Najpoznatiji poluprovodnik je silicijum (Si). Ali osim njega, ima još mnogo drugih. Primjer su takvi prirodni poluvodički materijali kao što su cink blende (ZnS), kuprit (Cu2O), galena (PbS) i mnogi drugi. Porodica poluprovodnika, uključujući i laboratorijski sintetizirane poluprovodnike, jedna je od najsvestranijih klasa materijala poznatih čovjeku.
Karakterizacija poluprovodnika
Od 104 elementa periodnog sistema, 79 su metali, 25 su nemetali, od kojih 13 hemijskih elemenata ima poluprovodnička svojstva, a 12 su dielektrični. Glavna razlika između poluvodiča je u tome što se njihova električna provodljivost značajno povećava s povećanjem temperature. Na niskim temperaturama ponašaju se kao dielektrici, a na visokim temperaturama ponašaju se kao provodnici. Po tome se poluprovodnici razlikuju od metala: otpor metala raste proporcionalno porastu temperature.
Još jedna razlika između poluprovodnika i metala je u tome što je otpor poluprovodnikapada pod uticajem svetlosti, dok ova ne utiče na metal. Vodljivost poluprovodnika se također mijenja kada se unese mala količina nečistoće.
Poluprovodnici se nalaze među hemijskim jedinjenjima sa različitim kristalnim strukturama. To mogu biti elementi kao što su silicijum i selen, ili binarna jedinjenja kao što je galijum arsenid. Mnoga organska jedinjenja, kao što je poliacetilen (CH)n, su poluprovodnički materijali. Neki poluprovodnici pokazuju magnetna (Cd1-xMnxTe) ili feroelektrična svojstva (SbSI). Drugi sa dovoljnim dopingom postaju superprovodnici (GeTe i SrTiO3). Mnogi od nedavno otkrivenih visokotemperaturnih supravodiča imaju nemetalne poluvodičke faze. Na primjer, La2CuO4 je poluprovodnik, ali kada se legira sa Sr postaje supravodič (La1-x Srx)2CuO4.
Udžbenici fizike definišu poluvodič kao materijal sa električnim otporom od 10-4 do 107 Ohm·m. Moguća je i alternativna definicija. Razmak poluprovodnika je od 0 do 3 eV. Metali i polumetali su materijali sa nultim energetskim jazom, a tvari u kojima on prelazi 3 eV nazivaju se izolatori. Postoje i izuzeci. Na primjer, poluvodički dijamant ima pojas od 6 eV, a poluizolacijski GaAs - 1,5 eV. GaN, materijal za optoelektronske uređaje u plavoj regiji, ima pojas od 3,5 eV.
energetski jaz
Valentne orbitale atoma u kristalnoj rešetki podijeljene su u dvije grupe energetskih nivoa - slobodnu zonu koja se nalazi na najvišem nivou i koja određuje električnu provodljivost poluprovodnika, i valentni pojas koji se nalazi ispod. Ovi nivoi, u zavisnosti od simetrije kristalne rešetke i sastava atoma, mogu se ukrštati ili nalaziti na udaljenosti jedan od drugog. U potonjem slučaju, između zona se pojavljuje energetski jaz ili, drugim riječima, zabranjena zona.
Položaj i popunjavanje nivoa određuju provodljiva svojstva supstance. Na osnovu toga, tvari se dijele na provodnike, izolatore i poluvodiče. Širina pojasa poluprovodnika varira u granicama od 0,01–3 eV, energetski jaz dielektrika prelazi 3 eV. Metali nemaju energetski jaz zbog preklapanja nivoa.
Poluprovodnici i dielektrici, za razliku od metala, imaju valentnu traku ispunjenu elektronima, a najbliža slobodna zona, ili pojas provodljivosti, ograđen je od valentnog pojasa energetskim jazom - područjem zabranjenih energija elektrona.
U dielektricima, toplotna energija ili beznačajno električno polje nisu dovoljni da se napravi skok kroz ovaj jaz, elektroni ne ulaze u provodni pojas. Nisu u stanju da se kreću duž kristalne rešetke i postanu nosioci električne struje.
Da bi se potaknula električna provodljivost, elektronu na valentnom nivou mora biti data energija koja bi bila dovoljna da savlada energijujaz. Samo kada apsorbuje količinu energije koja nije manja od vrednosti energetskog jaza, elektron će se pomeriti sa valentnog nivoa na nivo provodljivosti.
U slučaju da širina energetskog jaza prelazi 4 eV, pobuđivanje provodljivosti poluprovodnika zračenjem ili zagrevanjem je praktično nemoguće - energija pobude elektrona na temperaturi topljenja je nedovoljna da preskoči zonu energetskog jaza. Kada se zagrije, kristal će se topiti sve dok se ne pojavi elektronska provodljivost. Ove supstance uključuju kvarc (dE=5,2 eV), dijamant (dE=5,1 eV), mnoge soli.
Nečistoća i intrinzična provodljivost poluprovodnika
Čisti poluprovodnički kristali imaju sopstvenu provodljivost. Takvi poluprovodnici se nazivaju intrinzičnimi. Intrinzični poluvodič sadrži jednak broj rupa i slobodnih elektrona. Kada se zagreju, intrinzična provodljivost poluprovodnika se povećava. Pri konstantnoj temperaturi nastaje stanje dinamičke ravnoteže u broju formiranih parova elektron-rupa i broju rekombinirajućih elektrona i rupa, koji ostaju konstantni pod datim uslovima.
Prisustvo nečistoća ima značajan uticaj na električnu provodljivost poluprovodnika. Njihovo dodavanje omogućava značajno povećanje broja slobodnih elektrona sa malim brojem rupa i povećanje broja rupa sa malim brojem elektrona na nivou provodljivosti. Poluprovodnici nečistoće su provodnici sa provodljivošću nečistoća.
Nečistoće koje lako doniraju elektrone nazivaju se donorskim nečistoćama. Donatorske nečistoće mogu biti hemijski elementi sa atomima čiji valentni nivoi sadrže više elektrona od atoma osnovne supstance. Na primjer, fosfor i bizmut su nečistoće donora silicijuma.
Energija potrebna za skok elektrona u područje provodljivosti naziva se energija aktivacije. Poluvodičima nečistoća je potrebno mnogo manje nego osnovnom materijalu. Uz blago 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. Provodljivost otvora donora je zanemarljiva. To je zato što mali broj atoma nečistoća ne dozvoljava slobodnim elektronima da se često približe rupi i zauzmu je. Elektroni su blizu rupa, ali nisu u stanju da ih popune zbog nedovoljnog nivoa energije.
Neznačajno dodavanje donorske nečistoće za nekoliko redova veličine povećava broj elektrona provodljivosti u poređenju sa brojem slobodnih elektrona u intrinzičnom poluprovodniku. Elektroni su ovdje glavni nosioci naboja atoma poluvodiča nečistoća. Ove supstance su klasifikovane kao poluprovodnici n-tipa.
Nečistoće koje vezuju elektrone poluprovodnika, povećavajući broj rupa u njemu, nazivaju se akceptorima. Akceptorske nečistoće su hemijski elementi sa manje elektrona na valentnom nivou od osnovnog poluprovodnika. Bor, galijum, indijum - akceptornečistoće za silicijum.
Karakteristike poluprovodnika zavise od nedostataka u njegovoj kristalnoj strukturi. To je razlog potrebe za uzgojem izuzetno čistih kristala. Parametri provodljivosti poluprovodnika se kontrolišu dodavanjem dodataka. Kristali silicijuma su dopirani fosforom (element podgrupe V), koji je donor, kako bi se stvorio silicijumski kristal n-tipa. Da bi se dobio kristal sa provodljivošću rupa, akceptor bora se uvodi u silicijum. Poluprovodnici sa kompenzovanim Fermijevim nivoom koji ga pomeraju do sredine pojasnog pojasa kreiraju se na sličan način.
Jednoćelijski poluprovodnici
Najčešći poluprovodnik je, naravno, silicijum. Zajedno sa germanijumom, postao je prototip za široku klasu poluprovodnika sa sličnim kristalnim strukturama.
Struktura Si i Ge kristala je ista kao i dijamanta i α-kalaja. U njemu je svaki atom okružen sa 4 najbliža atoma, koji formiraju tetraedar. Ova koordinacija se naziva četverostruka. Tetra-vezani kristali postali su osnova elektronske industrije i igraju ključnu ulogu u modernoj tehnologiji. Neki elementi grupa V i VI periodnog sistema su takođe poluprovodnici. Primjeri poluprovodnika ovog tipa su fosfor (P), sumpor (S), selen (Se) i telur (Te). U ovim 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 mogu se dobiti i 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 odličnu toplotnu provodljivost, odlične mehaničke i optičke karakteristike, visoku mehaničku čvrstoću. Širina energetskog jaza - dE=5,47 eV.
- Silicijum je poluprovodnik 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.
- Germanijum je poluprovodnik koji se koristi u gama spektroskopiji, fotonaponskih ćelija visokih performansi. Koristi se u prvim diodama i tranzistorima. Zahtijeva manje čišćenja od silikona. dE=0,67 eV.
- Selen je poluprovodnik koji se koristi u selenskim ispravljačima, koji imaju visoku otpornost na zračenje i sposobnost samoizlječenja.
Jedinjenja sa dva elementa
Svojstva poluprovodnika formiranih od elemenata 3. i 4. grupe periodnog sistema liče na svojstva supstanci 4. grupe. Prelazak sa elemenata grupe 4 na jedinjenja 3–4 gr. čini veze djelimično jonskim zbog prijenosa naboja elektrona sa atoma grupe 3 na atom grupe 4. Jonizam mijenja svojstva poluprovodnika. To je razlog povećanja Kulonove međujonske interakcije i energije energetskog pojasaelektronske strukture. Primjer binarnog jedinjenja ove vrste je indijum antimonid InSb, galijum arsenid GaAs, galijum antimonid GaSb, indijum fosfid InP, aluminijum antimonid AlSb, galijum fosfid GaP.
Jonost se povećava, a njena vrijednost još više raste u spojevima supstanci grupa 2-6, kao što su kadmijum selenid, cink sulfid, kadmijum sulfid, kadmijum telurid, cink selenid. Kao rezultat toga, većina spojeva grupa 2-6 ima pojas širi od 1 eV, osim jedinjenja žive. Živin telurid je poluprovodnik bez energetskog jaza, polumetal, poput α-kalaja.
Poluprovodnici grupe 2-6 sa velikim energetskim jazom koriste se u proizvodnji lasera i displeja. Za infracrvene prijemnike pogodne su binarne veze od 2-6 grupa sa suženim energetskim jazom. Binarna jedinjenja elemenata grupa 1–7 (bakar bromid CuBr, srebro jodid AgI, bakar hlorid CuCl) zbog svoje visoke jonizacije imaju pojas širi od 3 eV. Oni zapravo nisu poluprovodnici, već izolatori. Povećanje energije sidrenja kristala zbog Kulonove interionske interakcije doprinosi strukturiranju atoma kamene soli sa šesterostrukom, a ne kvadratičnom koordinacijom. Jedinjenja grupa 4-6 - olovni sulfid i telurid, kalaj sulfid - su takođe poluprovodnici. Stupanj ionnosti ovih supstanci također doprinosi formiranju šesterostruke koordinacije. Značajna ionnost ih ne sprečava da imaju vrlo uske pojasne praznine, što im omogućava da se koriste za primanje infracrvenog zračenja. Galijev nitrid - jedinjenje od 3-5 grupa sa širokim energetskim jazom, našao je primenu u poluprovodnicimalaseri i LED diode koje rade u plavom dijelu spektra.
- GaAs, galijev arsenid, je drugi najčešće korišteni poluprovodnik nakon silicijuma, koji se obično koristi kao supstrat za druge provodnike kao što su GaInNAs i InGaAs, u IR diodama, visokofrekventnim mikro krugovima i tranzistorima, visokoefikasnim solarnim ćelijama, laserske diode, detektori nuklearnog lijeka. dE=1,43 eV, što omogućava povećanje snage uređaja u odnosu na silicijum. Krhak, sadrži više nečistoća, težak za proizvodnju.
- ZnS, cink sulfid - cink so hidrosulfidne kiseline sa rasponom pojasa od 3,54 i 3,91 eV, koristi se u laserima i kao fosfor.
- SnS, kalaj sulfid - poluprovodnik koji se koristi u fotootpornicima i fotodiodama, dE=1, 3 i 10 eV.
Oksidi
Metalni oksidi su uglavnom odlični izolatori, ali postoje izuzeci. Primeri poluprovodnika ovog tipa su nikl oksid, bakar oksid, kob alt oksid, bakar dioksid, gvožđe oksid, evropijum oksid, cink oksid. Budući da bakrov dioksid postoji kao mineral kuprit, njegova svojstva su opsežno istražena. Postupak uzgoja poluvodiča ovog tipa još nije u potpunosti shvaćen, pa je njihova primjena još uvijek ograničena. Izuzetak je cink oksid (ZnO), spoj grupe 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 jedinjenjima bakra sa kisikom. PrvoVisokotemperaturni superprovodnik koji su otkrili Müller i Bednorz bio je spoj baziran na poluprovodniku La2CuO4 sa energetskim jazom od 2 eV. Zamjenom trovalentnog lantana dvovalentnim barijumom ili stroncijumom, u poluvodič se uvode rupičasti nosači naboja. Postizanje potrebne koncentracije rupa pretvara La2CuO4 u superprovodnik. Trenutno, najviša temperatura prijelaza u supravodljivo stanje pripada spoju HgBaCa2Cu3O8. Pri visokom pritisku, 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 provodnik u LCD-ima i solarnim panelima. dE=3,37 eV.
Slojevi kristali
Dvostruka jedinjenja kao što su olovni dijodid, galijum selenid i molibden disulfid karakteriše slojevita kristalna struktura. U slojevima djeluju kovalentne veze značajne čvrstoće, mnogo jače od van der Waalsovih veza između samih slojeva. Poluprovodnici ovog tipa su zanimljivi po tome što se elektroni ponašaju kvazi-dvodimenzionalno u slojevima. Interakcija slojeva se mijenja uvođenjem stranih atoma - interkalacijom.
MoS2, molibden disulfid se koristi u visokofrekventnim detektorima, ispravljačima, memristorima, tranzistorima. dE=1,23 i 1,8 eV.
Organski poluprovodnici
Primjeri poluprovodnika na bazi organskih jedinjenja - naftalen, poliacetilen(CH2) , antracen, polidiacetilen, ftalocijanidi, polivinilkarbazol. Organski poluvodiči imaju prednost u odnosu na neorganske: lako im je prenijeti željene kvalitete. Supstance sa konjugovanim vezama tipa –S=S–S=imaju značajnu optičku nelinearnost i zbog toga se koriste u optoelektronici. Osim toga, zone energetskog diskontinuiteta organskih poluvodiča se mijenjaju promjenom formule spoja, što je mnogo lakše nego kod konvencionalnih poluvodiča. Kristalni alotropi ugljičnog fulerena, grafena, nanocijevi su također poluprovodnici.
- Fuleren ima strukturu u obliku konveksnog zatvorenog poliedra od parnog broja atoma ugljenika. A dopiranje fulerena C60 sa alkalnim metalom pretvara ga u supravodnik.
- Grafen je formiran od monoatomskog sloja ugljika spojenog u dvodimenzionalnu heksagonalnu rešetku. Ima rekordnu toplotnu provodljivost i pokretljivost elektrona, visoku krutost
- Nanocijevi su grafitne ploče umotane u cijev, prečnika nekoliko nanometara. Ovi oblici ugljika imaju veliko obećanje u nanoelektronici. Može pokazati metalne ili poluprovodne kvalitete u zavisnosti od spojnice.
Magnetski poluprovodnici
Jedinjenja sa magnetnim ionima europijuma i mangana imaju neobična magnetna i poluprovodnička svojstva. Primjeri poluprovodnika ovog tipa su europijum sulfid, europijum selenid i čvrste otopine poputCd1-xMnxTe. Sadržaj magnetnih jona utiče na to kako se magnetna svojstva kao što su antiferomagnetizam i feromagnetizam manifestuju u supstancama. Semimagnetski poluvodiči su čvrste magnetne otopine poluvodiča koje sadrže magnetne ione u maloj koncentraciji. Ovakva čvrsta rješenja privlače pažnju zbog obećanja i velikog potencijala za moguće primjene. Na primjer, za razliku od nemagnetnih poluprovodnika, oni mogu postići milion puta veću Faradejevu rotaciju.
Jaki magnetno-optički efekti magnetnih poluprovodnika omogućavaju njihovu upotrebu za optičku modulaciju. Perovskiti poput Mn0, 7Ca0, 3O3, nadmašuju metal - poluprovodnik, čija direktna zavisnost od magnetnog polja rezultira fenomenom gigantske magnetootpornosti. Koriste se u radiotehnici, optičkim uređajima koji se kontrolišu magnetnim poljem, u talasovodima mikrotalasnih uređaja.
Poluprovodnički feroelektrici
Ovu vrstu kristala odlikuje prisustvo električnih momenata u njima i pojava spontane polarizacije. Na primjer, poluprovodnici kao što su olovni titanat PbTiO3, barijum titanat BaTiO3, germanij telurid GeTe, kalaj telurid SnTe, koji na niskim temperaturama imaju svojstva feroelektrični. Ovi materijali se koriste u nelinearnim optičkim, memorijskim i piezo senzorima.
Različiti poluprovodnički materijali
Pored navedenogpoluprovodničke supstance, postoje mnoge druge koje ne spadaju ni u jednu od navedenih vrsta. Veze elemenata prema formuli 1-3-52 (AgGaS2) i 2-4-52 (ZnSiP2) formiraju kristale u strukturi halkopirita. Veze jedinjenja su tetraedarske, slične poluprovodnicima grupa 3–5 i 2–6 sa kristalnom strukturom cinkove mešavine. Jedinjenja koja čine elemente poluprovodnika grupa 5 i 6 (poput As2Se3) su poluprovodnici u obliku kristala ili stakla. Halkogenidi bizmuta i antimona koriste se u poluvodičkim termoelektričnim generatorima. Svojstva poluvodiča ovog tipa su izuzetno interesantna, ali nisu stekla popularnost zbog ograničene primjene. Međutim, činjenica da oni postoje potvrđuje postojanje oblasti fizike poluprovodnika koje još nisu u potpunosti istražene.
