Den mest kända halvledaren är kisel (Si). Men förutom honom finns det många andra. Ett exempel är sådana naturliga halvledarmaterial som zinkblandning (ZnS), cuprit (Cu2O), galena (PbS) och många andra. Halvledarfamiljen, inklusive laboratoriesyntetiserade halvledare, är en av de mest mångsidiga klasserna av material som människan känner till.
Karakterisering av halvledare
Av de 104 grundämnena i det periodiska systemet är 79 metaller, 25 är icke-metaller, varav 13 kemiska grundämnen har halvledaregenskaper och 12 är dielektriska. Den största skillnaden mellan halvledare är att deras elektriska ledningsförmåga ökar avsevärt med ökande temperatur. Vid låga temperaturer beter de sig som dielektrika, och vid höga temperaturer beter de sig som ledare. Så här skiljer sig halvledare från metaller: metallens motstånd ökar i proportion till temperaturökningen.
En annan skillnad mellan en halvledare och en metall är att resistansen hos en halvledarefaller under påverkan av ljus, medan det senare inte påverkar metallen. Konduktiviteten hos halvledare ändras också när en liten mängd föroreningar införs.
Halvledare finns bland kemiska föreningar med en mängd olika kristallstrukturer. Dessa kan vara grundämnen som kisel och selen, eller binära föreningar som galliumarsenid. Många organiska föreningar, såsom polyacetylen (CH)n, är halvledarmaterial. Vissa halvledare uppvisar magnetiska (Cd1-xMnxTe) eller ferroelektriska egenskaper (SbSI). Andra med tillräcklig dopning blir supraledare (GeTe och SrTiO3). Många av de nyligen upptäckta högtemperatursupraledarna har icke-metalliska halvledande faser. Till exempel är La2CuO4 en halvledare, men när den är legerad med Sr blir den en supraledare (La1-x) Srx)2CuO4.
Läroböcker i fysik definierar en halvledare som ett material med elektriskt motstånd från 10-4 till 107 Ohm·m. En alternativ definition är också möjlig. Bandgapet för en halvledare är från 0 till 3 eV. Metaller och halvmetaller är material med noll energigap, och ämnen där det överstiger 3 eV kallas isolatorer. Det finns också undantag. Till exempel har halvledardiamant ett bandgap på 6 eV, halvisolerande GaAs - 1,5 eV. GaN, ett material för optoelektroniska enheter i det blå området, har ett bandgap på 3,5 eV.
Energigap
Atomernas valensorbitaler i kristallgittret är uppdelade i två grupper av energinivåer - den fria zonen som ligger på den högsta nivån och bestämmer den elektriska ledningsförmågan för halvledare, och valensbandet som ligger under. Dessa nivåer, beroende på kristallgittrets symmetri och atomernas sammansättning, kan skära varandra eller vara belägna på avstånd från varandra. I det senare fallet uppstår ett energigap eller, med andra ord, en förbjuden zon mellan zonerna.
Placeringen och fyllningen av nivåerna avgör ämnets ledande egenskaper. På grundval av detta delas ämnen in i ledare, isolatorer och halvledare. Halvledarbandgapets bredd varierar inom 0,01–3 eV, energigapet för dielektrikumet överstiger 3 eV. Metaller har inga energigap på grund av överlappande nivåer.
Halvledare och dielektrika har, i motsats till metaller, ett valensband fyllt med elektroner, och det närmaste fria bandet, eller ledningsbandet, är inhägnat från valensbandet av ett energigap - ett område med förbjudna elektronenergier.
I dielektrikum räcker inte termisk energi eller ett obetydligt elektriskt fält för att göra ett hopp genom detta gap, elektroner kommer inte in i ledningsbandet. De kan inte röra sig längs kristallgittret och blir bärare av elektrisk ström.
För att excitera elektrisk ledningsförmåga måste en elektron på valensnivå ges energi som skulle räcka för att övervinna energinglipa. Endast när den absorberar en mängd energi som inte är mindre än värdet av energigapet, kommer elektronen att flytta sig från valensnivån till ledningsnivån.
I händelse av att bredden på energigapet överstiger 4 eV, är excitation av halvledarledningsförmåga genom bestrålning eller uppvärmning praktiskt taget omöjlig - excitationsenergin för elektroner vid smälttemperaturen är otillräcklig för att hoppa genom energigapzonen. När den värms upp kommer kristallen att smälta tills elektronisk ledning sker. Dessa ämnen inkluderar kvarts (dE=5,2 eV), diamant (dE=5,1 eV), många s alter.
Halvledares föroreningar och inneboende konduktivitet
Rena halvledarkristaller har sin egen ledningsförmåga. Sådana halvledare kallas för inre. En inneboende halvledare innehåller lika många hål och fria elektroner. Vid upphettning ökar halvledarnas inneboende ledningsförmåga. Vid en konstant temperatur uppstår ett dynamiskt jämviktstillstånd i antalet bildade elektron-hålpar och antalet rekombinerande elektroner och hål, som förblir konstanta under givna förhållanden.
Närvaron av föroreningar har en betydande inverkan på den elektriska ledningsförmågan hos halvledare. Att lägga till dem gör det möjligt att kraftigt öka antalet fria elektroner med ett litet antal hål och att öka antalet hål med ett litet antal elektroner på ledningsnivån. Föroreningshalvledare är ledare med föroreningskonduktivitet.
Föroreningar som enkelt donerar elektroner kallas donatorföroreningar. Donatorföroreningar kan vara kemiska grundämnen med atomer vars valensnivåer innehåller fler elektroner än basämnets atomer. Till exempel är fosfor och vismut kiseldonatorföroreningar.
Energin som behövs för att hoppa en elektron in i ledningsområdet kallas aktiveringsenergin. Föroreningshalvledare behöver mycket mindre av det än basmaterialet. Med en lätt uppvärmning eller belysning är det övervägande elektronerna i atomerna i föroreningshalvledarna som frigörs. Platsen för elektronen som lämnar atomen upptas av ett hål. Men rekombinationen av elektroner till hål sker praktiskt taget inte. Hålens ledningsförmåga hos donatorn är försumbar. Detta beror på att det lilla antalet föroreningsatomer inte tillåter fria elektroner att ofta närma sig hålet och ockupera det. Elektroner är nära hål, men kan inte fylla dem på grund av en otillräcklig energinivå.
Obetydelig tillägg av en donatorförorening med flera storleksordningar ökar antalet ledningselektroner jämfört med antalet fria elektroner i den inneboende halvledaren. Elektroner här är de huvudsakliga laddningsbärarna för atomer av föroreningshalvledare. Dessa ämnen är klassificerade som halvledare av n-typ.
Föroreningar som binder elektronerna i en halvledare, vilket ökar antalet hål i den, kallas acceptor. Acceptorföroreningar är kemiska grundämnen med färre elektroner på valensnivån än bashalvledaren. Bor, gallium, indium - acceptorföroreningar för kisel.
En halvledares egenskaper beror på defekterna i dess kristallstruktur. Detta är anledningen till behovet av att odla extremt rena kristaller. Halvledarkonduktivitetsparametrarna styrs genom tillsats av dopämnen. Kiselkristaller dopas med fosfor (undergrupp V-element), som är en donator, för att skapa en kiselkristall av n-typ. För att erhålla en kristall med hålledningsförmåga införs en boracceptor i kisel. Halvledare med en kompenserad Fermi-nivå för att flytta den till mitten av bandgapet skapas på liknande sätt.
Encellshalvledare
Den vanligaste halvledaren är förstås kisel. Tillsammans med germanium blev det prototypen för en bred klass av halvledare med liknande kristallstrukturer.
Strukturen hos Si- och Ge-kristaller är densamma som hos diamant och α-tenn. I den är varje atom omgiven av 4 närmaste atomer, som bildar en tetraeder. Denna koordination kallas fyrdubbel. Tetrabundna kristaller har blivit grunden för elektronikindustrin och spelar en nyckelroll i modern teknik. Vissa element i grupperna V och VI i det periodiska systemet är också halvledare. Exempel på halvledare av denna typ är fosfor (P), svavel (S), selen (Se) och tellur (Te). I dessa halvledare kan atomer ha trefaldig (P), tvåfaldig (S, Se, Te) eller fyrfaldig koordination. Som ett resultat kan liknande element finnas i flera olikakristallstrukturer, och även erhållas i form av glas. Se har till exempel odlats i monoklina och trigonala kristallstrukturer eller som glas (vilket också kan betraktas som en polymer).
- Diamant har utmärkt värmeledningsförmåga, utmärkta mekaniska och optiska egenskaper, hög mekanisk hållfasthet. Energigapets bredd - dE=5,47 eV.
- Kisel är en halvledare som används i solceller och i amorf form i tunnfilmssolceller. Det är den mest använda halvledaren i solceller, lätt att tillverka och har goda elektriska och mekaniska egenskaper. dE=1,12 eV.
- Germanium är en halvledare som används i gammaspektroskopi, högpresterande fotovoltaiska celler. Används i de första dioderna och transistorerna. Kräver mindre rengöring än silikon. dE=0,67 eV.
- Selen är en halvledare som används i selenlikriktare, som har hög strålningsmotstånd och självläkande förmåga.
Tvåelementföreningar
Egenskaperna hos halvledare som bildas av element i den 3:e och 4:e gruppen i det periodiska systemet liknar egenskaperna hos ämnen i den 4:e gruppen. Övergång från grupp 4 grundämnen till föreningar 3–4 gr. gör bindningarna delvis joniska på grund av överföringen av elektronladdning från atomen i grupp 3 till atomen i grupp 4. Jonicitet förändrar egenskaperna hos halvledare. Det är anledningen till ökningen av Coulomb-interioninteraktionen och energin i energibandgapetelektronstrukturer. Ett exempel på en binär förening av denna typ är indiumantimonid InSb, galliumarsenid GaAs, galliumantimonid GaSb, indiumfosfid InP, aluminiumantimonid AlSb, galliumfosfid GaP.
Joniciteten ökar, och dess värde växer ännu mer i föreningar av ämnen i grupp 2-6, såsom kadmiumselenid, zinksulfid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, zinkselenid. Som ett resultat har de flesta föreningar i grupperna 2-6 ett bandgap som är större än 1 eV, förutom kvicksilverföreningar. Kvicksilvertellurid är en halvledare utan energigap, en halvmetall, som α-tenn.
Grupp 2-6 halvledare med ett stort energigap används vid tillverkning av lasrar och displayer. Binära anslutningar av 2-6 grupper med ett minskat energigap är lämpliga för infraröda mottagare. Binära föreningar av grundämnen i grupp 1–7 (kopparbromid CuBr, silverjodid AgI, kopparklorid CuCl) har på grund av sin höga jonicitet ett bandgap som är större än 3 eV. De är faktiskt inte halvledare, utan isolatorer. Ökningen av kristallens förankringsenergi på grund av Coulombs interioniska interaktion bidrar till struktureringen av bergs altatomer med sexfaldig snarare än kvadratisk koordination. Föreningar i grupp 4–6 - blysulfid och tellurid, tennsulfid - är också halvledare. Graden av jonicitet hos dessa ämnen bidrar också till bildandet av sexfaldig koordination. Betydande jonicitet hindrar dem inte från att ha mycket smala bandgap, vilket gör att de kan användas för att ta emot infraröd strålning. Galliumnitrid - en förening av 3-5 grupper med ett brett energigap, har funnit tillämpning i halvledarelasrar och lysdioder som arbetar i den blå delen av spektrumet.
- GaAs, galliumarsenid, är den näst mest använda halvledaren efter kisel, som vanligtvis används som substrat för andra ledare som GaInNAs och InGaAs, i IR-dioder, högfrekventa mikrokretsar och transistorer, högeffektiva solceller, laserdioder, detektorer nukleär botemedel. dE=1,43 eV, vilket gör det möjligt att öka kraften hos enheter jämfört med kisel. Bräcklig, innehåller fler föroreningar, svår att tillverka.
- ZnS, zinksulfid - zinks alt av hydrosulfidsyra med ett bandgap på 3,54 och 3,91 eV, används i lasrar och som fosfor.
- SnS, tennsulfid - en halvledare som används i fotoresistorer och fotodioder, dE=1, 3 och 10 eV.
Oxider
Metaloxider är oftast utmärkta isolatorer, men det finns undantag. Exempel på halvledare av denna typ är nickeloxid, kopparoxid, koboltoxid, koppardioxid, järnoxid, europiumoxid, zinkoxid. Eftersom koppardioxid finns som mineralet cuprit, har dess egenskaper undersökts omfattande. Förfarandet för att odla halvledare av denna typ är ännu inte helt förstått, så deras tillämpning är fortfarande begränsad. Undantaget är zinkoxid (ZnO), en grupp 2-6-förening som används som omvandlare och vid tillverkning av tejp och plåster.
Situationen förändrades dramatiskt efter att supraledning upptäcktes i många föreningar av koppar med syre. FörstHögtemperatursupraledaren som upptäcktes av Müller och Bednorz var en förening baserad på halvledaren La2CuO4 med ett energigap på 2 eV. Genom att ersätta trevärt lantan med tvåvärt barium eller strontium förs hålladdningsbärare in i halvledaren. När du når den önskade koncentrationen av hål förvandlas La2CuO4 till en supraledare. För närvarande tillhör den högsta övergångstemperaturen till supraledande tillstånd föreningen HgBaCa2Cu3O8. Vid högt tryck är dess värde 134 K.
ZnO, zinkoxid, används i varistorer, blå lysdioder, gassensorer, biologiska sensorer, fönsterbeläggningar för att reflektera infrarött ljus, som en ledare i LCD-skärmar och solpaneler. dE=3,37 eV.
Layer crystals
Dubbelföreningar som blydijodid, galliumselenid och molybdendisulfid kännetecknas av en skiktad kristallstruktur. Kovalenta bindningar av betydande styrka verkar i lagren, mycket starkare än van der Waals-bindningarna mellan lagren själva. Halvledare av denna typ är intressanta genom att elektroner beter sig kvasi-tvådimensionellt i lager. Interaktionen mellan skikten förändras genom införandet av främmande atomer - interkalering.
MoS2, molybdendisulfid används i högfrekvensdetektorer, likriktare, memristorer, transistorer. dE=1,23 och 1,8 eV.
Organiska halvledare
Exempel på halvledare baserade på organiska föreningar - naftalen, polyacetylen(CH2) , antracen, polydiacetylen, ftalocyanider, polyvinylkarbazol. Organiska halvledare har en fördel framför oorganiska: det är lätt att ge dem de önskade egenskaperna. Ämnen med konjugerade bindningar av typen –С=іС=har betydande optisk olinjäritet och används på grund av detta i optoelektronik. Dessutom ändras energidiskontinuitetszonerna för organiska halvledare genom att ändra sammansättningsformeln, vilket är mycket lättare än för konventionella halvledare. Kristallina allotroper av kolfulleren, grafen, nanorör är också halvledare.
- Fulleren har en struktur i form av en konvex sluten polyeder med ett jämnt antal kolatomer. Och dopning av fulleren C60 med en alkalimetall förvandlar den till en supraledare.
- Grafen bildas av ett monoatomiskt lager av kol kopplat till ett tvådimensionellt hexagon alt gitter. Den har rekord värmeledningsförmåga och elektronrörlighet, hög styvhet
- Nanorör är grafitplattor rullade till ett rör, med några nanometer i diameter. Dessa former av kol lovar mycket inom nanoelektronik. Kan uppvisa metalliska eller halvledande egenskaper beroende på koppling.
Magnetiska halvledare
Föreningar med magnetiska europium- och manganjoner har märkliga magnetiska egenskaper och halvledaregenskaper. Exempel på halvledare av denna typ är europiumsulfid, europiumselenid och fasta lösningar som t.ex. Cd1-xMnxTe. Innehållet av magnetiska joner påverkar hur magnetiska egenskaper som antiferromagnetism och ferromagnetism manifesteras i ämnen. Halvmagnetiska halvledare är fasta magnetiska lösningar av halvledare som innehåller magnetiska joner i en liten koncentration. Sådana solida lösningar väcker uppmärksamhet på grund av deras löfte och stora potential för möjliga tillämpningar. Till exempel, till skillnad från icke-magnetiska halvledare, kan de uppnå en miljon gånger större Faraday-rotation.
De starka magneto-optiska effekterna av magnetiska halvledare gör det möjligt att använda dem för optisk modulering. Perovskites som Mn0, 7Ca0, 3O3, överträffar metallen - en halvledare, vars direkta beroende av magnetfältet resulterar i fenomenet jättemagnetoresistans. De används inom radioteknik, optiska enheter som styrs av ett magnetfält, i vågledare för mikrovågsenheter.
Halvledare ferroelektrik
Denna typ av kristaller kännetecknas av närvaron av elektriska moment i dem och förekomsten av spontan polarisering. Till exempel halvledare som blytitanat PbTiO3, bariumtitanat BaTiO3, germaniumtellurid GeTe, tenntellurid SnTe, som vid låga temperaturer har egenskaper ferroelektrisk. Dessa material används i icke-linjära optiska, minnes- och piezosensorer.
Mångfald av halvledarmaterial
Utöver ovanståendehalvledarämnen, det finns många andra som inte faller under någon av de listade typerna. Anslutningar av element enligt formeln 1-3-52 (AgGaS2) och 2-4-52 (ZnSiP2) bildar kristaller i kalkopiritstrukturen. Bindningarna av föreningarna är tetraedriska, liknande halvledare i grupperna 3–5 och 2–6 med kristallstrukturen av zinkblandning. De föreningar som bildar elementen i halvledare i grupp 5 och 6 (som As2Se3) är halvledare i form av en kristall eller glas. Vismut- och antimonkalkogenider används i termoelektriska halvledargeneratorer. Egenskaperna hos halvledare av denna typ är extremt intressanta, men de har inte vunnit popularitet på grund av deras begränsade tillämpning. Det faktum att de finns bekräftar dock att det finns områden inom halvledarfysik som ännu inte har utforskats fullt ut.
