Den mest kjente halvlederen er silisium (Si). Men foruten ham er det mange andre. Et eksempel er slike naturlige halvledermaterialer som sinkblanding (ZnS), cupritt (Cu2O), galena (PbS) og mange andre. Halvlederfamilien, inkludert laboratoriesyntetiserte halvledere, er en av de mest allsidige klassene av materialer kjent for mennesket.
Karakterisering av halvledere
Av de 104 grunnstoffene i det periodiske systemet er 79 metaller, 25 er ikke-metaller, hvorav 13 kjemiske grunnstoffer har halvlederegenskaper og 12 er dielektriske. Hovedforskjellen mellom halvledere er at deres elektriske ledningsevne øker betydelig med økende temperatur. Ved lave temperaturer oppfører de seg som dielektrikum, og ved høye temperaturer oppfører de seg som ledere. Dette er hvordan halvledere skiller seg fra metaller: motstanden til metallet øker proporsjon alt med økningen i temperatur.
En annen forskjell mellom en halvleder og et metall er at motstanden til en halvlederfaller under påvirkning av lys, mens sistnevnte ikke påvirker metallet. Konduktiviteten til halvledere endres også når en liten mengde urenheter introduseres.
Halvledere finnes blant kjemiske forbindelser med en rekke krystallstrukturer. Disse kan være grunnstoffer som silisium og selen, eller binære forbindelser som galliumarsenid. Mange organiske forbindelser, som polyacetylen (CH)n, er halvledermaterialer. Noen halvledere viser magnetiske (Cd1-xMnxTe) eller ferroelektriske egenskaper (SbSI). Andre med tilstrekkelig doping blir superledere (GeTe og SrTiO3). Mange av de nylig oppdagede høytemperatursuperlederne har ikke-metalliske halvledende faser. For eksempel er La2CuO4 en halvleder, men når den legeres med Sr blir den en superleder (La1-x) Srx)2CuO4.
Fysikklærebøker definerer en halvleder som et materiale med elektrisk motstand fra 10-4 til 107 Ohm·m. En alternativ definisjon er også mulig. Båndgapet til en halvleder er fra 0 til 3 eV. Metaller og halvmetaller er materialer med null energigap, og stoffer der det overstiger 3 eV kalles isolatorer. Det finnes også unntak. For eksempel har halvlederdiamant et båndgap på 6 eV, halvisolerende GaAs - 1,5 eV. GaN, et materiale for optoelektroniske enheter i det blå området, har et båndgap på 3,5 eV.
Energigap
Valensorbitalene til atomer i krystallgitteret er delt inn i to grupper av energinivåer - den frie sonen som ligger på det høyeste nivået og bestemmer den elektriske ledningsevnen til halvledere, og valensbåndet som ligger under. Disse nivåene, avhengig av symmetrien til krystallgitteret og sammensetningen av atomer, kan krysse eller være plassert i avstand fra hverandre. I sistnevnte tilfelle oppstår det et energigap eller med andre ord en forbudt sone mellom sonene.
Plasseringen og fyllingen av nivåene bestemmer de ledende egenskapene til stoffet. På dette grunnlaget deles stoffene inn i ledere, isolatorer og halvledere. Halvlederbåndgapets bredde varierer innenfor 0,01–3 eV, energigapet til dielektrikumet overstiger 3 eV. Metaller har ikke energigap på grunn av overlappende nivåer.
Halvledere og dielektrika har, i motsetning til metaller, et valensbånd fylt med elektroner, og det nærmeste frie båndet, eller ledningsbåndet, er inngjerdet fra valensbåndet av et energigap - et område med forbudte elektronenergier.
I dielektrikum er termisk energi eller et ubetydelig elektrisk felt ikke nok til å gjøre et hopp gjennom dette gapet, elektroner kommer ikke inn i ledningsbåndet. De er ikke i stand til å bevege seg langs krystallgitteret og blir bærere av elektrisk strøm.
For å eksitere elektrisk ledningsevne må et elektron på valensnivå gis energi som vil være nok til å overvinne energienmellomrom. Bare når det absorberer en mengde energi som ikke er mindre enn verdien av energigapet, vil elektronet bevege seg fra valensnivået til ledningsnivået.
I tilfelle at bredden på energigapet overstiger 4 eV, er eksitasjon av halvlederkonduktivitet ved bestråling eller oppvarming praktisk t alt umulig - eksitasjonsenergien til elektroner ved smeltetemperaturen er utilstrekkelig til å hoppe gjennom energigapsonen. Ved oppvarming vil krystallen smelte til elektronisk ledning oppstår. Disse stoffene inkluderer kvarts (dE=5,2 eV), diamant (dE=5,1 eV), mange s alter.
Urenhet og egenledningsevne til halvledere
Rene halvlederkrystaller har sin egen ledningsevne. Slike halvledere kalles indre. En iboende halvleder inneholder like mange hull og frie elektroner. Ved oppvarming øker den indre ledningsevnen til halvledere. Ved konstant temperatur oppstår en tilstand av dynamisk likevekt i antall elektron-hull-par som dannes og antall rekombinerende elektroner og hull, som forblir konstant under gitte forhold.
Tilstedeværelsen av urenheter har en betydelig innvirkning på den elektriske ledningsevnen til halvledere. Å legge til dem gjør det mulig å øke antallet frie elektroner kraftig med et lite antall hull og å øke antall hull med et lite antall elektroner på ledningsnivået. Urenhetshalvledere er ledere med urenhetsledningsevne.
Urenheter som enkelt donerer elektroner kalles donorurenheter. Donorurenheter kan være kjemiske grunnstoffer med atomer hvis valensnivå inneholder flere elektroner enn atomene i basisstoffet. For eksempel er fosfor og vismut silisiumdonorurenheter.
Energien som trengs for å hoppe et elektron inn i ledningsområdet kalles aktiveringsenergien. Urenhetshalvledere trenger mye mindre av det enn grunnmaterialet. Ved en liten oppvarming eller belysning er det hovedsakelig elektronene i atomene til urenhetshalvlederne som frigjøres. Plassen til elektronet som forlater atomet er okkupert av et hull. Men rekombinasjonen av elektroner til hull skjer praktisk t alt ikke. Hullledningsevnen til giveren er ubetydelig. Dette er fordi det lille antallet urenhetsatomer ikke lar frie elektroner ofte nærme seg hullet og okkupere det. Elektroner er i nærheten av hull, men klarer ikke å fylle dem på grunn av utilstrekkelig energinivå.
Ubetydelig tilsetning av en donorurenhet med flere størrelsesordener øker antallet ledningselektroner sammenlignet med antall frie elektroner i den indre halvlederen. Elektroner her er de viktigste ladningsbærerne av atomer av urenhetshalvledere. Disse stoffene er klassifisert som n-type halvledere.
Urenheter som binder elektronene til en halvleder, og øker antallet hull i den, kalles akseptor. Akseptorurenheter er kjemiske elementer med færre elektroner på valensnivået enn basishalvlederen. Bor, gallium, indium - akseptorurenheter for silisium.
Karakteristikkene til en halvleder avhenger av defektene i dens krystallstruktur. Dette er grunnen til behovet for å dyrke ekstremt rene krystaller. Halvlederens konduktivitetsparametere kontrolleres ved å tilsette dopingmidler. Silisiumkrystaller er dopet med fosfor (undergruppe V-element), som er en donor, for å lage en n-type silisiumkrystall. For å oppnå en krystall med hullledningsevne, introduseres en borakseptor i silisium. Halvledere med et kompensert Fermi-nivå for å flytte det til midten av båndgapet lages på lignende måte.
Enkeltcellehalvledere
Den vanligste halvlederen er selvfølgelig silisium. Sammen med germanium ble det prototypen for en bred klasse halvledere med lignende krystallstrukturer.
Strukturen til Si- og Ge-krystaller er den samme som for diamant og α-tinn. I den er hvert atom omgitt av 4 nærmeste atomer, som danner et tetraeder. Denne koordinasjonen kalles firedoblet. Tetra-bundne krystaller har blitt grunnlaget for elektronikkindustrien og spiller en nøkkelrolle i moderne teknologi. Noen elementer i gruppene V og VI i det periodiske systemet er også halvledere. Eksempler på halvledere av denne typen er fosfor (P), svovel (S), selen (Se) og tellur (Te). I disse halvlederne kan atomer ha tre ganger (P), to ganger (S, Se, Te) eller fire ganger koordinering. Som et resultat kan lignende elementer eksistere i flere forskjelligekrystallstrukturer, og også oppnås i form av glass. For eksempel har Se blitt dyrket i monokliniske og trigonale krystallstrukturer eller som glass (som også kan betraktes som en polymer).
- Diamant har utmerket termisk ledningsevne, utmerkede mekaniske og optiske egenskaper, høy mekanisk styrke. Energigapbredde - dE=5,47 eV.
- Silisium er en halvleder som brukes i solceller og i amorf form i tynnfilmssolceller. Det er den mest brukte halvlederen i solceller, enkel å produsere, og har gode elektriske og mekaniske egenskaper. dE=1,12 eV.
- Germanium er en halvleder som brukes i gammaspektroskopi, høyytelses fotovoltaiske celler. Brukes i de første diodene og transistorene. Krever mindre rengjøring enn silisium. dE=0,67 eV.
- Selen er en halvleder som brukes i selenlikerettere, som har høy strålingsmotstand og selvhelbredende evne.
To-elementforbindelser
Egenskapene til halvledere dannet av elementer i 3. og 4. gruppe i det periodiske system, ligner egenskapene til stoffer i 4. gruppe. Overgang fra gruppe 4 grunnstoffer til forbindelser 3–4 gr. gjør bindingene delvis ioniske på grunn av overføring av elektronladning fra atomet i gruppe 3 til atomet i gruppe 4. Ionicitet endrer egenskapene til halvledere. Det er årsaken til økningen i Coulomb-interion-interaksjonen og energien til energibåndgapetelektronstrukturer. Et eksempel på en binær forbindelse av denne typen er indiumantimonid InSb, galliumarsenid GaAs, galliumantimonid GaSb, indiumfosfid InP, aluminiumantimonid AlSb, galliumfosfid GaP.
Ionisiteten øker, og dens verdi vokser enda mer i forbindelser av stoffer fra gruppe 2-6, som kadmiumselenid, sinksulfid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, sinkselenid. Som et resultat har de fleste forbindelser i gruppe 2-6 et båndgap som er bredere enn 1 eV, bortsett fra kvikksølvforbindelser. Kvikksølvtellurid er en halvleder uten energigap, et halvmetall, som α-tinn.
Gruppe 2-6 halvledere med stort energigap brukes i produksjon av lasere og skjermer. Binære forbindelser på 2-6 grupper med et innsnevret energigap er egnet for infrarøde mottakere. Binære forbindelser av elementer fra gruppe 1–7 (kobberbromid CuBr, sølvjodid AGI, kobberklorid CuCl) har på grunn av deres høye ionisitet et båndgap som er bredere enn 3 eV. De er faktisk ikke halvledere, men isolatorer. Økningen i forankringsenergien til krystallen på grunn av den interioniske interaksjonen fra Coulomb bidrar til strukturering av steins altatomer med seksdobbel snarere enn kvadratisk koordinering. Forbindelser fra gruppe 4–6 - blysulfid og tellurid, tinnsulfid - er også halvledere. Graden av ionisitet til disse stoffene bidrar også til dannelsen av seks ganger koordinering. Betydelig ionisitet hindrer dem ikke i å ha veldig smale båndgap, noe som gjør at de kan brukes til å motta infrarød stråling. Galliumnitrid - en forbindelse av 3-5 grupper med et stort energigap, har funnet anvendelse i halvlederelasere og lysdioder som opererer i den blå delen av spekteret.
- GaAs, galliumarsenid, er den nest mest brukte halvlederen etter silisium, vanligvis brukt som et substrat for andre ledere som GaInNAs og InGaAs, i IR-dioder, høyfrekvente mikrokretser og transistorer, høyeffektive solceller, laserdioder, detektorer kjernefysisk kur. dE=1,43 eV, noe som gjør det mulig å øke kraften til enheter sammenlignet med silisium. Skjør, inneholder flere urenheter, vanskelig å produsere.
- ZnS, sinksulfid - sinks alt av hydrosulfidsyre med et båndgap på 3,54 og 3,91 eV, brukt i lasere og som fosfor.
- SnS, tinnsulfid - en halvleder brukt i fotomotstander og fotodioder, dE=1, 3 og 10 eV.
Oxides
Metaloksider er stort sett utmerkede isolatorer, men det finnes unntak. Eksempler på halvledere av denne typen er nikkeloksid, kobberoksid, koboltoksid, kobberdioksid, jernoksid, europiumoksid, sinkoksid. Siden kobberdioksid eksisterer som mineralet cupritt, har dets egenskaper blitt grundig undersøkt. Prosedyren for å dyrke halvledere av denne typen er ennå ikke fullt ut forstått, så deres anvendelse er fortsatt begrenset. Unntaket er sinkoksyd (ZnO), en gruppe 2-6-forbindelse som brukes som omformer og i produksjon av klebebånd og plaster.
Situasjonen endret seg dramatisk etter at superledning ble oppdaget i mange forbindelser av kobber med oksygen. FørstHøytemperatursuperlederen oppdaget av Müller og Bednorz var en forbindelse basert på halvlederen La2CuO4 med et energigap på 2 eV. Ved å erstatte treverdig lantan med toverdig barium eller strontium, føres hullladningsbærere inn i halvlederen. Å nå den nødvendige konsentrasjonen av hull gjør La2CuO4 til en superleder. For tiden tilhører den høyeste overgangstemperaturen til superledende tilstand forbindelsen HgBaCa2Cu3O8. Ved høyt trykk er verdien 134 K.
ZnO, sinkoksid, brukes i varistorer, blå lysdioder, gasssensorer, biologiske sensorer, vindusbelegg for å reflektere infrarødt lys, som en leder i LCD-er og solcellepaneler. dE=3,37 eV.
Lagkrystaller
Dobbeltforbindelser som blydijodid, galliumselenid og molybdendisulfid er preget av en lagdelt krystallstruktur. Kovalente bindinger med betydelig styrke virker i lagene, mye sterkere enn van der Waals-bindingene mellom lagene selv. Halvledere av denne typen er interessante ved at elektroner oppfører seg kvasi-to-dimensjon alt i lag. Samspillet mellom lagene endres ved introduksjon av fremmede atomer - interkalering.
MoS2, molybdendisulfid brukes i høyfrekvente detektorer, likerettere, memristorer, transistorer. dE=1,23 og 1,8 eV.
organiske halvledere
Eksempler på halvledere basert på organiske forbindelser - naftalen, polyacetylen(CH2) , antracen, polydiacetylen, ftalocyanider, polyvinylkarbazol. Organiske halvledere har en fordel fremfor uorganiske: det er lett å gi dem de ønskede egenskapene. Stoffer med konjugerte bindinger av typen –С=іС=har betydelig optisk ikke-linearitet og brukes på grunn av dette i optoelektronikk. I tillegg endres energidiskontinuitetssonene til organiske halvledere ved å endre den sammensatte formelen, som er mye enklere enn for konvensjonelle halvledere. Krystallinske allotroper av karbonfulleren, grafen, nanorør er også halvledere.
- Fulleren har en struktur i form av et konveks lukket polyeder med et jevnt antall karbonatomer. Og doping av fulleren C60 med et alkalimetall gjør det til en superleder.
- Grafen er dannet av et monoatomisk lag av karbon koblet til et todimensjon alt sekskantet gitter. Den har rekord varmeledningsevne og elektronmobilitet, høy stivhet
- Nanorør er grafittplater rullet inn i et rør, med noen få nanometer i diameter. Disse formene for karbon lover mye innen nanoelektronikk. Kan ha metalliske eller halvledende egenskaper avhengig av kobling.
Magnetiske halvledere
Forbindelser med magnetisk europium og manganioner har merkelige magnetiske og halvlederegenskaper. Eksempler på halvledere av denne typen er europiumsulfid, europiumselenid og faste løsninger somCd1-xMnxTe. Innholdet av magnetiske ioner påvirker hvordan magnetiske egenskaper som antiferromagnetisme og ferromagnetisme kommer til uttrykk i stoffer. Halvmagnetiske halvledere er solide magnetiske løsninger av halvledere som inneholder magnetiske ioner i en liten konsentrasjon. Slike solide løsninger vekker oppmerksomhet på grunn av deres løfte og store potensiale for mulige anvendelser. For eksempel, i motsetning til ikke-magnetiske halvledere, kan de oppnå en million ganger større Faraday-rotasjon.
De sterke magneto-optiske effektene til magnetiske halvledere gjør det mulig å bruke dem til optisk modulering. Perovskitter som Mn0, 7Ca0, 3O3, overgår metallet - en halvleder, hvis direkte avhengighet av magnetfeltet resulterer i fenomenet gigantisk magnetoresistens. De brukes i radioteknikk, optiske enheter som styres av et magnetfelt, i bølgeledere til mikrobølgeenheter.
Halvlederferroelektrikk
Denne typen krystaller utmerker seg ved tilstedeværelsen av elektriske øyeblikk i dem og forekomsten av spontan polarisering. For eksempel halvledere som blytitanat PbTiO3, bariumtitanat BaTiO3, germanium telluride GeTe, tinn telluride SnTe, som ved lave temperaturer har egenskaper ferroelektrisk. Disse materialene brukes i ikke-lineære optiske, minne- og piezosensorer.
Utvalg av halvledermaterialer
I tillegg til ovenståendehalvlederstoffer, er det mange andre som ikke faller inn under noen av de listede typene. Koblinger av elementer i henhold til formelen 1-3-52 (AgGaS2) og 2-4-52 (ZnSiP2) danner krystaller i kalkopirittstrukturen. Bindingene til forbindelsene er tetraedriske, lik halvledere i gruppene 3–5 og 2–6 med krystallstrukturen til sinkblanding. Forbindelsene som danner elementene til halvledere i gruppe 5 og 6 (som As2Se3) er halvledere i form av en krystall eller et glass. Vismut- og antimonkalkogenider brukes i termoelektriske halvledergeneratorer. Egenskapene til halvledere av denne typen er ekstremt interessante, men de har ikke fått popularitet på grunn av deres begrensede bruk. Det faktum at de eksisterer bekrefter imidlertid eksistensen av områder innen halvlederfysikk som ennå ikke er fullstendig utforsket.
