Najpoznatiji poluvodič je silicij (Si). No, osim njega, postoje mnogi drugi. Primjer su takvi prirodni poluvodički materijali kao što su cink blende (ZnS), kuprit (Cu2O), galena (PbS) i mnogi drugi. Obitelj poluvodiča, uključujući laboratorijski sintetizirane poluvodiče, jedna je od najsvestranijih klasa materijala poznatih čovjeku.
Karakterizacija poluvodiča
Od 104 elementa periodnog sustava, 79 su metali, 25 su nemetali, od kojih 13 kemijskih elemenata ima poluvodička svojstva, a 12 su dielektrični. Glavna razlika između poluvodiča je u tome što njihova električna vodljivost značajno raste s porastom temperature. Na niskim temperaturama ponašaju se kao dielektrici, a pri visokim temperaturama ponašaju se kao vodiči. Po tome se poluvodiči razlikuju od metala: otpor metala raste proporcionalno porastu temperature.
Još jedna razlika između poluvodiča i metala je u tome što je otpor poluvodičapada pod utjecaj svjetlosti, dok potonja ne utječe na metal. Vodljivost poluvodiča također se mijenja kada se unese mala količina nečistoće.
Poluvodiči se nalaze među kemijskim spojevima s različitim kristalnim strukturama. To mogu biti elementi kao što su silicij i selen, ili binarni spojevi kao što je galijev arsenid. Mnogi organski spojevi, kao što je poliacetilen (CH)n, su poluvodički materijali. Neki poluvodiči pokazuju magnetska (Cd1-xMnxTe) ili feroelektrična svojstva (SbSI). Drugi s dovoljnim dopingom postaju supravodnici (GeTe i SrTiO3). Mnogi od nedavno otkrivenih visokotemperaturnih supravodiča imaju nemetalne poluvodičke faze. Na primjer, La2CuO4 je poluvodič, ali kada se legira sa Sr postaje supravodnik (La1-x Srx)2CuO4.
Udžbenici fizike definiraju poluvodič kao materijal s električnim otporom od 10-4 do 107 Ohm·m. Moguća je i alternativna definicija. Započni razmak poluvodiča je od 0 do 3 eV. Metali i polumetali su materijali s nultim energetskim jazom, a tvari u kojima on prelazi 3 eV nazivaju se izolatorima. Postoje i iznimke. Na primjer, poluvodički dijamant ima pojas od 6 eV, a poluizolacijski GaAs - 1,5 eV. GaN, materijal za optoelektroničke uređaje u plavoj regiji, ima pojas od 3,5 eV.
energetski jaz
Valentne orbitale atoma u kristalnoj rešetki podijeljene su u dvije skupine energetskih razina - slobodnu zonu koja se nalazi na najvišoj razini i koja određuje električnu vodljivost poluvodiča, i valentni pojas koji se nalazi ispod. Ove razine, ovisno o simetriji kristalne rešetke i sastavu atoma, mogu se presijecati ili se nalaziti na međusobnoj udaljenosti. U potonjem slučaju, između zona pojavljuje se energetski jaz ili, drugim riječima, zabranjena zona.
Položaj i punjenje razina određuju vodljiva svojstva tvari. Na temelju toga tvari se dijele na vodiče, izolatore i poluvodiče. Širina pojasa poluvodiča varira unutar 0,01-3 eV, energetski jaz dielektrika prelazi 3 eV. Metali nemaju energetski jaz zbog preklapanja razina.
Poluvodiči i dielektrici, za razliku od metala, imaju valentni pojas ispunjen elektronima, a najbliži slobodni pojas, ili pojas vodljivosti, ograđen je od valentnog pojasa energetskim jazom - područjem zabranjenih energija elektrona.
U dielektricima toplinska energija ili beznačajno električno polje nisu dovoljni da se napravi skok kroz ovu prazninu, elektroni ne ulaze u vodljivi pojas. Oni se ne mogu kretati duž kristalne rešetke i postati nositelji električne struje.
Da bi se potaknula električna vodljivost, elektron na valentnoj razini mora dobiti energiju koja bi bila dovoljna da prevlada energijujaz. Samo kada apsorbira količinu energije koja nije manja od vrijednosti energetskog jaza, elektron će se pomaknuti s valentne razine na razinu vodljivosti.
U slučaju da širina energetskog jaza prelazi 4 eV, pobuđivanje vodljivosti poluvodiča zračenjem ili zagrijavanjem je praktički nemoguće - energija pobude elektrona na temperaturi taljenja je nedovoljna za skok kroz zonu energetskog jaza. Kada se zagrije, kristal će se topiti sve dok ne dođe do elektroničkog provođenja. Te tvari uključuju kvarc (dE=5,2 eV), dijamant (dE=5,1 eV), mnoge soli.
Nečistoća i intrinzična vodljivost poluvodiča
Čisti poluvodički kristali imaju vlastitu vodljivost. Takvi poluvodiči nazivaju se intrinzičnimi. Intrinzični poluvodič sadrži jednak broj rupa i slobodnih elektrona. Pri zagrijavanju se povećava intrinzična vodljivost poluvodiča. Pri konstantnoj temperaturi nastaje stanje dinamičke ravnoteže u broju formiranih parova elektron-rupa i broju rekombinirajućih elektrona i rupa, koji ostaju konstantni pod datim uvjetima.
Prisutnost nečistoća ima značajan utjecaj na električnu vodljivost poluvodiča. Njihovim dodavanjem moguće je uvelike povećati broj slobodnih elektrona s malim brojem rupa i povećati broj rupa s malim brojem elektrona na razini vodljivosti. Poluvodiči nečistoće su vodiči s nečistoćom vodljivosti.
Nečistoće koje lako doniraju elektrone nazivaju se donorskim nečistoćama. Donatorske nečistoće mogu biti kemijski elementi s atomima čije valentne razine sadrže više elektrona od atoma osnovne tvari. Na primjer, fosfor i bizmut su nečistoće donora silicija.
Energija potrebna za skok elektrona u vodljivo područje naziva se aktivacijska energija. Poluvodičima nečistoća je potrebno mnogo manje od osnovnog materijala. Uz lagano zagrijavanje ili osvjetljenje, oslobađaju se pretežno elektroni atoma nečistoća poluvodiča. Mjesto napuštanja elektrona iz atoma zauzima rupa. Ali rekombinacija elektrona u rupe praktički se ne događa. Vodljivost otvora donora je zanemariva. To je zato što mali broj atoma nečistoće ne dopušta slobodnim elektronima da se često približe rupi i zauzmu je. Elektroni su blizu rupa, ali ih ne mogu ispuniti zbog nedovoljne razine energije.
Neznačajno dodavanje donorske nečistoće za nekoliko redova veličine povećava broj vodljivih elektrona u usporedbi s brojem slobodnih elektrona u intrinzičnom poluvodiču. Elektroni su ovdje glavni nositelji naboja atoma poluvodiča nečistoća. Ove tvari su klasificirane kao poluvodiči n-tipa.
Nečistoće koje vežu elektrone poluvodiča, povećavajući broj rupa u njemu, nazivaju se akceptorima. Akceptorske nečistoće su kemijski elementi s manje elektrona na valentnoj razini od osnovnog poluvodiča. Bor, galij, indij - akceptornečistoće za silicij.
Karakteristike poluvodiča ovise o defektima u njegovoj kristalnoj strukturi. To je razlog potrebe za uzgojem iznimno čistih kristala. Parametri vodljivosti poluvodiča kontroliraju se dodavanjem dodataka. Kristali silicija su dopirani fosforom (element podskupine V), koji je donor, kako bi se stvorio kristal silicija n-tipa. Da bi se dobio kristal s vodljivošću rupa, akceptor bora se uvodi u silicij. Poluvodiči s kompenziranom Fermijevom razinom kako bi je pomaknuli u sredinu pojasnog pojasa stvaraju se na sličan način.
Poluvodiči s jednom stanicom
Najčešći poluvodič je, naravno, silicij. Zajedno s germanijem, postao je prototip za široku klasu poluvodiča sa sličnim kristalnim strukturama.
Struktura kristala Si i Ge ista je kao dijamanta i α-kositra. U njemu je svaki atom okružen s 4 najbliža atoma, koji tvore tetraedar. Ova koordinacija se naziva četverostruka. Tetra-vezani kristali postali su temelj elektroničke industrije i igraju ključnu ulogu u modernoj tehnologiji. Neki elementi grupa V i VI periodnog sustava također su poluvodiči. Primjeri poluvodiča ovog tipa su fosfor (P), sumpor (S), selen (Se) i telurij (Te). U tim poluvodičima atomi mogu imati trostruku (P), dvostruku (S, Se, Te) ili četverostruku koordinaciju. Kao rezultat toga, slični elementi mogu postojati u nekoliko različitihkristalne strukture, a također se mogu dobiti u obliku stakla. Na primjer, Se je uzgajan u monoklinskim i trigonalnim kristalnim strukturama ili kao staklo (koje se također može smatrati polimerom).
- Dijamant ima izvrsnu toplinsku vodljivost, izvrsne mehaničke i optičke karakteristike, visoku mehaničku čvrstoću. Širina energetskog jaza - dE=5,47 eV.
- Silicij je poluvodič koji se koristi u solarnim ćelijama iu amorfnom obliku u tankoslojnim solarnim ćelijama. To je najčešće korišteni poluvodič u solarnim ćelijama, jednostavan za proizvodnju i ima dobra električna i mehanička svojstva. dE=1,12 eV.
- Germanij je poluvodič koji se koristi u gama spektroskopiji, fotonaponskim ćelijama visokih performansi. Koristi se u prvim diodama i tranzistorima. Zahtijeva manje čišćenja od silicija. dE=0,67 eV.
- Selen je poluvodič koji se koristi u selenskim ispravljačima, koji imaju visoku otpornost na zračenje i sposobnost samoizlječenja.
Spojevi s dva elementa
Svojstva poluvodiča koje čine elementi 3. i 4. skupine periodnog sustava nalikuju svojstvima tvari 4. skupine. Prijelaz iz skupine 4 elemenata u spojeve 3–4 gr. čini veze djelomično ionskim zbog prijenosa naboja elektrona s atoma skupine 3 na atom skupine 4. Joničnost mijenja svojstva poluvodiča. To je razlog povećanja Coulombove međuionske interakcije i energije energetskog pojasaelektronske strukture. Primjer binarnog spoja ove vrste je indijev antimonid InSb, galijev arsenid GaAs, galijev antimonid GaSb, indijev fosfid InP, aluminijev antimonid AlSb, galijev fosfid GaP.
Ionitet se povećava, a njegova vrijednost još više raste u spojevima tvari grupe 2-6, kao što su kadmij selenid, cink sulfid, kadmij sulfid, kadmij telurid, cink selenid. Kao rezultat toga, većina spojeva skupina 2-6 ima pojas širi od 1 eV, osim spojeva žive. Živin telurid je poluvodič bez energetskog jaza, polumetal, poput α-kositra.
Poluvodiči grupe 2-6 s velikim energetskim jazom koriste se u proizvodnji lasera i zaslona. Za infracrvene prijemnike prikladne su binarne veze 2-6 skupina sa suženim energetskim jazom. Binarni spojevi elemenata skupine 1–7 (bakrov bromid CuBr, srebro-jodid AgI, bakrov klorid CuCl) zbog svoje visoke ionnosti imaju pojas širi od 3 eV. Oni zapravo nisu poluvodiči, već izolatori. Povećanje energije sidrenja kristala zbog Coulombove međuionske interakcije pridonosi strukturiranju atoma kamene soli sa šesterostrukom, a ne kvadratičnom koordinacijom. Spojevi skupine 4–6 - olovni sulfid i telurid, kositar sulfid - također su poluvodiči. Stupanj ionnosti ovih tvari također pridonosi formiranju šesterostruke koordinacije. Značajna ionnost ne sprječava ih da imaju vrlo uske pojasne praznine, što im omogućuje da se koriste za primanje infracrvenog zračenja. Galijev nitrid - spoj od 3-5 skupina sa širokim energetskim jazom, našao je primjenu u poluvodičulaseri i LED diode koje djeluju u plavom dijelu spektra.
- GaAs, galijev arsenid, drugi je najčešće korišteni poluvodič nakon silicija, koji se obično koristi kao supstrat za druge vodiče kao što su GaInNAs i InGaAs, u IR diodama, visokofrekventnim mikro krugovima i tranzistorima, visokoučinkovitim solarnim ćelijama, laserske diode, detektori nuklearnog lijeka. dE=1,43 eV, što omogućuje povećanje snage uređaja u odnosu na silicij. Krhak, sadrži više nečistoća, težak za proizvodnju.
- ZnS, cink sulfid - cink sol hidrosulfidne kiseline s razmakom od 3,54 i 3,91 eV, koristi se u laserima i kao fosfor.
- SnS, kositreni sulfid - poluvodič koji se koristi u fotootpornicima i fotodiodama, dE=1, 3 i 10 eV.
Oksidi
Metalni oksidi su uglavnom izvrsni izolatori, ali postoje iznimke. Primjeri poluvodiča ove vrste su nikal oksid, bakrov oksid, kob altov oksid, bakrov dioksid, željezov oksid, europijev oksid, cink oksid. Budući da bakrov dioksid postoji kao mineral kuprit, njegova svojstva su opsežno istražena. Postupak uzgoja poluvodiča ove vrste još nije u potpunosti shvaćen, pa je njihova primjena još uvijek ograničena. Iznimka je cinkov oksid (ZnO), spoj skupine 2-6 koji se koristi kao pretvarač i u proizvodnji ljepljivih traka i flastera.
Situacija se dramatično promijenila nakon što je otkrivena supravodljivost u mnogim spojevima bakra s kisikom. PrviVisokotemperaturni supravodič koji su otkrili Müller i Bednorz bio je spoj baziran na poluvodiču La2CuO4 s energetskim jazom od 2 eV. Zamjenom trovalentnog lantana dvovalentnim barijem ili stroncijem, u poluvodič se uvode rupičasti nosači naboja. Postizanje potrebne koncentracije rupa pretvara La2CuO4 u supravodič. Trenutno, najviša temperatura prijelaza u supravodljivo stanje pripada spoju HgBaCa2Cu3O8. Pri visokom tlaku, njegova vrijednost je 134 K.
ZnO, cink oksid, koristi se u varistorima, plavim LED diodama, plinskim senzorima, biološkim senzorima, premazima prozora za reflektiranje infracrvene svjetlosti, kao vodič u LCD-ima i solarnim panelima. dE=3,37 eV.
Slojevi kristali
Dvostruki spojevi kao što su olovni dijodid, galijev selenid i molibden disulfid karakteriziraju slojevita kristalna struktura. U slojevima djeluju kovalentne veze značajne čvrstoće, mnogo jače od van der Waalsovih veza između samih slojeva. Poluvodiči ovog tipa zanimljivi su po tome što se elektroni ponašaju kvazi-dvodimenzionalno u slojevima. Interakcija slojeva mijenja se uvođenjem stranih atoma - interkalacijom.
MoS2, molibden disulfid se koristi u visokofrekventnim detektorima, ispravljačima, memristorima, tranzistorima. dE=1,23 i 1,8 eV.
Organski poluvodiči
Primjeri poluvodiča na bazi organskih spojeva - naftalen, poliacetilen(CH2) , antracen, polidiacetilen, ftalocijanidi, polivinilkarbazol. Organski poluvodiči imaju prednost u odnosu na anorganske: lako im je prenijeti željene kvalitete. Tvari s konjugiranim vezama tipa –S=YS=imaju značajnu optičku nelinearnost i zbog toga se koriste u optoelektronici. Osim toga, zone energetskog diskontinuiteta organskih poluvodiča mijenjaju se promjenom formule spoja, što je mnogo lakše nego kod konvencionalnih poluvodiča. Kristalni alotropi ugljičnog fulerena, grafena, nanocijevi su također poluvodiči.
- Fuleren ima strukturu u obliku konveksnog zatvorenog poliedra od parnog broja ugljikovih atoma. A dopiranje fulerena C60 s alkalnim metalom pretvara ga u supravodnik.
- Grafen je formiran od jednoatomskog sloja ugljika spojenog u dvodimenzionalnu heksagonalnu rešetku. Ima rekordnu toplinsku vodljivost i pokretljivost elektrona, visoku krutost
- Nanocijevi su grafitne ploče smotane u cijev, promjera nekoliko nanometara. Ovi oblici ugljika imaju velika obećanja u nanoelektronici. Može pokazivati metalne ili poluvodljive kvalitete ovisno o spoju.
Magnetski poluvodiči
Spojevi s magnetskim ionima europija i mangana imaju neobična magnetska i poluvodička svojstva. Primjeri poluvodiča ove vrste su europij sulfid, europij selenid i čvrste otopine poputCd1-xMnxTe. Sadržaj magnetskih iona utječe na to kako se magnetska svojstva kao što su antiferomagnetizam i feromagnetizam manifestiraju u tvarima. Semimagnetski poluvodiči su čvrste magnetske otopine poluvodiča koje sadrže magnetske ione u maloj koncentraciji. Ovakva čvrsta rješenja privlače pozornost zbog obećanja i velikog potencijala za moguću primjenu. Na primjer, za razliku od nemagnetskih poluvodiča, oni mogu postići milijun puta veću Faradayevu rotaciju.
Snažni magnetno-optički učinci magnetskih poluvodiča omogućuju njihovu upotrebu za optičku modulaciju. Perovskiti poput Mn0, 7Ca0, 3O3, nadmašuju metal - poluvodič, čija izravna ovisnost o magnetskom polju rezultira fenomenom divovske magnetootpornosti. Koriste se u radiotehnici, optičkim uređajima koji su kontrolirani magnetskim poljem, u valovodima mikrovalnih uređaja.
Poluvodički feroelektrici
Ovu vrstu kristala odlikuje prisutnost električnih momenata u njima i pojava spontane polarizacije. Na primjer, poluvodiči kao što su olovni titanat PbTiO3, barijev titanat BaTiO3, germanij telurid GeTe, kositar telurid SnTe, koji na niskim temperaturama imaju svojstva feroelektrični. Ovi materijali se koriste u nelinearnim optičkim, memorijskim i piezo senzorima.
Različiti poluvodički materijali
Pored navedenogpoluvodičke tvari, postoje mnoge druge koje ne spadaju ni pod jednu od navedenih vrsta. Veze elemenata prema formuli 1-3-52 (AgGaS2) i 2-4-52 (ZnSiP2) formiraju kristale u strukturi halkopirit. Veze spojeva su tetraedarske, slične poluvodičima skupina 3–5 i 2–6 s kristalnom strukturom cinkove mješavine. Spojevi koji tvore elemente poluvodiča grupe 5 i 6 (poput As2Se3) su poluvodiči u obliku kristala ili stakla. Kalkogenidi bizmuta i antimona koriste se u poluvodičkim termoelektričnim generatorima. Svojstva poluvodiča ovog tipa iznimno su zanimljiva, ali nisu stekla popularnost zbog ograničene primjene. Međutim, činjenica da oni postoje potvrđuje postojanje područja fizike poluvodiča koja još nisu u potpunosti istražena.
