Cel mai faimos semiconductor este siliciul (Si). Dar, pe lângă el, sunt mulți alții. Un exemplu sunt materiale semiconductoare naturale cum ar fi blenda de zinc (ZnS), cuprită (Cu2O), galena (PbS) și multe altele. Familia de semiconductori, inclusiv semiconductori sintetizați în laborator, este una dintre cele mai versatile clase de materiale cunoscute omului.
Caracterizarea semiconductorilor
Din cele 104 elemente ale tabelului periodic, 79 sunt metale, 25 sunt nemetale, dintre care 13 elemente chimice au proprietăți semiconductoare și 12 sunt dielectrice. Principala diferență dintre semiconductori este că conductivitatea lor electrică crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii. La temperaturi scăzute se comportă ca niște dielectrici, iar la temperaturi ridicate se comportă ca niște conductori. Așa diferă semiconductorii de metale: rezistența metalului crește proporțional cu creșterea temperaturii.
O altă diferență între un semiconductor și un metal este că rezistența unui semiconductorcade sub influența luminii, în timp ce aceasta din urmă nu afectează metalul. Conductivitatea semiconductorilor se modifică și atunci când se introduce o cantitate mică de impurități.
Semiconductorii se găsesc printre compușii chimici cu o varietate de structuri cristaline. Acestea pot fi elemente precum siliciul și seleniul sau compuși binari precum arseniura de galiu. Mulți compuși organici, cum ar fi poliacetilena (CH)n, sunt materiale semiconductoare. Unii semiconductori prezintă proprietăți magnetice (Cd1-xMnxTe) sau feroelectrice (SbSI). Alții cu suficient dopaj devin supraconductori (GeTe și SrTiO3). Mulți dintre supraconductorii de în altă temperatură descoperiți recent au faze semiconductoare nemetalice. De exemplu, La2CuO4 este un semiconductor, dar atunci când este aliat cu Sr, devine supraconductor (La1-x Srx)2CuO4.
Manualele de fizică definesc un semiconductor ca un material cu rezistență electrică de la 10-4 la 107 Ohm·m. Este posibilă și o definiție alternativă. Banda interzisă a unui semiconductor este de la 0 la 3 eV. Metalele și semimetalele sunt materiale cu un decalaj energetic zero, iar substanțele în care depășește 3 eV se numesc izolatori. Există și excepții. De exemplu, diamantul semiconductor are o bandă interzisă de 6 eV, GaAs semiizolator - 1,5 eV. GaN, un material pentru dispozitive optoelectronice din regiunea albastră, are o bandă interzisă de 3,5 eV.
Deficitul energetic
Orbitalii de valență ai atomilor din rețeaua cristalină sunt împărțiți în două grupe de niveluri de energie - zona liberă situată la cel mai în alt nivel și care determină conductivitatea electrică a semiconductorilor și banda de valență situată mai jos. Aceste niveluri, în funcție de simetria rețelei cristaline și de compoziția atomilor, se pot intersecta sau pot fi situate la distanță unele de altele. În acest din urmă caz, între zone apare un decalaj energetic sau, cu alte cuvinte, o zonă interzisă.
Locația și umplerea nivelurilor determină proprietățile conductoare ale substanței. Pe această bază, substanțele sunt împărțite în conductori, izolatori și semiconductori. Lățimea benzii interzise a semiconductorilor variază în intervalul 0,01–3 eV, decalajul de energie al dielectricului depășește 3 eV. Metalele nu au goluri de energie din cauza nivelurilor suprapuse.
Semiconductorii și dielectricii, spre deosebire de metale, au o bandă de valență plină cu electroni, iar cea mai apropiată bandă liberă, sau banda de conducție, este îngrădită de banda de valență printr-un interval de energie - o regiune a energiilor electronilor interzise.
În dielectrici, energia termică sau un câmp electric nesemnificativ nu sunt suficiente pentru a face un s alt prin acest gol, electronii nu intră în banda de conducție. Nu se pot deplasa de-a lungul rețelei cristaline și devin purtători de curent electric.
Pentru a excita conductivitatea electrică, unui electron la nivelul de valență trebuie să i se acorde energie care ar fi suficientă pentru a depăși energiadecalaj. Numai atunci când absorbiți o cantitate de energie nu mai mică decât valoarea decalajului de energie, electronul se va muta de la nivelul de valență la nivelul de conducție.
În cazul în care lățimea decalajului de energie depășește 4 eV, excitarea conductibilității semiconductoarelor prin iradiere sau încălzire este practic imposibilă - energia de excitație a electronilor la temperatura de topire este insuficientă pentru a trece prin zona decalajului de energie. Când este încălzit, cristalul se va topi până când apare conducerea electronică. Aceste substanțe includ cuarț (dE=5,2 eV), diamant (dE=5,1 eV), multe săruri.
Impuritatea și conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor
Cristalele semiconductoare pure au propria lor conductivitate. Astfel de semiconductori se numesc intrinseci. Un semiconductor intrinsec conține un număr egal de găuri și electroni liberi. Când este încălzit, conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor crește. La o temperatură constantă, apare o stare de echilibru dinamic în numărul de perechi electron-gaură formate și numărul de electroni și găuri de recombinare, care rămân constante în condiții date.
Prezența impurităților are un impact semnificativ asupra conductivității electrice a semiconductorilor. Adăugarea lor face posibilă creșterea semnificativă a numărului de electroni liberi cu un număr mic de găuri și creșterea numărului de găuri cu un număr mic de electroni la nivelul conducției. Semiconductori de impurități sunt conductori cu conductivitate de impurități.
Impuritățile care donează cu ușurință electroni se numesc impurități donatoare. Impuritățile donatoare pot fi elemente chimice cu atomi ale căror niveluri de valență conțin mai mulți electroni decât atomii substanței de bază. De exemplu, fosforul și bismutul sunt impurități donatoare de siliciu.
Energia necesară pentru a sări un electron în regiunea de conducere se numește energie de activare. Semiconductori impuri au nevoie de mult mai puțin decât materialul de bază. Cu o ușoară încălzire sau iluminare, sunt eliberați predominant electronii atomilor semiconductorilor de impurități. Locul electronului care părăsește atomul este ocupat de o gaură. Dar recombinarea electronilor în găuri practic nu are loc. Conductivitatea găurii donatorului este neglijabilă. Acest lucru se datorează faptului că numărul mic de atomi de impurități nu permite electronilor liberi să se apropie adesea de gaură și să o ocupe. Electronii sunt aproape de găuri, dar nu sunt capabili să le umple din cauza unui nivel de energie insuficient.
Adăugarea nesemnificativă a unei impurități donor cu câteva ordine de mărime crește numărul de electroni de conducție în comparație cu numărul de electroni liberi din semiconductorul intrinsec. Electronii sunt aici principalii purtători de sarcină ai atomilor de semiconductori de impurități. Aceste substanțe sunt clasificate ca semiconductori de tip n.
Impuritățile care leagă electronii unui semiconductor, crescând numărul de găuri din acesta, se numesc acceptor. Impuritățile acceptoare sunt elemente chimice cu mai puțini electroni la nivelul de valență decât semiconductorul de bază. Bor, galiu, indiu - acceptorimpurități pentru siliciu.
Caracteristicile unui semiconductor depind de defectele structurii sale cristaline. Acesta este motivul nevoii de a crește cristale extrem de pure. Parametrii de conductivitate a semiconductorilor sunt controlați prin adăugarea de dopanți. Cristalele de siliciu sunt dopate cu fosfor (elementul subgrupului V), care este un donor, pentru a crea un cristal de siliciu de tip n. Pentru a obține un cristal cu conductivitate în orificii, în siliciu se introduce un acceptor de bor. Semiconductorii cu un nivel Fermi compensat pentru a-l muta la mijlocul benzii interzise sunt creați într-un mod similar.
Semiconductori cu o singură celulă
Cel mai comun semiconductor este, desigur, siliciul. Împreună cu germaniul, a devenit prototipul pentru o clasă largă de semiconductori cu structuri cristaline similare.
Structura cristalelor de Si și Ge este aceeași cu cea a diamantului și a α-staniului. În el, fiecare atom este înconjurat de 4 atomi cei mai apropiați, care formează un tetraedru. Această coordonare se numește cvadruplu. Cristalele tetra-legate au devenit baza industriei electronice și joacă un rol cheie în tehnologia modernă. Unele elemente din grupele V și VI ale tabelului periodic sunt, de asemenea, semiconductori. Exemple de semiconductori de acest tip sunt fosforul (P), sulful (S), seleniul (Se) și telurul (Te). În acești semiconductori, atomii pot avea o coordonare de trei ori (P), de două ori (S, Se, Te) sau de patru ori. Ca rezultat, elemente similare pot exista în mai multe diferitestructuri cristaline și, de asemenea, să fie obținute sub formă de sticlă. De exemplu, Se a fost crescut în structuri cristaline monoclinice și trigonale sau ca sticlă (care poate fi considerată și un polimer).
- Diamantul are o conductivitate termică excelentă, caracteristici mecanice și optice excelente, rezistență mecanică ridicată. Lățimea intervalului de energie - dE=5,47 eV.
- Siliciul este un semiconductor folosit în celulele solare și în formă amorfă în celulele solare cu peliculă subțire. Este cel mai folosit semiconductor în celulele solare, ușor de fabricat și are proprietăți electrice și mecanice bune. dE=1,12 eV.
- Germaniul este un semiconductor folosit în spectroscopie gamma, celule fotovoltaice de în altă performanță. Folosit la primele diode și tranzistoare. Necesită mai puțină curățare decât siliconul. dE=0,67 eV.
- Seleniul este un semiconductor care este utilizat în redresoare cu seleniu, care au rezistență ridicată la radiații și capacitate de auto-vindecare.
Compuși cu două elemente
Proprietățile semiconductorilor formați din elementele grupelor a 3-a și a 4-a din tabelul periodic seamănă cu proprietățile substanțelor din grupa a 4-a. Trecerea de la elementele grupului 4 la compușii 3–4 gr. face legăturile parțial ionice datorită transferului de sarcină electronică de la atomul grupului 3 la atomul grupului 4. Ionicitatea modifică proprietățile semiconductorilor. Este motivul creșterii interacțiunii interionului Coulomb și a energiei benzii interzise de energiestructurile electronice. Un exemplu de compus binar de acest tip este antimoniură de indiu InSb, arseniură de galiu GaAs, antimoniură de galiu GaSb, fosfură de indiu InP, antimoniură de aluminiu AlSb, fosfură de galiu GaP.
Ionicitatea crește, iar valoarea sa crește și mai mult în compușii substanțelor din grupele 2-6, precum seleniura de cadmiu, sulfura de zinc, sulfura de cadmiu, telurura de cadmiu, seleniura de zinc. Ca rezultat, majoritatea compușilor din grupele 2-6 au o bandă interzisă mai mare de 1 eV, cu excepția compușilor de mercur. Telurura de mercur este un semiconductor fără spațiu de energie, un semimetal, ca α-staniu.
Semiconductori de grup 2-6 cu un decalaj mare de energie sunt utilizați în producția de lasere și afișaje. Conexiunile binare din 2-6 grupuri cu un decalaj energetic redus sunt potrivite pentru receptoarele cu infraroșu. Compușii binari ai elementelor din grupele 1–7 (bromură de cupru CuBr, iodură de argint AgI, clorură de cupru CuCl) datorită ionității lor ridicate au o bandă interzisă mai mare de 3 eV. De fapt nu sunt semiconductori, ci izolatori. Creșterea energiei de ancorare a cristalului datorită interacțiunii interionice Coulomb contribuie la structurarea atomilor de sare gemă cu coordonare de șase ori mai degrabă decât pătratică. Compușii din grupele 4–6 - sulfura de plumb și telurura, sulfura de staniu - sunt, de asemenea, semiconductori. Gradul de ionicitate al acestor substanțe contribuie, de asemenea, la formarea coordonării de șase ori. Ionicitatea semnificativă nu îi împiedică să aibă benzi interzise foarte înguste, ceea ce le permite să fie folosite pentru a primi radiații infraroșii. Nitrura de galiu - un compus din 3-5 grupe cu un decalaj mare de energie, și-a găsit aplicație în semiconductorilasere și LED-uri care funcționează în partea albastră a spectrului.
- GaAs, arseniura de galiu, este al doilea cel mai folosit semiconductor după siliciu, folosit în mod obișnuit ca substrat pentru alți conductori precum GaInNA și InGaAs, în diode IR, microcircuite și tranzistoare de în altă frecvență, celule solare de în altă eficiență, diode laser, detectoare cu cura nucleara. dE=1,43 eV, ceea ce face posibilă creșterea puterii dispozitivelor în comparație cu siliciul. Fragil, conține mai multe impurități, dificil de produs.
- ZnS, sulfură de zinc - sare de zinc a acidului hidrosulfurat cu o bandă interzisă de 3,54 și 3,91 eV, utilizată în lasere și ca fosfor.
- SnS, sulfură de staniu - un semiconductor utilizat în fotorezistoare și fotodiode, dE=1, 3 și 10 eV.
Oxizi
Oxizii metalici sunt în mare parte izolatori excelenți, dar există și excepții. Exemple de semiconductori de acest tip sunt oxidul de nichel, oxidul de cupru, oxidul de cob alt, dioxidul de cupru, oxidul de fier, oxidul de europiu, oxidul de zinc. Deoarece dioxidul de cupru există ca mineral cuprită, proprietățile sale au fost cercetate pe larg. Procedura de creștere a semiconductorilor de acest tip nu este încă pe deplin înțeleasă, așa că aplicarea lor este încă limitată. Excepție este oxidul de zinc (ZnO), un compus din grupa 2-6 folosit ca convertor și în producția de benzi adezive și tencuieli.
Situația s-a schimbat dramatic după ce a fost descoperită supraconductibilitatea în mulți compuși ai cuprului cu oxigen. PrimulSupraconductorul de în altă temperatură descoperit de Müller și Bednorz a fost un compus bazat pe semiconductorul La2CuO4 cu un interval de energie de 2 eV. Prin înlocuirea lantanului trivalent cu bariu sau stronțiu bivalent, în semiconductor sunt introduși purtători de sarcină de orificii. Atingerea concentrației necesare de găuri transformă La2CuO4 într-un supraconductor. În prezent, cea mai mare temperatură de tranziție la starea supraconductoare aparține compusului HgBaCa2Cu3O8. La presiune ridicată, valoarea sa este de 134 K.
ZnO, oxid de zinc, este folosit în varistoare, LED-uri albastre, senzori de gaz, senzori biologici, acoperiri pentru ferestre pentru a reflecta lumina infraroșie, ca conductor în LCD-uri și panouri solare. dE=3,37 eV.
Strat de cristale
Compușii dubli precum diiodura de plumb, seleniura de galiu și disulfura de molibden sunt caracterizați printr-o structură cristalină stratificată. Legăturile covalente de rezistență semnificativă acționează în straturi, mult mai puternice decât legăturile van der Waals dintre straturi în sine. Semiconductorii de acest tip sunt interesanți prin faptul că electronii se comportă cvasi-bidimensional în straturi. Interacțiunea straturilor este modificată prin introducerea de atomi străini - intercalare.
MoS2, disulfura de molibden este utilizată în detectoare de în altă frecvență, redresoare, memristoare, tranzistoare. dE=1,23 și 1,8 eV.
Semiconductori organici
Exemple de semiconductori pe bază de compuși organici - naftalină, poliacetilenă(CH2) , antracen, polidiacetilenă, ftalocianuri, polivinilcarbazol. Semiconductorii organici au un avantaj față de cei anorganici: este ușor să le conferim calitățile dorite. Substanțele cu legături conjugate de tipul –С=С–С=au neliniaritate optică semnificativă și, din această cauză, sunt utilizate în optoelectronică. În plus, zonele de discontinuitate energetică ale semiconductorilor organici sunt modificate prin schimbarea formulei compuse, care este mult mai ușoară decât cea a semiconductorilor convenționali. Alotropii cristalini ai fulerenului de carbon, grafenului și nanotuburilor sunt, de asemenea, semiconductori.
- Fulerenul are o structură sub forma unui poliedru închis convex cu un număr par de atomi de carbon. Iar doparea fullerenei C60 cu un metal alcalin îl transformă într-un supraconductor.
- Grafenul este format dintr-un strat monoatomic de carbon conectat într-o rețea hexagonală bidimensională. Are o conductivitate termică record și o mobilitate a electronilor, rigiditate ridicată
- Nanotuburile sunt plăci de grafit laminate într-un tub, având câțiva nanometri în diametru. Aceste forme de carbon sunt foarte promițătoare în nanoelectronică. Poate prezenta calități metalice sau semiconductoare, în funcție de cuplare.
Semiconductori magnetici
Compușii cu ioni magnetici de europiu și mangan au proprietăți magnetice și semiconductoare curioase. Exemple de semiconductori de acest tip sunt sulfura de europiu, seleniura de europiu și soluțiile solide precumCd1-xMnxTe. Conținutul de ioni magnetici influențează modul în care proprietățile magnetice precum antiferomagnetismul și feromagnetismul se manifestă în substanțe. Semiconductorii semimagnetici sunt soluții magnetice solide de semiconductori care conțin ioni magnetici într-o concentrație mică. Astfel de soluții solide atrag atenția datorită promisiunii și potențialului mare pentru posibile aplicații. De exemplu, spre deosebire de semiconductori nemagnetici, aceștia pot obține o rotație Faraday de un milion de ori mai mare.
Efectele magneto-optice puternice ale semiconductorilor magnetici fac posibilă utilizarea lor pentru modulația optică. Perovskiții precum Mn0, 7Ca0, 3O3, depășesc metalul - un semiconductor, a cărui dependenţă directă de câmpul magnetic are ca rezultat fenomenul de magnetorezistă gigantică. Sunt utilizate în inginerie radio, dispozitive optice care sunt controlate de un câmp magnetic, în ghidurile de undă ale dispozitivelor cu microunde.
Feroelectrice semiconductoare
Acest tip de cristale se distinge prin prezența momentelor electrice în ele și apariția polarizării spontane. De exemplu, semiconductori precum titanat de plumb PbTiO3, titanat de bariu BaTiO3, telurura de germaniu GeTe, telurura de staniu SnTe, care la temperaturi scăzute au proprietăți feroelectrice. Aceste materiale sunt utilizate în senzori optici, de memorie și piezo neliniari.
Varietate de materiale semiconductoare
Pe lângă cele de mai sussubstanțe semiconductoare, există multe altele care nu se încadrează în niciunul dintre tipurile enumerate. Conexiuni ale elementelor conform formulei 1-3-52 (AgGaS2) și 2-4-52 (ZnSiP2) formează cristale în structura de calcopirită. Legăturile compușilor sunt tetraedrice, asemănătoare semiconductorilor din grupele 3–5 și 2–6 cu structura cristalină a blendei de zinc. Compușii care formează elementele semiconductoarelor grupelor 5 și 6 (cum ar fi As2Se3) sunt semiconductori sub formă de cristal sau sticlă. Calcogenurile de bismut și antimoniu sunt utilizate în generatoarele termoelectrice cu semiconductori. Proprietățile semiconductorilor de acest tip sunt extrem de interesante, dar nu au câștigat popularitate datorită aplicării lor limitate. Cu toate acestea, faptul că acestea există confirmă existența unor domenii ale fizicii semiconductoarelor care nu au fost încă explorate pe deplin.
