Primjeri poluvodiča. Vrste, svojstva, praktične primjene

Najpoznatiji poluprovodnik je silicijum (Si). Ali, pored njega, ima i mnogo drugih. Primjer je prirodni poluprovodnički materijali poput zinc blende (ZnS), cuprite (Cu ₂ O), galena (PbS) i mnogi drugi. Porodica poluprovodnika, uključujući i poluprovodnike sintetizovane u laboratorijama, jedna je od najraznovrsnijih klasa materijala poznatih čovjeku.

Karakteristike poluprovodnika

Od 104 elementa periodične tablice, 79 su metali, 25 nemetala, od kojih 13 hemijskih elemenata poseduje poluprovodničke karakteristike, a 12 dielektrika. Glavna razlika između poluprovodnika je da se njihova električna provodljivost značajno povećava s povećanjem temperature. Kod niskih temperatura ponašaju se kao dielektrika, a na visokim temperaturama ponašaju se kao provodnici. Ovi poluprovodnici se razlikuju od metala: otpornost metala povećava srazmerno povećanju temperature.

Druga razlika između poluprovodnika i metala je u tome što otpor poluprovodnika pada pod dejstvo svetlosti, dok metal ne utiče na metal. Konduktivnost poluprovodnika takođe se menja sa uvođenjem male količine nečistoća.

Poluprovodnici se nalaze među hemijskim jedinjenjima sa raznim kristalnim strukturama. To mogu biti elementi kao što su silicijum i selen, ili dvostruka jedinjenja, kao što je galijum arsenid. Mnoga organska jedinjenja, na primjer poliacetilen (CH) _n, su poluprovodnički materijali. Neki poluprovodnici pokazuju magnetske (Cd _1-x Mn _x Te) ili feroelektrična svojstva (SbSI). Ostali sa dovoljnim dopingom postaju superprevodnici (GeTe i SrTiO ₃ ). Mnogi od nedavno otkrivenih visokotemperaturnih superprevodnika imaju ne-metalne poluprovodničke faze. Na primer, La ₂ CuO ₄ je poluprovodnik, ali kada formira leguru sa Sr postaje superprevodnik (La _1-x Sr _x ) ₂ CuO ₄ .

U udžbenicima fizike daje se poluprovodnička definicija kao materijal sa električnim otporom od 10 ^-4 do 10 ⁷ Ω · m. Moguća je i alternativna definicija. Širina zabranjenog trakta poluprovodnika je od 0 do 3 eV. Metali i semimetali su materijali sa nultom energijom, a supstance u kojima se premašuju 3 eV nazivaju se izolatori. Postoje izuzeci. Na primer, poluprovodnički dijamant ima zabranjeni pojas širine 6 eV, polu-izolacionu GaAs - 1,5 eV. GaN, materijal za optoelektronske uređaje u plavom regionu, ima zabranjeni pojas širine 3,5 eV.

Energetski jaz

Valentni orbitali atoma u kristalnoj rešetki podeljeni su u dve grupe nivoa energije - slobodna zona koja se nalazi na najvišem nivou i određuje električnu provodljivost poluprovodnika, a valentni opseg nalazi niži. Ovi nivoi, u zavisnosti od simetrije kristalne rešetke i sastava atoma, mogu se presecati ili razdvojiti. U drugom slučaju postoji energetski jaz između zona ili, drugim rečima, zabranjena zona.

Položaj i popunjavanje nivoa određuje provodne osobine supstance. Na ovoj osnovi, supstance se dele na provodnike, izolatore i poluprovodnike. Širina zabranjenog opsega poluprovodnika varira u rasponu od 0.01-3 eV, dielektrična energetska jaza prelazi 3 eV. Metali nisu zbog preklapanja nivoa energetskih praznina.

Poluprovodnici i dielektriji, za razliku od metala, imaju valentni pojas ispunjeni elektronima, a najbliža slobodna zona ili provodni pojas je ograđen iz valence energetske praznine - deo zabranjenih energija elektrona.

U dielektrima toplotne energije ili malom električnom polju nije dovoljno da se skoči kroz ovu prazninu, elektroni ne ulaze u pojas provodljivosti. Oni nisu u mogućnosti da se kreću oko kristalne rešetke i postanu nosioci električne struje.

Da bi izazvali električnu provodljivost, elektronu na nivou valence treba dati energiju koja bi bila dovoljna za prevazilaženje energetskog jaza. Samo apsorbujući količinu energije ne manje od magnitude energetskog jaza, elektron će izlaziti sa nivoa valence na nivo provodljivosti.

U slučaju da širina energetskog jaza prelazi 4 eV, uzbuđenje provodljivosti poluprovodnika radi zračenja ili grijanja je praktično nemoguće - energija elektrižnog uticaja elektrona na temperaturi topljenja se pokazala nedovoljnom za skok kroz zonu za diskontinuitet energije. Kada se zagreje, kristal se topi pre pojavljivanja elektronske provodljivosti. Takve supstance uključuju kvarc (dE = 5.2 eV), dijamant (dE = 5.1 eV), mnoge soli.

Nečistoća i unutrašnja provodljivost poluprovodnika

Čisti poluprovodnički kristali imaju unutrašnju provodljivost. Takvi poluprovodnici se zovu vlasnički. Unutrašnji poluprovodnik sadrži jednak broj rupa i slobodnih elektrona. Kada se zagreje, intrinsična provodljivost poluprovodnika se povećava. Na konstantnoj temperaturi se pojavljuje stanje dinamičke ravnoteže između broja formiranih parova elektron-rupa i broja rekombinovanih elektrona i rupa koji ostaju konstantni pod datim uslovima.

Prisustvo nečistoća ima značajan uticaj na električnu provodljivost poluprovodnika. Dodavanjem ih je moguće značajno povećati broj slobodnih elektrona sa malim brojem rupica i povećati broj rupa sa malim brojem elektrona na nivou provodljivosti. Poluprovodnici nečistoća su provodnici koji imaju nepropusnu provodljivost.

Nečistoće koje lako odaju elektronama nazivaju se donatori. Donorske nečistoće mogu biti hemijski elementi sa atomi, čiji nivoi valentnosti sadrže više elektrona nego atomi baznog materijala. Na primer, fosfor i bizmut su donorske nečistoće silicijuma.

Energija koja je neophodna da bi se elektron skočio u oblast provodljivosti naziva se energija aktivacije. Poluprovodnici nečistoće treba mnogo manje od glavne supstance. Sa blagim zagrevanjem ili osvetljavanjem, uglavnom se oslobađaju elektroni nečistoće poluprovodničkih atoma. Mesto elektrona koji je napustio atom zauzima rupu. Ali praktično nema rekombinacije elektrona u rupe. Konduktivnost otvora donatora je zanemarljiva. To je zato što mali broj nečistoća ne dozvoljava slobodnim elektronima često da pristupe rupi i da ga zauzimaju. Elektroni su blizu rupa, ali ne mogu ih popuniti zbog nedovoljnog nivoa energije.

Beznačajno dodavanje nečistoće donatora za više naredbi povećava broj elektrona provodljivosti u poređenju sa brojem slobodnih elektrona u intrinsičnom poluprovodniku. Elektroni ovde su glavni nosioci punjenja atoma nečistoće poluprovodnika. Ove supstance se klasifikuju kao poluprovodnici n-tipa.

Nečistoće koje vezuju elektrone poluprovodnika, povećavajući broj rupa u njemu, nazivaju se akceptori. Nečistoće prihvatača su hemijski elementi sa manjim brojem elektrona na nivou valence nego u baznom poluprovodniku. Boron, galijum, indijum su akceptorske nečistoće za silicijum.

Karakteristike poluprovodnika zavise od defekata njegove kristalne strukture. To je razlog za potrebu za rastom izuzetno čistih kristala. Parametri provodljivosti poluprovodnika se kontrolišu dodavanjem legirnih aditiva. Silicijumski kristali su dopirani fosforom (podgrupa V element), koji je donator za stvaranje n-tipa silicijum kristala. Za dobijanje kristala sa provodnošću rupe, akon akceptor se unosi u silicijum. Na sličan način stvoreni su poluprovodnici s kompenzovanim Fermijevim nivoom da bi se prebacili na sred zabranjenog opsega.

Poluprovodnici sa jednom elementom

Najčešći poluprovodnik je, naravno, silicijum. Zajedno sa germanijumom, postao je prototip širokog sloja poluprovodnika s sličnim kristalnim strukturama.

Struktura Si i Ge kristala je ista kao kod dijamanta i α-kalaj. U njemu je svaki atom okružen sa 4 najbližih atoma, koji formiraju tetraedron. Ova koordinacija se naziva četiri puta. Kristali sa tetradicnom vezom postali su osnovni za elektronsku industriju i igraju glavnu ulogu u modernoj tehnologiji. Neki elementi V i VI grupa periodične tablice su takođe poluprovodnici. Primjeri poluprovodnika ovog tipa su fosfor (P), sumpor (S), selen (Se) i telur (Te). U ovim poluprovodnicima, atomi mogu imati trostruku (P), dvostruku (S, Se, Te) ili četverodnu koordinaciju. Kao rezultat, takvi elementi mogu postojati u nekoliko različitih kristalnih struktura, a mogu se dobiti iu obliku stakla. Na primer, Se je gajio u monokliničkim i trigonalnim kristalnim strukturama ili u obliku stakla (koji se takođe može smatrati polimerom).

- Dijamant ima odličnu toplotnu provodljivost, odlične mehaničke i optičke karakteristike, visoku mehaničku čvrstoću. Širina energetskog jaza je dE = 5.47 eV.

- Silicon - poluprovodnik koji se koristi u solarnim baterijama iu amorfnom obliku - u tankim filmskim solarnim ćelijama. To je najčešće korišćeni poluprovodnik u fotoćelijama, jednostavan za proizvodnju, ima dobre električne i mehaničke osobine. DE = 1,12 eV.

- Germanium - poluprovodnik koji se koristi u gama spektroskopiji, fotocelica visoke efikasnosti. Koristi se u prvim diodama i tranzistorima. Potrebno je manje čišćenja od silikona. DE = 0,67 eV.

- Selen - poluprovodnik, koji se koristi u selenskim ispravljačima, koji imaju visoku otpornost na radijaciju i mogućnost samopodešavanja.

Dve-elementne veze

Osobine poluprovodnika formiranih elementima grupa 3 i 4 tabele Mendelejeva podsećaju na osobine supstanci iz grupe 4. Prelazak sa 4 grupe elemenata na 3-4 gr jedinjenja. Obradi veze delimično jonske zbog prenosa elektronskog naboja od atoma grupe 3 do atoma grupe 4. Ionitost menja svojstva poluprovodnika. To je uzrok povećanja interne interakcije Cuoloma i energije energetske diskontinuitet strukture elektronske trake. Primjer binarnog jedinjenja ovog tipa je indijski antimonid InSb, galij arsenid GaAs, galij antimonid GaSb, indijum fosfid InP, aluminijum antimonid AlSb, galijev fosfid GaP.

Ioničnost se povećava, a njegova vrijednost još više raste u jedinjenjima supstanci od 2-6 grupa, kao što su kadmijum selenid, cink sulfid, kadmijum sulfid, kadmijum tulurij, selenid cinka. Kao rezultat toga, u većini jedinjenja grupa 2-6, zabranjena zona je širša od 1 eV, izuzev jedinjenja živine. Telurud žive je poluprovodnik bez energetskog jaza, semimetala, poput α-limena.

Poluprovodnici 2-6 grupa sa velikom energetskom prazninom nalaze se u proizvodnji lasera i displeja. Binarna jedinjenja od 2 do 6 grupa sa sužanim energetskim jazom su pogodna za infracrvene prijemnike. Binarna jedinjenja elemenata grupa 1-7 (bakarni bromid CuBr, srebrov jodid AgI, bakar hlorid CuCl), zbog visoke joničnosti, imaju zabranjenu zonu širu od 3 eV. Oni zapravo nisu poluprovodnici, već izolatori. Povećanje energije vezivanja kristala usled kulonske interionske interakcije promovira strukturiranje atoma kamene soli sa šest puta nego kvadratnom koordinacijom. Jedinjenja 4-6 grupa - olovni sulfid i olovo teluride, kalaj sulfid - takođe su poluprovodnici. Stepen joničnosti ovih supstanci takođe doprinosi formiranju šestostruke koordinacije. Značajan ionik ne sprečava im da imaju veoma uske zabranjene trake, što im omogućava da se koriste za infracrveno zračenje. Galijum-nitrid je jedinjenje od 3-5 grupa sa širokim energetskim jazom, pronađeno je primjenom poluprovodničkih lasera i dioda koja emituju svjetlost koja radi u plavom dijelu spektra.

- GaAs, galijum arsenid je drugi poluprovodnik koji se primjenjuje nakon silikona, obično se koristi kao supstrat za druge provodnike, na primjer GaInNAs i InGaAs, u IR-LEDs, visokofrekventnim mikrovezama i tranzistorima, visoko efikasnim fotoćelijama, laserskim diodama, detektori nuklearnog zračenja. DE = 1.43 eV, što omogućava povećanje snage uređaja u odnosu na silikon. Široka, sadrži više nečistoća, komplikovana je u proizvodnji.

- ZnS, cinkov sulfid - cinkova sol vodonik sulfida sa pojasom između 3.54 i 3.91 eV, koristi se u laserima i kao fosfor.

- SnS, tin sulfid je poluprovodnik koji se koristi u fotorezistorima i fotodiodama, dE = 1,3 i 10 eV.

Oksidi

Metalni oksidi su pretežno izvrsni izolatori, ali postoje izuzeci. Primjeri poluprovodnika ovog tipa su oksid nikla, oksid bakra, oksid kobalta, bakarni dioksid, gvožđe oksid, europijum oksid, oksid oksida. Pošto bakarni dioksid postoji u obliku mineralnog kupitra, njegove osobine su intenzivno proučavane. Postupak za uzgoj poluprovodnika ove vrste još nije u potpunosti shvaćen, pa je njihova primjena i dalje ograničena. Izuzetak je cinkov oksid (ZnO), jedinjenje 2-6 grupa, koji se koristi kao pretvarač i za proizvodnju lepkova i ljepila.

Situacija se drastično promenila nakon otkrivanja superprevodnosti u mnogim jedinjenjima bakra i kiseonika. Prvi visokotemperaturni superprevodnik, koji su otkrili Mueller i Bednorz, bio je jedinjenje zasnovano na poluprovodniku La ₂ CuO ₄ sa energetskom prazninom od 2 eV. Zamjenom trivalentnog lantana s dvovalentnim barijumom ili stroncijumom, nosioci punjenja rupa se unose u poluprovodnik. Postizanje potrebne koncentracije rupe pretvara La ₂ CuO ₄ u superprevodnik. U ovom trenutku, najviša temperatura prelaska u stanje superprevodne vode pripada jedinjenju HgBaCa ₂ Cu ₃ O ₈ . Kod visokih pritisaka, njegova vrednost je 134 K.

ZnO, oksid oksida, koji se koristi u varistorima, plavim LED lampama, senzorima plina, biološkim senzorima, prozorskim premazima koji odražavaju infracrveno svjetlo, kao provodnik u LCD ekranima i solarnim paneli. DE = 3,37 eV.

Slojevi kristali

Dvostruka jedinjenja poput olovnog diiodida, galijum selenida i molibden disulfida se razlikuju slojevitom strukturom kristala. Kovalentne veze značajne snage djeluju u slojevima, mnogo jačim od veza van der Waala između samih slojeva. Poluprovodnici ove vrste zanimljivi su u tome što se elektroni ponašaju u slojevima kvazi-dvodimenzionalnim. Interakcija slojeva se menja uvođenjem atoma trećih strana - interkalacijom.

MoS _2, molibden disulfid se koristi u visokofrekventnim detektorima, ispravljačima, memristorima, tranzistorima. DE = 1,23 i 1,8 eV.

Organski poluprovodnici

Primeri poluprovodnika na bazi organskih jedinjenja su naftalen, poliacetilen (CH2) _n , antracen, polidacetilen, ftalocijanidi, polivinilkarbazol. Organski poluprovodnici imaju prednost nad neorganskim: lako se prenose potrebnim kvalitetima. Supstance sa konjugovanim vezama tipa -C = S-S = imaju značajnu optičku nelinearnost i, zahvaljujući tome, koriste se u optoelektronici. Osim toga, zona energetske probije organskih poluprovodnika modifikovana je promenom u jedinjenoj formuli, što je mnogo lakše nego kod konvencionalnih poluprovodnika. Kristalni alotropi fulenog ugljenika, grafena i nanoceva su takođe poluprovodnici.

- Fuleren ima strukturu u obliku konveksnog zatvorenog politopa iz ravnog broja atoma ugljenika. Doping fulerena C _{60 sa} alkalnim metalom pretvara ga u superprevodnik.

- Grafen je formiran monatomskim ugljeničnim slojem, povezan sa dvodimenzionalnom heksagonalnom mrežom. Ima rekordnu toplotnu provodljivost i pokretljivost elektrona, visoku rigidnost

- Nanokle se uvlače u cev od grafitnih ploča, sa nekoliko nanometara u prečniku. Ovi oblici ugljenika imaju odličnu perspektivu u nanoelektronici. U zavisnosti od adhezije, mogu se izložiti kvaliteti metala ili poluprovodnika.

Magnetni poluprovodnici

Jedinjenja magnetnih jona europijuma i mangana imaju zanimljiva magnetna i poluprovodnička svojstva. Primjeri poluprovodnika ove vrste su europium sulfide, europium selenide i čvrsta rješenja poput Cd _1-x Mn _x Te. Sadržaj magnetnih jona utiče na način na koji se magnetska svojstva kao što su antiferromagnetizam i feromagnetizam manifestuju u supstancama. Polimagnetski poluprovodnici su čvrsta magnetna rješenja poluprovodnika koja sadrže magnetne ione u maloj koncentraciji. Takva čvrsta rešenja privlače pažnju svojim izgledima i velikim potencijalom za moguće primene. Na primer, za razliku od nemagnetnih poluprovodnika, oni mogu postići milion puta veću rotaciju Faradaya.

Jaki magnetno-optički efekti magnetskih poluprovodnika omogućavaju ih da se koriste za optičku modulaciju. Perovskiti, poput Mn _0.7 Ca _0.3 O _{3, imaju} svoje osobine superiorne prelazu metal-poluprovodnika, čija direktna zavisnost od magnetnog polja ima posljedicu fenomena gigantske magneto-otpornosti. Koriste se u radio-inženjeringu, optičkim uređajima, koji se kontrolišu magnetnim poljem, u talasima mikrotalasnih uređaja.

Semiconductor ferroelectrics

Ova vrsta kristala karakteriše prisustvo električnih trenutaka u njima i izgled spontane polarizacije. Na primer, takva svojstva poseduju olovni PbTiO ₃ titanatni poluprovodnici, BaTiO ₃ barijum titanat, GeTe teluride, SnTe teluride, koji imaju ferroelektrična svojstva na niskim temperaturama. Ovi materijali se koriste u nelinearnim optičkim, memorijskim uređajima i piezoelektričnim senzorima.

Raznolikost poluprovodničkih materijala

Osim gore pomenutih poluprovodničkih supstanci, ima mnogo drugih koji ne spadaju pod nijedan od navedenih kategorija. Jedinjenja elemenata formule 1-3-5 ₂ (AgGaS ₂ ) i 2-4-5 ₂ (ZnSiP ₂ ) formiraju kristale u strukturi halkopirita. Veze ovih jedinjenja su tetraedarne, analogne 3-5 i 2-6 poluprovodničkim poluprovodnicima sa kristalnom strukturom cinkove smjese. Jedinjenja koja čine elemente grupa 5 i 6 poluprovodnika (poput As ₂ Se ₃ ) su poluprovodnici u obliku kristala ili stakla. Halcogenidi bizmuta i antimona se koriste u poluprovodničkim termoelektričnim generatorima. Osobine poluprovodnika ove vrste su izuzetno zanimljive, ali nisu postale popularne zbog ograničene primjene. Međutim, činjenica da oni postoje potvrđuju prisustvo čak i pre kraja neistraženih područja fizike poluprovodnika.