Der bekannteste Halbleiter ist Silizium (Si). Aber neben ihm gibt es noch viele andere. Ein Beispiel sind natürliche Halbleitermaterialien wie Zinkblende (ZnS), Cuprit (Cu)2O), Bleiglanz (PbS) und viele andere.Die Halbleiterfamilie, einschließlich der in Laboratorien synthetisierten, ist eine der vielseitigsten Materialklassen, die dem Menschen bekannt sind.
Von den 104 Elementen des Periodensystems sind 79Metalle, 25 - Nichtmetalle, von denen 13 chemische Elemente Halbleitereigenschaften und 12 - Dielektrikum aufweisen. Der Hauptunterschied zwischen Halbleitern besteht darin, dass ihre Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur signifikant zunimmt. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sie sich wie Dielektrika und bei hohen Temperaturen wie Leiter. Dabei unterscheiden sich Halbleiter von Metallen: Der Widerstand eines Metalls steigt proportional zu einem Temperaturanstieg.
Ein weiterer Unterschied zwischen einem Halbleiter und einem Metallist, dass der Halbleiterwiderstand unter dem Einfluss von Licht fällt, während letzteres das Metall nicht beeinflusst. Die Leitfähigkeit von Halbleitern ändert sich auch mit der Einführung einer geringen Menge an Verunreinigungen.
Halbleiter finden sich unter ChemikalienVerbindungen mit einer Vielzahl von kristallinen Strukturen. Dies können Elemente wie Silizium und Selen oder Doppelverbindungen wie Galliumarsenid sein. Viele organische Verbindungen wie Polyacetylen (CH)n - Halbleitermaterialien. Einige Halbleiter weisen magnetische (Cd1-xMnmit demTe) oder ferroelektrische Eigenschaften (SbSI). Andere mit ausreichender Dotierung werden zu Supraleitern (GeTe und SrTiO)3) Viele der kürzlich entdeckten Hochtemperatursupraleiter weisen nichtmetallische Halbleiterphasen auf. Zum Beispiel La2CuO4 ist ein Halbleiter, aber bei der Bildung einer Legierung mit Sr wird ein Supraleiter (La1-xMi.mit dem)2CuO4.
Physikbücher geben einem Halbleiter eine Definition als Material mit einem elektrischen Widerstand von 10-4 bis zu 107 Ohm Eine alternative Definition ist ebenfalls möglich.Die Bandlücke eines Halbleiters beträgt 0 bis 3 eV. Metalle und Halbmetalle sind Materialien mit einer Energielücke von Null, und Substanzen, die 3 eV überschreiten, werden als Isolatoren bezeichnet. Es gibt Ausnahmen. Beispielsweise hat ein Halbleiterdiamant eine Bandlücke von 6 eV Breite, ein halbisolierendes GaAs von 1,5 eV. GaN, ein Material für optoelektronische Bauelemente im blauen Bereich, hat eine Bandlücke von 3,5 eV.
Valenzorbitale von Atomen in kristallinenDas Gitter ist in zwei Gruppen von Energieniveaus unterteilt - die freie Zone auf der höchsten Ebene, die die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern bestimmt, und die darunter liegende Valenzzone. Diese Ebenen können sich abhängig von der Symmetrie des Kristallgitters und der Zusammensetzung der Atome schneiden oder in einem Abstand voneinander liegen. Im letzteren Fall entsteht zwischen den Zonen eine Energielücke oder mit anderen Worten eine verbotene Zone.
Die Position und Füllung der Ebenen bestimmtleitende Eigenschaften des Stoffes. Auf dieser Basis werden Substanzen in Leiter, Isolatoren und Halbleiter unterteilt. Die Halbleiterbandlücke variiert zwischen 0,01 und 3 eV und die dielektrische Energielücke übersteigt 3 eV. Metalle weisen aufgrund überlappender Niveaus keine Energielücken auf.
Halbleiter und Dielektrika im Gegensatz zuMetalle haben ein mit Elektronen gefülltes Valenzband, und die nächste freie Zone oder das nächste Leitungsband ist durch eine Valenzenergielücke - einen Bereich verbotener Elektronenenergien - eingezäunt.
Auch in Dielektrika der WärmeenergieEin unbedeutendes elektrisches Feld reicht nicht aus, um durch diese Lücke zu springen, Elektronen fallen nicht in das Leitungsband. Sie können sich nicht um das Kristallgitter bewegen und werden zu Trägern elektrischen Stroms.
Um die elektrische Leitfähigkeit anzuregen, wird ein Elektron eingeschaltetAls Valenzniveau müssen Sie die Energie angeben, die ausreichen würde, um die Energielücke zu schließen. Nur wenn die Energiemenge absorbiert wird, die nicht kleiner als die Größe der Energielücke ist, überträgt sich das Elektron vom Valenzniveau auf das Leitfähigkeitsniveau.
Für den Fall, dass die Breite der Energielückeübersteigt 4 eV, ist eine Anregung der Halbleiterleitfähigkeit durch Bestrahlung oder Erwärmung praktisch unmöglich - die Elektronenanregungsenergie bei der Schmelztemperatur reicht nicht aus, um durch die Energielücke zu springen. Beim Erhitzen schmilzt der Kristall, bis eine elektronische Leitfähigkeit auftritt. Diese Substanzen umfassen Quarz (dE = 5,2 eV), Diamant (dE = 5,1 eV) und viele Salze.
Reine Halbleiterkristalle habenintrinsische Leitfähigkeit. Solche Halbleiter werden als proprietär bezeichnet. Ein intrinsischer Halbleiter enthält eine gleiche Anzahl von Löchern und freien Elektronen. Beim Erhitzen nimmt die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern zu. Bei einer konstanten Temperatur entsteht ein Zustand des dynamischen Gleichgewichts aus der Anzahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare und der Anzahl der rekombinierenden Elektronen und Löcher, die unter diesen Bedingungen konstant bleiben.
Das Vorhandensein von Verunreinigungen hat einen signifikanten Effekt.über die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern. Durch Hinzufügen können Sie die Anzahl der freien Elektronen mit einer kleinen Anzahl von Löchern erheblich erhöhen und die Anzahl der Löcher mit einer kleinen Anzahl von Elektronen auf der Ebene der Leitfähigkeit erhöhen. Verunreinigungshalbleiter sind Verunreinigungsleiter.
Verunreinigungen, die leicht Elektronen abgeben,Spender genannt. Donorverunreinigungen können chemische Elemente mit Atomen sein, deren Valenzniveaus eine größere Anzahl von Elektronen enthalten als die Atome der Grundsubstanz. Beispielsweise sind Phosphor und Wismut Donorverunreinigungen von Silizium.
Die Energie, in die ein Elektron springen mussDer Leitungsbereich wird Aktivierungsenergie genannt. Verunreinigungshalbleiter benötigen viel weniger davon als die Hauptsubstanz. Mit etwas Erwärmung oder Beleuchtung werden hauptsächlich die Elektronen der Atome der Verunreinigungshalbleiter freigesetzt. Ein Loch ersetzt ein Elektron, das ein Atom verlassen hat. Die Rekombination von Elektronen zu Löchern findet jedoch praktisch nicht statt. Die Lochleitfähigkeit des Donors ist vernachlässigbar. Dies liegt daran, dass eine kleine Anzahl von Verunreinigungsatomen nicht zulässt, dass sich freie Elektronen häufig einem Loch nähern und es besetzen. Elektronen befinden sich in der Nähe der Löcher, können sie jedoch aufgrund eines unzureichenden Energieniveaus nicht füllen.
Leichte Zugabe von Donorverunreinigungen zuMehrere Größenordnungen erhöhen die Anzahl der Leitungselektronen im Vergleich zur Anzahl der freien Elektronen in einem Halbleiter. Elektronen sind hier die Hauptladungsträger von atomaren Verunreinigungshalbleitern. Diese Substanzen werden als n-Halbleiter klassifiziert.
Verunreinigungen, die Elektronen bindenEin Halbleiter, der die Anzahl der Löcher erhöht, wird als Akzeptor bezeichnet. Akzeptorverunreinigungen sind chemische Elemente mit weniger Elektronen auf der Valenzstufe als die des Basishalbleiters. Verunreinigungen durch Bor, Gallium, Indiumakzeptor für Silizium.
Halbleiterspezifikationen sind inabhängig von Defekten in seiner Kristallstruktur. Dies ist der Grund für die Notwendigkeit, extrem reine Kristalle zu züchten. Die Halbleiterleitfähigkeitsparameter werden durch Zugabe von Dotierstoffen gesteuert. Siliziumkristalle sind mit Phosphor (Element V der Untergruppe) dotiert, der ein Donor ist, um einen Siliziumkristall vom n-Typ zu erzeugen. Um einen Kristall mit Lochleitfähigkeit zu erhalten, wird ein Borakzeptor in Silizium eingeführt. Halbleiter mit einem kompensierten Fermi-Pegel werden auf ähnliche Weise erzeugt, um ihn in die Mitte der verbotenen Zone zu verschieben.
Der gebräuchlichste Halbleiter ist natürlich Silizium. Zusammen mit Deutschland wurde er zum Prototyp einer breiten Klasse von Halbleitern mit ähnlichen Kristallstrukturen.
Die Struktur von Si- und Ge-Kristallen ist die gleiche wie die von Diamantund α-Zinn. Darin ist jedes Atom von 4 nächsten Atomen umgeben, die ein Tetraeder bilden. Diese Koordination wird vierfach genannt. Tetradikal gekoppelte Kristalle sind für die Elektronikindustrie von grundlegender Bedeutung geworden und spielen eine Schlüsselrolle in der modernen Technologie. Einige Elemente der Gruppen V und VI des Periodensystems sind ebenfalls Halbleiter. Beispiele für Halbleiter dieses Typs sind Phosphor (P), Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te). In diesen Halbleitern können Atome eine dreifache (P), zweifache (S, Se, Te) oder vierfache Koordination aufweisen. Infolgedessen können solche Elemente in mehreren verschiedenen Kristallstrukturen vorliegen und können auch in Form von Glas erhalten werden. Beispielsweise wurde Se in monoklinen und trigonalen Kristallstrukturen oder in Form von Glas (das auch als Polymer angesehen werden kann) gezüchtet.
- Diamant hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichnete mechanische und optische Eigenschaften und eine hohe mechanische Festigkeit. Die Breite der Energielücke beträgt dE = 5,47 eV.
- Silizium ist ein Halbleiter, der in verwendet wirdSonnenkollektoren und in amorpher Form - in Dünnschichtsolarmodulen. Es ist der am häufigsten verwendete Halbleiter in Solarzellen, es ist einfach herzustellen, hat gute elektrische und mechanische Eigenschaften. dE = 1,12 eV.
- Germanium - ein Halbleiter für die Gammaspektroskopie, hocheffiziente Fotozellen. Wird in den ersten Dioden und Transistoren verwendet. Es erfordert weniger Reinigung als Silizium. dE = 0,67 eV.
- Selen - ein Halbleiter, der in Selengleichrichtern mit hoher Strahlungsbeständigkeit und Selbstheilungsfähigkeit verwendet wird.
Eigenschaften von durch Elemente 3 gebildeten Halbleiternund 4 Gruppen des Periodensystems ähneln den Eigenschaften von Substanzen von 4 Gruppen. Übergang von 4 Elementgruppen zu Verbindungen 3-4 gr. macht die Bindungen aufgrund des Elektronenladungstransfers von einem Atom der Gruppe 3 zu einem Atom der Gruppe 4 teilweise ionisch. Die Ionizität verändert die Eigenschaften von Halbleitern. Dies ist der Grund für die Zunahme der interionischen Coulomb-Wechselwirkung und der Energie der Energielücke der Elektronenbandstruktur. Ein Beispiel für eine binäre Verbindung dieses Typs ist Indiumantimonid InSb, Galliumarsenid GaAs, Galliumantimonid GaSb, Indiumphosphid InP, Aluminiumantimonid AlSb, Galliumphosphid GaP.
Die Ionizität nimmt zu und ihre Bedeutung ist noch größerwächst in Verbindungen von Substanzen der 2-6 Gruppen, wie Cadmiumselenid, Zinksulfid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid, Zinkselenid. Infolgedessen ist in den meisten Verbindungen der Gruppen 2–6 die Bandlücke größer als 1 eV, mit Ausnahme von Quecksilberverbindungen. Quecksilbertellurid ist ein Halbleiter ohne Energielücke, ein Halbmetall wie α-Zinn.
Halbleiter von 2-6 Gruppen mit großer EnergieDie Lücke wird bei der Herstellung von Lasern und Displays verwendet. Binäre Verbindungen von 2-6 Gruppen mit einer verengten Energielücke sind für Infrarotempfänger geeignet. Binäre Verbindungen von Elementen der Gruppen 1–7 (Kupferbromid CuBr, Silberiodid AgI, Kupferchlorid CuCl) weisen aufgrund ihrer hohen Ionizität eine Bandlücke von mehr als 3 eV auf. Sie sind eigentlich keine Halbleiter, sondern Isolatoren. Die Zunahme der Kohäsionsenergie des Kristalls aufgrund der interionischen Coulomb-Wechselwirkung fördert die Strukturierung von Steinsalzatomen mit sechsfacher statt quadratischer Koordination. Verbindungen der Gruppen 4–6 - Bleisulfid und Tellurid sowie Zinnsulfid - sind ebenfalls Halbleiter. Der Grad der Ionizität dieser Substanzen trägt auch zur Bildung einer sechsfachen Koordination bei. Eine signifikante Ionizität hindert sie nicht daran, sehr enge verbotene Zonen zu haben, was es ihnen ermöglicht, Infrarotstrahlung zu empfangen. Galliumnitrid - eine Verbindung von 3-5 Gruppen mit einer großen Energielücke - hat Anwendung in Halbleiterlasern und LEDs gefunden, die im blauen Teil des Spektrums arbeiten.
- GaAs, Galliumarsenid - Sekunde inBedarf nach Silizium ist ein Halbleiter, der üblicherweise als Substrat für andere Leiter, beispielsweise GaInNAs und InGaAs, in IR-Netzwerkdioden, Hochfrequenz-Mikroschaltungen und -Transistoren, hocheffizienten Fotozellen, Laserdioden und Kernhärtungsdetektoren verwendet wird. dE = 1,43 eV, wodurch die Leistung von Bauelementen im Vergleich zu Silizium erhöht werden kann. Zerbrechlich, enthält mehr Verunreinigungen, schwer herzustellen.
- ZnS, Zinksulfid - Zinksalz von Schwefelwasserstoff mit einer Bandlücke von 3,54 und 3,91 eV, verwendet in Lasern und als Leuchtstoff.
- SnS, Zinnsulfid - ein Halbleiter, der in Fotowiderständen und Fotodioden verwendet wird, dE = 1,3 und 10 eV.
Metalloxide sind überwiegendausgezeichnete Isolatoren, aber es gibt Ausnahmen. Beispiele für Halbleiter dieses Typs sind Nickeloxid, Kupferoxid, Kobaltoxid, Kupferdioxid, Eisenoxid, Europiumoxid, Zinkoxid. Da Kupferdioxid als Cupritmineral vorliegt, wurden seine Eigenschaften eingehend untersucht. Das Verfahren zum Züchten von Halbleitern dieses Typs ist noch nicht vollständig verstanden, so dass ihre Verwendung immer noch begrenzt ist. Die Ausnahme bildet Zinkoxid (ZnO), eine Verbindung von 2-6 Gruppen, die als Konverter und zur Herstellung von Klebebändern und Klebstoffen verwendet wird.
Die Situation hat sich danach dramatisch verändertIn vielen Kupfer-Sauerstoff-Verbindungen wurde eine Supraleitung entdeckt. Der erste von Müller und Bednorz entdeckte Hochtemperatursupraleiter war eine Verbindung auf der Basis von La Halbleiter2CuO4 mit einer Energielücke von 2 eV.Durch Ersetzen von dreiwertigem Lanthan durch zweiwertiges Barium oder Strontium werden Lochladungsträger in den Halbleiter eingeführt. Das Erreichen der erforderlichen Lochkonzentration dreht La2CuO4 in einen Supraleiter. Gegenwärtig gehört die höchste Übergangstemperatur zum supraleitenden Zustand zur HgBaCa-Verbindung2Mit3Über8. Bei hohem Druck beträgt sein Wert 134 K.
ZnO, Zinkoxid, wird in Varistoren verwendet.blaue LEDs, Gassensoren, biologische Sensoren, Fensterabdeckungen zur Reflexion von Infrarotlicht, wie ein Leiter in LCD-Displays und Sonnenkollektoren. dE = 3,37 eV.
Binäre Verbindungen wie BleidiiodidGalliumselenid und Molybdändisulfid unterscheiden sich in der Schichtstruktur des Kristalls. In den Schichten wirken kovalente Bindungen von beträchtlicher Stärke, die viel stärker sind als die Van-der-Waals-Bindungen zwischen den Schichten selbst. Halbleiter dieses Typs sind insofern interessant, als sich die Elektronen in den Schichten quasi zweidimensional verhalten. Die Wechselwirkung der Schichten wird durch die Einführung externer Atome verändert - Interkalation.
Mos2, Molybdändisulfid wird in Hochfrequenzdetektoren, Gleichrichtern, Memristoren und Transistoren verwendet. dE = 1,23 und 1,8 eV.
Beispiele für Halbleiter auf Basis organischer Verbindungen sind Naphthalin, Polyacetylen (CH2)HerrAnthracen, Polydiacetylen, Phthalocyanide,Polyvinylcarbazol. Organische Halbleiter haben gegenüber anorganischen Halbleitern einen Vorteil: Sie erhalten leicht die notwendigen Eigenschaften. Substanzen mit konjugierten Bindungen der Form –С = С - С = weisen eine signifikante optische Nichtlinearität auf und werden daher in der Optoelektronik eingesetzt. Zusätzlich werden die Energielückenzonen von organischen Halbleitern durch Ändern der Verbindungsformel geändert, was viel einfacher ist als bei herkömmlichen Halbleitern. Kristalline Kohlenstoff-Allotrope Fulleren, Graphen und Nanoröhren sind ebenfalls Halbleiter.
- Fulleren hat eine Struktur in Form eines konvexen geschlossenen Polyeders mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen. Und Dotierung von Fulleren C.60 Alkalimetall verwandelt es in einen Supraleiter.
- Graphen wird durch eine einatomige Kohlenstoffschicht gebildet, die mit einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter verbunden ist. Es hat eine Rekordwärmeleitfähigkeit und Elektronenmobilität, hohe Steifigkeit
- Nanoröhren werden eingerolltein Graphitplattenrohr mit einem Durchmesser von mehreren Nanometern. Diese Kohlenstoffformen sind in der Nanoelektronik vielversprechend. Je nach Kupplung können sie metallische oder Halbleitereigenschaften aufweisen.
Verbindungen mit magnetischen Ionen von Europium und Manganbesitzen merkwürdige magnetische und Halbleitereigenschaften. Beispiele für Halbleiter dieses Typs sind Europiumsulfid, Europiumselenid und feste Lösungen wie Cd1-xMnmit demTe.Der Gehalt an magnetischen Ionen beeinflusst, wie sich magnetische Eigenschaften wie Antiferromagnetismus und Ferromagnetismus in Substanzen manifestieren. Halbmagnetische Halbleiter sind feste magnetische Lösungen von Halbleitern, die geringe Mengen magnetischer Ionen enthalten. Solche soliden Lösungen ziehen aufgrund ihres Versprechens und ihres großen Potenzials für mögliche Anwendungen Aufmerksamkeit auf sich. Im Gegensatz zu nichtmagnetischen Halbleitern können sie beispielsweise eine millionenfach größere Faraday-Rotation erzielen.
Die starken magnetooptischen Effekte magnetischer Halbleiter ermöglichen es, sie zur optischen Modulation zu verwenden. Perowskiten wie Mn0,7Ka0,3Über3, den Übergang in ihren Eigenschaften übertreffenein Metallhalbleiter, dessen direkte Abhängigkeit vom Magnetfeld zum Phänomen des riesigen Magnetowiderstands führt. Sie werden in der Funktechnik verwendet, optische Geräte, die durch ein Magnetfeld gesteuert werden, in Wellenleitern von Mikrowellengeräten.
Diese Art von Kristall zeichnet sich durch das Vorhandensein elektrischer Momente in ihnen und das Auftreten einer spontanen Polarisation aus. Beispielsweise besitzen PbTiO-Bleititanat-Halbleiter solche Eigenschaften.3Bariumtitanat BaTiO3, Germaniumtellurid GeTe, Zinntellurid SnTe,die bei niedrigen Temperaturen die Eigenschaften eines Ferroelektrikums haben. Diese Materialien werden in nichtlinearen optischen Geräten, Speichervorrichtungen und piezoelektrischen Sensoren verwendet.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Halbleitersubstanzen gibt es viele andere, die nicht unter einen der aufgeführten Typen fallen. Elementverbindungen nach der Formel 1-3-52 (AgGaS2) und 2-4-52 (ZnSiP2) bilden Kristalle in der Struktur von Chalkopyrit.Die Bindungen der Verbindungen sind tetraedrisch, ähnlich wie bei den Halbleitern der Gruppen 3–5 und 2–6 mit der Kristallstruktur der Zinkblende. Verbindungen, die Elemente von Halbleitern der Gruppen 5 und 6 bilden (wie As2Xie3), - Halbleiter in Form eines Kristalls oderGlas. Wismut- und Antimonchalkogenide werden in thermoelektrischen Halbleitergeneratoren verwendet. Die Eigenschaften von Halbleitern dieses Typs sind äußerst interessant, haben jedoch aufgrund ihrer begrenzten Anwendung nicht an Popularität gewonnen. Die Tatsache, dass sie existieren, bestätigt jedoch die Existenz von Bereichen der Halbleiterphysik, die noch nicht vollständig erforscht wurden.
