홀의 수를 늘릴 수 있습니다. 불순물 반도체는 불순물 전도성이있는 전도체입니다.

불순물은 쉽게 전자를 포기하고, 기증자라고 불린다. 기증자 불순물은 원자가를 갖는 화학 원소 일 수 있으며, 그 원자가 수준은 기본 재료의 원자보다 많은 전자를 포함합니다. 예를 들어, 인 및 비스무트는 실리콘의 도너 불순물이다.

전자가 전도 영역으로 점프하는 데 필요한 에너지를 활성화 에너지라고합니다. 불순물 반도체는 주 물질보다 훨씬 적게 필요합니다. 약간의 가열 또는 조사로, 불순물 반도체 원자의 전자가 우세하게 방출된다. 원자를 떠난 전자의 자리는 구멍을 차지한다. 그러나 구멍으로 전자의 재결합은 거의 없다. 기증자의 홀 전도도는 무시할 만하다. 이것은 적은 수의 불순물 원자가 자유 전자가 종종 홀에 접근하여 그것을 점유하지 못하기 때문입니다. 전자는 구멍 근처에 있지만 에너지 레벨이 부족하기 때문에 전자를 채울 수 없습니다.

몇몇 순서에 의한 공여 불순물의 중요하지 않은 첨가는 진성 반도체에서 자유 전자의 수와 비교하여 전도 전자의 수를 증가시킨다. 여기에있는 전자는 불순물 반도체의 원자 전하의 주된 운반자이다. 이러한 물질은 n 형 반도체로 분류됩니다.

반도체의 전자를 묶어서 그 안에있는 구멍의 수를 늘리는 불순물을 억 셉터 (acceptor)라고합니다. 억 셉터 불순물은 기본 반도체보다 원자가 수준에서 더 적은 수의 전자를 가진 화학 원소입니다. 붕소, 갈륨, 인듐은 실리콘에 대한 억 셉터 불순물이다.

반도체의 특성은 결정 구조의 결함에 달려있다. 이것은 극도로 순수한 결정체를 성장시킬 필요가있는 이유입니다. 반도체의 전도도 파라미터는 합금 첨가제의 첨가에 의해 제어됩니다. 실리콘 결정은 n 형 실리콘 결정을 생성하는 도너 인 인 (하위 그룹 V 요소)으로 도핑됩니다. 정공 전도성을 갖는 결정을 얻기 위해, 실리콘에 붕소 수용체가 도입된다. 금지 된 밴드의 중간으로 이동시키는 보상 된 페르미 레벨을 갖는 반도체가 유사한 방식으로 생성된다.

단일 소자 반도체

가장 보편적 인 반도체는 물론 실리콘입니다. 게르마늄과 함께, 그것은 비슷한 결정 구조를 가진 다양한 종류의 반도체의 프로토 타입이되었습니다.

Si 및 Ge 결정의 구조는 다이아몬드 및 α 주석의 구조와 동일합니다. 그것에서, 각 원자는 4 면체를 형성하는 4 개의 가장 가까운 원자에 의해 둘러싸여있다. 그러한 조정은 4 중이라고 불린다. 테트라 라드 결합을 갖는 결정은 전자 산업에서 기본이되었으며 현대 기술에서 중요한 역할을 담당합니다. 주기율표의 V 및 VI 족의 일부 원소 또한 반도체이다. 이 유형의 반도체의 예로는 인 (P), 황 (S), 셀레늄 (Se) 및 텔 루륨 (Te)이 있습니다. 이 반도체에서 원자는 트리플 (P), 더블 (S, Se, Te) 또는 쿼드 러플 코디네이션을 가질 수 있습니다. 결과적으로, 이러한 요소는 여러 가지 다른 결정 구조에 존재할 수 있으며 유리 형태로도 얻을 수 있습니다. 예를 들어, Se는 단사 정계 및 삼방 정계 결정 구조 또는 유리 형태 (폴리머로 간주 될 수 있음)로 재배되었다.

- 다이아몬드는 우수한 열전도도, 우수한 기계적 및 광학적 특성, 높은 기계적 강도를 가지고 있습니다. 에너지 갭의 폭은 dE = 5.47eV이다.

- 실리콘 - 박막 태양 전지에서 태양 전지 및 비정질 형태로 사용되는 반도체. 광전지에서 가장 많이 사용되는 반도체로 제조가 쉽고 전기 및 기계적 특성이 우수합니다. DE = 1.12eV.

- 게르마늄 - 감마 분광기, 고효율 포토 셀에 사용되는 반도체. 첫 번째 다이오드와 트랜지스터에 사용됩니다. 실리콘보다 적은 청소가 필요합니다. DE = 0.67eV.

- 셀레늄 (Selenium) - 셀레늄 정류기에 사용되는 반도체로 내 방사선 성이 높고 자체 수리가 가능합니다.

2 요소 연결

Mendeleyev 표의 3 군과 4 군 요소에 의해 형성된 반도체의 성질은 4 군 의 물질 의 성질을 회상한다. 4 가지 원소 그룹에서 3 ~ 4 가지 화합물로의 전이. 그룹 3의 원자에서 그룹 4의 원자로 전자 전하가 전달되어 부분적으로 이온 결합을 만든다. 이온 성은 반도체의 성질을 변화시킨다. 그것은 전자 밴드 구조의 에너지 불연속성의 에너지와 쿨롱 상호 작용의 증가의 원인이다. 이 유형의 2 원 화합물의 예는 인듐 안티 모나 이드 InSb, 갈륨 비소화물 GaAs, 갈륨 안티몬화물 GaSb, 인화 인듐 InP, 안티몬 화 알루미늄 AlSb, 갈륨 인화물 GaP이다.

이온 성은 증가하고 그 가치는 셀레늄 카드뮴, 황화 아연, 카드뮴 황화물, 카드뮴 텔루 라이드, 아연 셀레 나이드와 같은 2-6 그룹 물질의 혼합물에서 더욱 커집니다. 결과적으로, 2-6 그룹의 대부분의 화합물에서 수은 화합물을 제외하고 금지 구역은 1eV보다 넓다. 수은 텔루 라이드는 에너지 갭이없는 반도체로, α- 주석과 같은 반 금속입니다.

에너지 갭이 큰 2-6 개 그룹의 반도체는 레이저 및 디스플레이 생산에 응용됩니다. 에너지 갭이 좁은 2 ~ 6 개 그룹의 2 중 화합물은 적외선 수신기에 적합합니다. 1-7 족 원소의 이원 체 화합물 (구리 브로마이드 CuBr, 요오드화은 AgI, 염화 구리 CuCl)은 높은 이온 성 때문에 3eV보다 넓은 금지 구역을 갖는다. 그들은 실제로 반도체가 아니라 절연체입니다. 쿨롱 상호 이온 상호 작용으로 인한 결정의 결합 에너지의 증가는 2 차 배위보다는 6 배로 암염 원자의 구조를 촉진시킨다. 황화 납 및 텔루르 화 납, 주석 황화물과 같은 4-6 그룹의 화합물도 반도체입니다. 이 물질의 이온 성도는 6 배 조정의 형성에 기여합니다. 상당한 이온 성으로 인해 매우 좁은 금지 된 밴드를 가지지 않으므로 적외선을받는 데 사용할 수 있습니다. 질화 갈륨은 넓은 에너지 갭을 갖는 3-5 그룹의 화합물로 스펙트럼의 청색 부분에서 작동하는 반도체 레이저 및 발광 다이오드에 사용됩니다.

GaAs, gallium arsenide는 실리콘 이후에 수요가 많은 두 번째 반도체로 IR-LED, 고주파 미소 회로 및 트랜지스터, 고효율 광전지, 레이저 다이오드, 핵 방사선 검출기 등의 GaInNAs 및 InGaAs와 같은 다른 도체의 기판으로 사용됩니다. DE = 1.43eV이므로 실리콘에 비해 소자의 전력을 증가시킬 수있다. 과립, 불순물이 많이 포함되어 제조가 복잡합니다.

- ZnS, 황화 아연 - 밴드 갭 3.54 및 3.91eV의 황화수소 아연 염은 레이저 및 인광체로 사용됩니다.

- SnS, 주석 황화물은 포토 레지스터 및 포토 다이오드에 사용되는 반도체로 dE = 1.3 및 10 eV입니다.

산화물

금속 산화물은 주로 우수한 절연체이지만 예외가 있습니다. 이러한 유형의 반도체의 예는 산화 니켈, 산화 구리, 산화 코발트, 이산화 구리, 산화철, 산화 유로퓸, 산화 아연이다. 이산화 구리는 구리 라이트 미네랄의 형태로 존재하기 때문에, 그 성질은 집중적으로 연구되어왔다. 이 유형의 반도체를 성장시키는 절차는 아직 완전히 이해되지 않았기 때문에, 그 응용은 여전히 제한적이다. 예외는 아연 산화물 (ZnO), 화합물 2-6 그룹으로, 변환기 및 접착 테이프 및 패치의 생산에 사용됩니다.

구리와 산소의 많은 화합물에서 초전도가 발견 된 후 상황이 크게 바뀌었다. Mueller와 Bednorz에 의해 발견 된 최초의 고온 초전도체는 2 eV의 에너지 갭을 갖는 La2Cu4 반도체 기반의 화합물이었다. 3 가의 란탄을 2 가의 바륨 또는 스트론튬으로 대체함으로써, 홀 전하의 캐리어가 반도체에 도입된다. 필요한 정공 집중을 달성하면 La ₂ CuO ₄ 가 초전도체로 전환됩니다. 현재, 초전도 상태로의 천이 온도는 화합물 HgBaCa2Cu3O8에 속한다. 높은 압력에서 그 값은 134K이다.

ZnO, 산화 아연, 바리스터, 청색 LED, 가스 센서, 생물학적 센서, 적외선을 반사하는 창 코팅, LCD 디스플레이 및 태양 전지 패널의 도체로 사용됩니다. DE = 3.37eV.

층층결 된 결정체

디아 요오드 납, 셀렌 화 갈륨 및 이황화 몰리브덴과 같은 이중 화합물은 결정의 층 구조에 의해 구별된다. 상당한 강도 의 공유 결합은 층 사이에서 반 데르 발스 결합보다 훨씬 강하게 작용합니다. 이 유형의 반도체는 전자가 준 2 차원의 층에서 거동한다는 점에서 흥미 롭습니다. 레이어의 상호 작용은 제 3 자 원자를 삽입함으로써 변경됩니다 - 삽입에 의해.

MoS _2, 몰 리브 데늄 디설파이드는 고주파 검출기, 정류기, 멤 리스터, 트랜지스터에 사용됩니다. DE = 1.23 및 1.8eV.

유기 반도체

유기 화합물을 기본으로하는 반도체의 예로는 나프탈렌, 폴리 아세틸렌 (CH2) _n , 안트라센, 폴리 디아 세틸 렌, 프탈로시아닌, 폴리 비닐 카르 바졸이 있습니다. 유기 반도체는 무기보다 이점이 있습니다. 필요한 특성을 부여하기 쉽습니다. -C = С-С = 형의 공액 본드를 갖는 물질은 유의 한 광학 비선형 성을 가지며,이 때문에 광전자 공학에 사용됩니다. 또한, 유기 반도체의 에너지 차단 영역은 기존의 반도체보다 훨씬 쉬운 화합물 공식의 변경으로 수정됩니다. 풀러렌 탄소, 그래 핀 및 나노 튜브의 결정 동소체는 또한 반도체이다.

- 플러렌 밀폐 볼록 다면체 ugleoroda 원자 짝수 형태의 구조를 갖는다. 알칼리 금속과 도핑 플러렌 C ₆₀ 초전도체로 변환한다.

- 흑연 탄소 단원 자 층이 형성된 2 차원 육방 격자로 접속된다. 기록은 전도도와 전자 이동도, 고 강성이

- 나노 튜브 나노 미터의 직경을 갖는 튜브 흑연 판으로 압연된다. 탄소 이러한 형태의 나노 전자에 큰 가능성을 가지고있다. 커플 링에 따라 금속 또는 반도체 질 수있다.

자기 반도체

유로퓸 및 망간의 자성 이온 화합물 반도체 호기심과 자기 특성을 갖는다. 반도체 유형의 예 - 유로퓸 설파이드, 셀레 나이드 유로퓸 고용체, 카드뮴 등의 Mn이 _{1 X X} 테. 자성 이온의 함유량은 모두 강자성 물질은 반 강자성과 같은 자기 특성을 발현에 영향을 미친다. Semimagnetic 반도체는 - 저농도 자성 이온을 함유 경질 자성 반도체 솔루션이다. 이러한 고체 솔루션은 전망하고 가능한 응용 프로그램의 큰 잠재력의 관심을 끈다. 예를 들어, 비자 성 반도체와 달리, 그들 만 배 큰 패러데이 회전을 달성 할 수있다.

자기 반도체의 강한 자기 효과 광 변조에 대한 사용을 할 수 있습니다. 페 로브 스카이 트 (perovskite)는 Mn이 _0.7 칼슘 _0.3 O _{3과 같이,} 그 특성은 금속 - 반도체 전이, 거대 자기 저항 현상 자계 결과에 직접적인 의존성에 우수하다. 그들은 자기장, 마이크로파 도파관 장치에 의해 제어되고, 무선, 광학 장치에서 사용된다.

반도체 강유전체

이러한 유형의 결정을 자발 분극의 그 순간에 존재 전기 발생을 특징으로한다. 예를 들어, 이러한 특성은 반도체는 티탄산 PbTiO _3, 티탄산 _{바륨을 BaTiO3,} 게르마늄 텔루 라이드, GeTe와, 저온에서 강유전체 특성이 주석 텔루 라이드 SNTE을 야기한다. 이들 물질은 비선형 광학, 압전 센서 및 메모리 장치로 사용된다.

반도체 재료의 다양

위에서 언급 한 반도체 재료뿐만 아니라, 이러한 유형 중 하나에 해당하지 않는 많은 사람들이있다. 화학식 1-3-5의 화합물은 소자 ₂ (AgGaS ₂₎ 및 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ 황동광 결정 구조를 형성한다. 섬 아연광 결정 구조와 사면체 화합물을 유사한 반도체 3-5 및 2-6기를 문의. 결정 또는 유리 형태의 반도체 - 반도체 소자 (5) 및 ₍₃ 괜찮다 _{2와 유사) 6-기를} 형성하는 화합물. 비스무트 및 안티몬의 칼 코게 나이드 반도체, 열전 발전기에 사용된다. 반도체의 이러한 유형의 특성은 매우 재미있다,하지만 인해 제한된 응용 프로그램으로 인기를 얻고하지 않았습니다. 그러나, 그들이 존재한다는 사실은, 아직 완전히 반도체 물리학 분야를 조사하지의 존재를 확인합니다.