Enghreifftiau o lled-ddargludyddion. Mathau, eiddo, ceisiadau ymarferol

Yr enwocaf yw'r silicon lled-ddargludyddion (Si). Ond ar wahân oddi wrtho, mae llawer o bobl eraill. Enghreifftiau yw naturiol, deunyddiau lled-ddargludydd megis blend (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PbS) a llawer o rai eraill. Mae teulu lled-ddargludyddion, gan gynnwys lled-ddargludyddion a baratowyd mewn labordai, yn cynrychioli un o'r dosbarthiadau mwyaf amrywiol o ddeunyddiau hysbys i ddyn.

Nodweddu o lled-ddargludyddion

O'r 104 o elfennau yn y tabl cyfnodol yn fetelau 79, 25 - nonmetals y mae'r 13 o elfennau cemegol yn meddu ar eiddo semiconducting a 12 - deuelectrig. Prif nodwedd lled-ddargludyddion yn cynnwys mewn bod eu dargludedd yn cynyddu'n sylweddol gyda chynnydd tymheredd. Ar dymheredd isel, maent yn ymddwyn fel ynysyddion, ac ar uchel - fel dargludyddion. Mae'r lled-ddargludyddion yn wahanol o fetel: gwrthiant metel yn cynyddu yn gyfrannol at y cynnydd yn y tymheredd.

Gwahaniaeth arall o'r metel lled-ddargludyddion yw bod y gwrthiant y lled-ddargludyddion yn lleihau o dan ddylanwad golau, tra yn yr olaf nid y metel yn cael ei effeithio. Hefyd mae'r dargludedd o lled-ddargludyddion yn amrywio pan weinyddir i swm bach o amhuredd.

Lled-ddargludyddion yn cael eu canfod ymhlith cyfansoddion cemegol gyda gwahanol strwythurau grisial. Gall y rhain fod yn elfennau megis silicon a seleniwm, neu gyfansoddion ddwbl fel arsenide gallium. Mae llawer o gyfansoddion organig, megis polyacetylene, (CH) _n, - deunyddiau lled-ddargludydd. Mae rhai lled-ddargludyddion arddangos magnetig (Cd _1-x Mn _x Te) neu eiddo ferroelectric (SbSI). Arall alloying gyda digon yn dod yn superconductors (GeTe a SrTiO _3). Mae llawer o'r superconductors uchel-tymheredd newydd eu darganfod yn cael cam semiconducting metelaidd. Er enghraifft, La ₂ CuO ₄ yn lled-ddargludyddion, ond ffurfio'r aloi gyda Sr yn dod yn sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

gwerslyfrau ffiseg yn rhoi diffiniad fel y deunydd lled-ddargludydd sydd â gwrthedd trydanol o 10 ^-4 i 10 ⁷ ohmau · m. Efallai diffiniad amgen. Mae lled y band gwahardd y lled-ddargludydd - 0-3 eV. Metelau a semimetals - deunydd gyda sero bwlch ynni, a'r sylwedd y mae'n fwy na W eV a elwir yn ynysyddion. Mae yna eithriadau. Er enghraifft, mae diemwnt lled-ddargludyddion Mae gwahardd eang parth 6 eV, lled-insiwleiddio GaAs - 1,5 eV. Mae Gan, deunydd ar gyfer dyfeisiau optoelectroneg yn y rhanbarth glas, lled band gwaharddedig o 3.5 eV.

y bwlch ynni

orbitalau Valence atomau yn y ddellten grisial yn cael eu rhannu'n ddau grŵp o lefelau egni - parth rhydd, a leolir ar y lefel uchaf, ac yn penderfynu ar y dargludedd trydanol o lled-ddargludyddion, a'r band falens, isod. Mae'r lefelau hyn, gall ddibynnu ar gymesuredd y strwythur ddellten grisial a atomau croestorri neu gael eu gofod oddi wrth ei gilydd. Yn yr achos olaf mae bwlch ynni, neu mewn geiriau eraill, rhwng y parthau band wahardd.

Mae lleoliad a lefel llenwi yn cael ei benderfynu gan y priodweddau dargludol y deunydd. Yn ôl at y sylwedd nodwedd rannu gan y dargludyddion, ynysyddion, a lled-ddargludyddion. Mae lled y band gwahardd y lled-ddargludyddion yn amrywio 0.01-3 eV, mae'r bwlch ynni y deuelectrig na 3 eV. Nid yw metelau oherwydd y gorgyffwrdd o lefelau bylchau ynni.

Lled-ddargludyddion ac ynysyddion, yn wahanol i'r metelau, mae'r electronau yn cael eu llenwi band falens a'r parth rhydd agosaf, neu'r band dargludiad, yr egni falens wedi'i ffensio i ffwrdd oddi wrth rhwygo - gyfran o egni gwaharddedig o electronau.

Mewn dielectrics Nid yw ynni thermol neu maes trydanol ddibwys yn ddigon i wneud y naid drwy'r bwlch hwn, nid yr electronau yn ddarostyngedig i'r band dargludiad. Maent yn gallu symud drwy'r ddellten grisial ac yn dod yn gludwyr y cerrynt trydanol.

Er mwyn symbylu y dargludedd trydanol, dylid electron yn lefel falens yn cael ei roi egni, a fyddai'n ddigon i oresgyn y bwlch ynni. Dim ond pan fydd y swm o amsugno ynni yn nid yn llai na gwerth bwlch ynni, a fydd yn trosglwyddo o'r lefel electron falens ar y lefel dargludiad.

Yn yr achos hwnnw, os yw'r lled y bwlch ynni yn fwy na 4 eV, lled-ddargludyddion dargludedd arbelydriad excitation neu wres yn bron yn amhosibl - nid yr egni excitation y electronau ar y tymheredd ymdoddi yn ddigonol i neidio bwlch ynni drwy'r parth. Pan wresogi, y grisial toddi o flaen y dargludedd electronig. sylweddau o'r fath yn cynnwys cwarts (DE = 5,2 eV), diemwnt (DE = 5,1 eV), mae llawer o halwynau.

Anghynhenid a cynhenid lled-ddargludyddion dargludedd

crisialau lled-ddargludyddion net yn cael dargludedd cynhenid. lled-ddargludyddion fath enwau priod. lled-ddargludyddion cynhenid yn cynnwys nifer gyfartal o dyllau a electronau rhydd. Wrth gwresogi dargludedd cynhenid lled-ddargludyddion yn cynyddu. Ar dymheredd cyson, mae un o amodau swm gydbwysedd deinamig o barau electron-twll a gynhyrchir a nifer yr electronau hailgyfuno a thyllau, sy'n aros yn gyson dan yr amodau hyn.

Mae presenoldeb amhureddau effeithio'n sylweddol ar dargludedd trydanol o lled-ddargludyddion. eu hychwanegu yn caniatáu cynyddu yn fawr y nifer o electronau rhydd mewn nifer fach o dyllau a chynyddu nifer y tyllau gyda nifer fach o electronau yn y lefel dargludiad. lled-ddargludyddion amhuredd - y dargludyddion cael y dargludedd amhuredd.

hawdd Gelwir amhureddau yn cael eu rhoi electronau yn rhoddwr. Gall amhureddau rhoddwr fod yn elfennau cemegol gyda'r atomau, lefelau falens sy'n cynnwys mwy nag electronau atomau y deunydd sylfaen. Er enghraifft, ffosfforws a bismwth - a amhureddau rhoddwr silicon.

Mae'r egni sy'n ofynnol ar gyfer y naid o electron yn y rhanbarth dargludiad, a elwir yn egni actifadu. Mae angen i lled-ddargludyddion amhuredd llawer llai ohono na'r deunydd sylfaen. Gydag ychydig o wres neu olau electronau o atomau o lled-ddargludyddion amhuredd rhyddhau yn bennaf. Rhowch gadael yr atom yn cymryd twll electron. Ond nid y ailgyfuno twll electron yn digwydd. dargludedd twll rhoddwr yn ddibwys. Mae hyn oherwydd nad ychydig bach o atomau amhuredd yn caniatáu electronau rhydd yn aml yn agosach at y twll ac i'w gynnal. Electronau rhai tyllau, ond nid ydynt yn gallu llenwi oherwydd lefel egni annigonol.

Ychwanegyn amhuredd rhoddwr bach sawl gorchymyn yn cynyddu nifer yr electronau dargludiad o gymharu â nifer yr electronau rhydd yn y lled-ddargludydd cynhenid. Electronau yma - y prif gludwyr taliadau atomig o lled-ddargludyddion amhuredd. Mae'r rhain yn sylweddau yn perthyn i lled-ddargludyddion-math n.

Amhureddau sy'n rhwymo electronau o'r lled-ddargludyddion, gan gynyddu nifer y tyllau ynddi, a elwir acceptor. amhureddau acceptor yn elfennau cemegol gyda nifer llai o electronau yn y lefel falens na'r waelod y lled-ddargludyddion. Boron, gallium, Indiwm - acceptor amhuredd yn silicon.

Mae nodweddion y lled-ddargludydd yn ddibynnol ar ei strwythur grisial ddiffygion. Mae hyn yn achosi yr angen i dyfu grisialau pur hynod. Mae'r paramedrau y dargludiad lled-ddargludyddion a reolir drwy ychwanegu dopants. crisialau Silicon doped gyda ffosfforws (elfen is-grŵp V) sydd yn rhoddwr i greu silicon grisial n-fath. Am grisial gyda acceptor boron-fath p silicon gweinyddu. Lled-ddargludyddion iawndal lefel Fermi i symud i mewn ganol y bwlch band a grëwyd yn y modd hwn.

lled-ddargludyddion un-elfen

Mae'r lled-ddargludyddion mwyaf cyffredin yw, wrth gwrs, silicon. Ynghyd â Almaen, ef oedd y prototeip o dosbarth mawr o lled-ddargludyddion sydd â strwythurau grisial tebyg.

grisial Strwythur Si a Ge yr un fath ag o'r diemwnt a α-tun. Mae'n amgylchynu pob atom 4 atomau agosaf sy'n ffurfio tetrahedron. Gelwir cydlynu o'r fath yn bedair gwaith. Crisialau tetradricheskoy sylfaen dur bond ar gyfer y diwydiant electroneg ac yn chwarae rhan allweddol mewn technoleg fodern. Mae rhai o'r elfennau V a VI o'r grŵp tabl cyfnodol yn lled-ddargludyddion hefyd. Mae enghreifftiau o'r math hwn o lled-ddargludyddion - ffosfforws (P), sylffwr (S), seleniwm (Se) a tellurium (Te). Gall y rhain fod yn lled-ddargludyddion atomau driphlyg (P), disubstituted (S, Se, Te) neu cydlynu bedair gwaith yn fwy. O ganlyniad, gall elfennau o'r fath yn bodoli mewn nifer o strwythurau crisialog wahanol, ac hefyd fod yn barod ar ffurf gwydr. Er enghraifft, Se tyfu mewn adeileddau grisial monoclinic a trigonol neu fel ffenestr (y gellir hefyd ei ystyried fel polymer).

- Mae gan Diamond dargludedd thermol ardderchog, eiddo mecanyddol ac optegol rhagorol, cryfder uchel mecanyddol. Mae lled y bwlch ynni - DE = 5,47 eV.

- Silicon - lled-ddargludyddion a ddefnyddir mewn celloedd solar, a ffurf amorffaidd, - mewn denau-ffilm celloedd solar. Dyma'r mwyaf a ddefnyddir mewn celloedd solar lled-ddargludyddion, yn hawdd i gynhyrchu, meddu ar nodweddion trydanol a mecanyddol da. DE = 1,12 eV.

- Germaniwm - lled-ddargludyddion a ddefnyddir yn y sbectrosgopeg pelydr-gama, perfformiad uchel celloedd solar. A ddefnyddir yn y deuodau cyntaf a transistorau. Mae'n gofyn llai glanhau na silicon. DE = 0,67 eV.

- Seleniwm - yn lled-ddargludyddion, sy'n cael ei ddefnyddio yn y Rectifier seleniwm yn cael gwrthiant ymbelydredd uchel a'r gallu i wella ei hun.

cyfansoddion Dau-elfen

Priodweddau lled-ddargludyddion elfennau 3 a 4 o'r grwpiau tabl cyfnodol a ffurfiwyd debyg y priodweddau cyfansoddion 4 grŵp. Mae'r newid o'r 4 grŵp o elfennau i gwaethygu'r 3-4 gr. Mae'n gwneud cyfathrebu yn rhannol oherwydd bod electronau cludiant am ddim ïonig o atom i atom 3 Grŵp 4 Grŵp. Ionicity yn newid priodweddau lled-ddargludyddion. Mae'n achosi cynnydd yn y rhyngweithio ynni a ïon-ion bwlch ynni strwythur band electron Coulomb. ENGHRAIFFT cyfansoddion deuaidd o'r math hwn - antimonide Indiwm, InSb, GaAs arsenide gallium, gallium antimonide GaSb, ffosffid Indiwm INP, antimonide alwminiwm AlSb, ffosffid galiwm GAP.

Ionicity yn cynyddu ac mae ei werth yn tyfu mwy o grwpiau mewn cyfansoddion 2-6 cyfansoddion, fel selenide cadmiwm, sylffid sinc, sylffid cadmiwm, Telluride cadmiwm, selenide sinc. O ganlyniad, mae'r rhan fwyaf o gyfansoddion 2-6 grwpiau gwahardd band ehangach na 1 eV, ac eithrio cyfansoddion mercwri. Mercury Telluride - heb lled-ddargludyddion bwlch ynni, lled-metel, fel α-tun.

Lled-ddargludyddion 2-6 o grwpiau gyda bwlch ynni defnydd dod o hyd mwy o faint wrth gynhyrchu laserau ac arddangosfeydd. grwpiau deuaidd 6 2- cyfansoddyn gyda egni bwlch wedi culhau yn addas ar gyfer derbynwyr is-goch. cyfansoddion deuaidd o elfennau o grwpiau 1-7 (CuBr cuprous bromid, arian ïodid AGI, copr clorid CuCl) oherwydd y ionicity uchel yn cael W eV bandgap ehangach. Nid ydynt yn lled-ddargludyddion mewn gwirionedd, ac ynysyddion. Twf Crystal angori ynni oherwydd rhyngweithio interionic Coulomb yn hwyluso atomau strwythuro halen â gorchymyn dosbarth, yn hytrach na'r cwadratig gydlynu. Cyfansoddion 4-6 grŵp - sylffid, Telluride plwm, tun sylffid - fel lled-ddargludyddion. Ionicity o'r sylweddau hyn hefyd yn hyrwyddo ffurfio chwe gwaith cydlynu. Mae llawer Ni ionicity atal presenoldeb ganddynt fylchau band cul iawn, gellir eu defnyddio ar gyfer derbyn ymbelydredd is-goch. nitrid Gallium - a grwpiau cyfansawdd 3-5 gyda bwlch ynni eang, dod o hyd i gais mewn laserau lled-ddargludyddion a deuodau sy'n allyrru golau sy'n gweithredu yn y rhan glas y sbectrwm.

- GaAs, galiwm arsenid - ar y galw ar ôl yr ail lled-ddargludyddion silicon yn cael ei ddefnyddio yn gyffredin fel is-haen ar gyfer arweinyddion eraill, er enghraifft, GaInNAs a InGaAs, mewn is-goch setodiodah, transistorau amledd uchel a IC, celloedd solar effeithlon iawn, deuodau laser, synwyryddion o iachâd niwclear. DE = 1,43 eV, sy'n gwella dyfeisiau pŵer o'i gymharu â silicon. Brau, yn cynnwys mwy o amhureddau anodd i weithgynhyrchu.

- ZnS, sinc sylffid - halen sinc hydrogen sylffid â'r parthau band gwaharddedig a 3.54 3.91 eV, a ddefnyddir mewn laserau ac fel ffosffor.

- GAA, tun sylffid - lled-ddargludyddion a ddefnyddir mewn photoresistors a photodiodes, DE = 1,3 a 10 eV.

ocsidau

Mae'r ocsidau metel gorau oll os yw ynysyddion rhagorol, ond mae yna eithriadau. Mae enghreifftiau o'r math hwn o lled-ddargludyddion - ocsid nicel, copr ocsid, ocsid cobalt, copr deuocsid, ocsid haearn, europium ocsid, ocsid sinc. Ers copr deuocsid yn bodoli fel y cuprite mwynau, ei briodweddau astudiwyd ddwys. Nid oedd y weithdrefn ar gyfer trin y tir o'r math hwn o lled-ddargludyddion eto hollol glir, felly mae eu defnydd yn dal yn gyfyngedig. Un eithriad yw grwpiau cyfansawdd 2-6 sinc ocsid (ZnO), yn cael ei ddefnyddio fel y transducer ac wrth gynhyrchu tapiau gludiog a phlaster.

Mae'r sefyllfa newid yn ddramatig ar ôl superconductivity ei ddarganfod mewn llawer o gyfansoddion o gopr ag ocsigen. Mae'r dra-dargludyddion tymheredd uchel cyntaf yn agor Bednorz a Muller, yn lled-ddargludyddion cyfansawdd yn seiliedig ar La ₂ CuO _4, mae'r bwlch ynni 2 eV. Amnewid deufalent trivalent Lanthanwm, bariwm neu strontiwm, gyflwyno i'r cludwyr tâl lled-ddargludyddion o dyllau. Mae cyflawni crynodiad twll angenrheidiol gwneud La ₂ CuO ₄ dra-dargludyddion. Ar hyn o bryd, y tymheredd uchaf o drosglwyddo i'r wladwriaeth superconducting yn perthyn cyfansawdd HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Ar bwysedd uchel, ei werth yn 134 K.

ZnO, varistor sinc ocsid yn cael ei ddefnyddio, deuodau allyrru golau glas-, synwyryddion nwy, synwyryddion biolegol, ffenestri haenau i adlewyrchu golau is-goch, fel arweinydd mewn arddangosfeydd LCD a batris solar. DE = 3.37 eV.

crisialau haenog

cyfansoddion dwbl fel plwm diiodide, selenide gallium a deusylffid molybdenwm yn wahanol strwythur grisial haenog. Mae'r haenau yn bondiau cofalent o gryfder sylweddol, llawer cryfach na'r van der Waals bondiau rhwng yr haenau eu hunain. Lled-ddargludyddion math o'r fath yn ddiddorol oherwydd yr electronau yn ymddwyn mewn haenau o lled-dau-ddimensiwn. Rhyngweithio o haenau yn cael ei newid drwy gyflwyno atomau allanol - Blwyddyn ychwanegol.

DIWEDD _2, disulfide folybdenwm yn cael ei ddefnyddio mewn synwyryddion amledd uchel, Rectifier, memristor, transistorau. DE = 1,23 a 1.8 eV.

lled-ddargludyddion organig

Mae enghreifftiau o lled-ddargludyddion ar sail cyfansoddion organig - naphthalene, polyacetylene (CH _{2) n,} anthrasen, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. lled-ddargludyddion organig fantais dros anorganig: eu bod yn hawdd i drosglwyddo ansawdd a ddymunir. Sylweddau gyda bondiau cyfun yn ffurfio = C = C-C meddu sylweddol optegol aflinoldeb ac, oherwydd hyn, mewn optoelectroneg cymhwyso. Ar ben hynny, mae'r bwlch band ynni lled-ddargludyddion organig cyfansawdd o'r fformiwla yn amrywio newid sy'n llawer haws na hynny o lled-ddargludyddion confensiynol. allotropes crisialog o fullerenes carbon, graphene, nanotiwbiau - hefyd lled-ddargludyddion.

- Mae gan ffwleren strwythur ar ffurf gaeedig ugleoroda polyhedron amgrwm hyd yn oed yn nifer yr atomau. Mae ffwleren cyffuriau C ₆₀ gyda fetel alcali yn trawsnewid i mewn i dra-dargludyddion.

- haen monoatomic carbon graffit yn cael ei ffurfio, yn gysylltiedig mewn dellten chweonglog dau ddimensiwn. Mae Cofnod dargludedd a'r symudedd electron, anhyblygrwydd uchel

- nanotubes yn cael eu rholio i mewn i blât graffit tiwb gael diamedr o sawl nanometr. Mae'r ffurflenni hyn o garbon yn cael addewid mawr mewn nanoelectroneg. Yn dibynnu ar y coupling fod yn metelaidd neu lled-ddargludyddion o ansawdd.

lled-ddargludyddion magnetig

Cyfansoddion gyda ïonau magnetig o europium a manganîs wedi eiddo magnetig a semiconducting chwilfrydig. Mae enghreifftiau o'r math hwn o lled-ddargludyddion - sylffid europium, europium selenide ac atebion solet, megis Cd _1-x Mn _x Te. Mae cynnwys yr ïonau magnetig yn effeithio ar ddau sylwedd dangos priodweddau magnetig fel ferromagnetism a antiferromagnetism. lled-ddargludyddion Semimagnetic - yn anodd atebion lled-ddargludyddion magnetig sy'n cynnwys ïonau magnetig mewn crynodiad isel. datrysiadau cadarn o'r fath yn denu sylw eich gobaith a photensial mawr o geisiadau posibl. Er enghraifft, yn wahanol i'r lled-ddargludyddion anfagnetig, gallant gyrraedd miliwn gwaith mwy o faint cylchdro Faraday.

Effeithiau magnetooptical cryf o lled-ddargludyddion magnetig caniatáu i'w defnyddio ar gyfer modiwleiddio optegol. Perovskites, fel Mn _{0,7 0,3} Ca O _3, ei eiddo yn rhagori pontio metel-lled-ddargludyddion, a oedd dibyniaeth uniongyrchol ar y canlyniadau maes magnetig yn y ffenomen o cawr Magneto-gwrthedd. Maent yn cael eu defnyddio mewn radio, dyfeisiau optegol, sy'n cael eu rheoli gan faes magnetig, a dyfeisiau waveguide microdon.

ferroelectrics lled-ddargludyddion

Mae hyn crisialau fath yn cael ei nodweddu gan bresenoldeb yn eu eiliadau trydanol ac achosion o polareiddio digymell. Er enghraifft, eiddo o'r fath yn cael eu lled-ddargludyddion yn arwain titanate PbTiO _3, bariwm titanate BaTiO _3, Telluride germaniwm, GeTe, SnTe tun Telluride, sydd ar dymheredd isel briodweddau ferroelectric. Mae'r deunyddiau hyn yn cael eu defnyddio mewn, synwyryddion piezoelectric optegol nonlinear a dyfeisiau cof.

Mae amrywiaeth o ddeunyddiau lled-ddargludydd

Yn ogystal â deunyddiau lled-ddargludydd a grybwyllir uchod, mae llawer o bobl eraill nad ydynt yn dod o dan un o'r mathau hyn. Cyfansoddion fformiwla 1-3-5 elfen ₂ (AgGaS ₂₎ a 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂₎ ffurfio strwythur grisial calcopyrit. Cysylltwch cyfansoddion tetrahedrol lled-ddargludyddion cyfateb 3-5 a 2-6 o grwpiau gyda strwythur grisial blend sinc. Cyfansoddion sy'n ffurfio elfennau lled-ddargludyddion 5 a 6 grŵp (yn debyg i Fel ₂ Se _3), - y lled-ddargludyddion ar ffurf grisial neu wydr. Chalcogenides o bismwth a antimoni yn cael eu defnyddio mewn generaduron thermodrydanol lled-ddargludyddion. Mae'r eiddo y math hwn o lled-ddargludyddion yn hynod ddiddorol, ond nid ydynt wedi ennill poblogrwydd oherwydd y cais cyfyngedig. Fodd bynnag, mae'r ffaith eu bod yn bodoli, yn cadarnhau presenoldeb nad ymchwiliwyd yn llawn eto maes ffiseg lled-ddargludyddion.