Kuuluisin puolijohde on pii (Si). Mutta hänen lisäksian on monia muita. Esimerkki on luonnolliset puolijohdemateriaalit, kuten sinkkisekoite (ZnS), kupuri (Cu2O), galena (PbS) ja monet muut.Puolijohteiden perhe, mukaan lukien laboratorioissa syntetisoidut, on yksi monimuotoisimmista ihmisille tunnetuista materiaaliluokista.
Jaksotaulukon 104 elementistä 79 onmetallit, 25 - ei -metallit, joista 13 kemiallisella elementillä on puolijohtavia ominaisuuksia ja 12 - dielektristä. Suurin ero puolijohteiden välillä on, että niiden sähkönjohtavuus kasvaa merkittävästi lämpötilan noustessa. Alhaisissa lämpötiloissa ne toimivat kuin dielektriset ja korkeissa lämpötiloissa kuin johtimet. Tässä puolijohteet eroavat metalleista: metallin vastus kasvaa suhteessa lämpötilan nousuun.
Toinen ero puolijohteen ja metallin välilläon, että puolijohteen vastus putoaa valon vaikutuksesta, kun taas valo ei vaikuta metalliin. Puolijohteiden johtavuus muuttuu myös, kun lisätään pieni määrä epäpuhtauksia.
Puolijohteita löytyy kemikaalien joukostayhdisteitä, joilla on erilaisia kiderakenteita. Nämä voivat olla elementtejä, kuten piitä ja seleeniä, tai kaksoisyhdisteitä, kuten gallium -arsenidi. Monet orgaaniset yhdisteet, kuten polyasetyleeni (CH)n, - puolijohdemateriaalit. Joillakin puolijohteilla on magneettinen (Cd1-xMnkanssaTe) tai ferrosähköiset ominaisuudet (SbSI). Toiset, joilla on riittävä doping, tulevat suprajohteiksi (GeTe ja SrTiO3). Monissa hiljattain löydetyissä korkean lämpötilan suprajohteissa on ei-metallisia puolijohdevaiheita. Esimerkiksi La2CuO4 on puolijohde, mutta kun muodostuu seos, jossa on Sr, siitä tulee suprajohde (La1-xSrkanssa)2CuO4.
Fysiikan oppikirjat määrittelevät puolijohteen materiaalina, jonka sähkövastus on 10-4 jopa 107 Ohm m. Vaihtoehtoinen määritelmä on myös mahdollinen.Puolijohteen kaistarako on 0 - 3 eV. Metallit ja puolimetallit ovat materiaaleja, joilla on nollaenergiarako, ja aineita, joissa se ylittää 3 eV, kutsutaan eristimiksi. Poikkeuksiakin on. Esimerkiksi puolijohdetimantissa on 6 eV: n kaistarako, kun taas puolieristetyissä GaAs-kaistoissa on 1,5 eV: n kaistarako. GaN, optoelektronisten laitteiden materiaali sinisellä alueella, on kaistanväli 3,5 eV.
Atomien valenssikierrokset kiteessähila on jaettu kahteen energiatason ryhmään - vapaa kaista, joka sijaitsee korkeimmalla tasolla ja määrittää puolijohteiden sähkönjohtavuuden, ja valenssikaista, joka sijaitsee alla. Nämä tasot voivat kidehilan symmetriasta ja atomien koostumuksesta riippuen leikata toisiaan tai sijaita etäisyydellä toisistaan. Jälkimmäisessä tapauksessa kaistojen väliin ilmestyy energiarako tai toisin sanoen kielletty vyöhyke.
Tasojen sijainti ja täyttö määrääaineen sähköä johtavat ominaisuudet. Tämän perusteella aineet jaetaan johtimiin, eristeisiin ja puolijohteisiin. Puolijohteen kaistarako vaihtelee alueella 0,01–3 eV, dielektrisen energiarako ylittää 3 eV. Metalleilla ei ole energiakatkoja, koska ne ovat päällekkäisiä.
Puolijohteet ja dielektrikot, toisin kuinmetalleilla on valenssinauha, joka on täynnä elektroneja, ja lähin vapaakaista tai johtumiskaista on aidattu valenssikaistalta energiaraolla - osa kiellettyjä elektronienergioita.
Myös lämpöenergiaeristeissämerkityksetön sähkökenttä ei riitä hyppäämään tämän aukon läpi, elektronit eivät pääse johtuskaistalle. He eivät voi liikkua kidehilan ympäri ja tulla sähkövirran kantajiksi.
Sähkönjohtavuuden herättämiseksi elektroni päällävalenssitasolle, sinun on annettava energiaa, joka riittäisi energiakuilun voittamiseen. Vain absorboidessaan energiamäärän, joka on vähintään energiaraon koko, elektroni siirtyy valenssitasolta johtavuustasolle.
Siinä tapauksessa, että energiaraon leveysyli 4 eV, puolijohteen johtavuuden herättäminen säteilyttämällä tai kuumentamalla on käytännössä mahdotonta - elektronien viritysenergia sulamislämpötilassa osoittautuu riittämättömäksi hyppäämään energiarakoalueen läpi. Kuumennettaessa kide sulaa, kunnes elektroninen johtuminen tapahtuu. Tällaisia aineita ovat kvartsi (dE = 5,2 eV), timantti (dE = 5,1 eV) ja monet suolat.
Puhtailla puolijohdekiteillä onomaa johtavuutta. Tällaisia puolijohteita kutsutaan oikeiksi puolijohteiksi. Luontainen puolijohde sisältää saman määrän reikiä ja vapaita elektroneja. Kuumennettaessa puolijohteiden ominaisjohtavuus kasvaa. Vakiolämpötilassa syntyy dynaaminen tasapaino muodostuneiden elektronireikäparien lukumäärän ja uudelleen yhdistyvien elektronien ja reikien lukumäärän välillä, jotka pysyvät vakioina näissä olosuhteissa.
Epäpuhtauksien esiintyminen vaikuttaa merkittävästipuolijohteiden sähkönjohtavuudesta. Niiden lisääminen tekee mahdolliseksi lisätä merkittävästi vapaiden elektronien määrää pienellä reikämäärällä ja lisätä reikien määrää pienellä määrällä elektroneja johtavuustasolla. Epäpuhtauspuolijohteet ovat johtimia, joilla on epäpuhtauksien johtavuus.
Epäpuhtaudet, jotka helposti luovuttavat elektronejakutsutaan luovuttajaksi. Luovuttajien epäpuhtaudet voivat olla atomeja sisältäviä kemiallisia alkuaineita, joiden valenssitasot sisältävät enemmän elektroneja kuin perusaineen atomit. Esimerkiksi fosfori ja vismutti ovat piidonorien epäpuhtauksia.
Energia, joka tarvitaan elektronin hyppäämiseenjohtamisaluetta kutsutaan aktivointienergiaksi. Epäpuhtauspuolijohteet tarvitsevat sitä paljon vähemmän kuin pääaine. Pienellä lämmityksellä tai valaistuksella vapautuu pääasiassa epäpuhtauspuolijohteiden atomien elektroneja. Atomista poistuvan elektronin paikka valitaan aukolla. Mutta elektronien rekombinaatiota reikiin ei käytännössä tapahdu. Luovuttajan reikien johtuminen on vähäistä. Tämä johtuu siitä, että pieni epäpuhtausatomien määrä ei salli vapaiden elektronien usein lähestyä reikää ja miehittää sitä. Elektronit ovat lähellä reikiä, mutta ne eivät pysty täyttämään niitä riittämättömän energiatason vuoksi.
Luovuttajan epäpuhtautta on lisätty hiemanuseat suuruusluokat lisäävät johtavuuselektronien määrää verrattuna vapaiden elektronien määrään omassa puolijohteessaan. Täällä elektronit ovat epäpuhtauksien puolijohdeatomien tärkeimmät varauskantajat. Nämä aineet luokitellaan n-tyypin puolijohteiksi.
Epäpuhtaudet, jotka sitovat elektronejapuolijohdetta, joka lisää reikien määrää, kutsutaan hyväksyjäksi. Kemialliset alkuaineet, joilla on pienempi määrä elektroneja valenssitasolla kuin peruspuolijohteessa, toimivat hyväksyjän epäpuhtauksina. Boori, gallium, indium ovat piin hyväksyviä epäpuhtauksia.
Puolijohteen ominaisuudet ovatriippuen sen kiderakenteen vikoista. Tämä on syy tarpeeseen kasvattaa erittäin puhtaita kiteitä. Puolijohteen johtavuutta ohjataan lisäämällä lisäaineita. Piin kiteitä seostetaan fosforilla (alaryhmän V alkuaine), joka on luovuttaja, n-tyyppisen piikiteen luomiseksi. Reiänjohtavuuden omaavan kiteen saamiseksi piitä lisätään booriakseptori. Puolijohteet, joilla on kompensoitu Fermi -taso sen siirtämiseksi kaistaraon keskelle, luodaan samalla tavalla.
Yleisin puolijohde on tietysti pii. Yhdessä germaniumin kanssa siitä tuli prototyyppi laajalle puolijohteiden luokalle, jolla on samanlaiset kiderakenteet.
Si: n ja Ge: n kiderakenne on sama kuin timantinja a-tina. Siinä jokaista atomia ympäröi 4 lähintä atomia, jotka muodostavat tetraedrin. Tätä koordinointia kutsutaan nelinkertaiseksi. Tetradrisista sidoksista valmistetuista kiteistä on tullut perustekniikka elektroniikkateollisuudessa ja niillä on keskeinen rooli nykyaikaisessa tekniikassa. Jotkut jaksollisen järjestelmän V ja VI ryhmien elementit ovat myös puolijohteita. Esimerkkejä tämän tyyppisistä puolijohteista ovat fosfori (P), rikki (S), seleeni (Se) ja telluuri (Te). Näissä puolijohteissa atomit voivat olla kolminkertaisia (P), kaksinkertaisia (S, Se, Te) tai nelinkertaisia. Tämän seurauksena tällaisia elementtejä voi esiintyä useissa eri kiderakenteissa ja ne voidaan saada myös lasin muodossa. Esimerkiksi Se kasvatettiin monokliinisissä ja trigonaalisissa kiderakenteissa tai lasina (jota voidaan myös pitää polymeerinä).
- Timantilla on erinomainen lämmönjohtavuus, erinomaiset mekaaniset ja optiset ominaisuudet, suuri mekaaninen lujuus. Energiaraon leveys on dE = 5,47 eV.
- Pii on puolijohde, jota käytetäänaurinkokennot ja amorfisessa muodossa - ohutkalvoisissa aurinkokennoissa. Se on aurinkokennojen eniten käytetty puolijohde, se on helppo valmistaa ja sillä on hyvät sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. dE = 1,12 eV.
- Germanium on puolijohde, jota käytetään gammaspektroskopiassa, korkean suorituskyvyn aurinkokennoissa. Käytetään ensimmäisissä diodeissa ja transistoreissa. Vaatii vähemmän puhdistusta kuin pii. dE = 0,67 eV.
- Seleeni on puolijohde, jota käytetään seleenin tasasuuntaajissa, joilla on korkea säteilynkestävyys ja itsekorjautumiskyky.
Elementtien muodostamien puolijohteiden ominaisuudet 3ja 4 jaksollisen taulukon ryhmää, muistuttavat ryhmän 4 aineiden ominaisuuksia. Siirtyminen alkuaineiden ryhmästä 4 yhdisteisiin 3-4 gr. tekee sidoksista osittain ionisia johtuen elektronivarauksen siirtymisestä ryhmän 3 atomista ryhmän 4 atomiin. Ionisiteetti muuttaa puolijohteiden ominaisuuksia. Se on syy Coulombin interionisen vuorovaikutuksen lisääntymiseen ja elektronien kaistarakenteen energian epäjatkuvuuden energiaan. Esimerkki tämän tyyppisestä binaarisesta yhdisteestä ovat indiumantimonidi InSb, gallium -arsenidi GaAs, gallium -antimonidi GaSb, indiumfosfidi InP, alumiiniantimonidi AlSb, galliumfosfidi GaP.
Ionisiteetti kasvaa ja sen arvo on vielä suurempikasvaa 2-6 ryhmän aineiden yhdisteissä, kuten kadmiumselenidi, sinkkisulfidi, kadmiumsulfidi, kadmiumtelluridi, sinkkiselenidi. Tämän seurauksena kaista-aukko useimmille 2-6 ryhmän yhdisteille on leveämpi kuin 1 eV elohopeayhdisteitä lukuun ottamatta. Elohopean telluridi on puolijohde, jossa ei ole energiarakoa, puolimetalli, kuten α-tina.
2-6 ryhmän puolijohteet, joilla on suuri energiaAukkoja käytetään lasereiden ja näyttöjen valmistuksessa. 2-6 ryhmän binaariset yhdisteet, joilla on kaventunut energiarako, sopivat infrapunavastaanottimiin. Ryhmän 1–7 alkuaineiden binaaristen yhdisteiden (kuparibromidi CuBr, hopeajodidi AgI, kuparikloridi CuCl) korkean ionisuuden vuoksi kaistarako on leveämpi kuin 3 eV. Ne eivät itse asiassa ole puolijohteita, vaan eristeitä. Coulombin interionisen vuorovaikutuksen aiheuttama kiteen koheesioenergian lisääntyminen edistää kivisuola -atomien rakennetta kuusinkertaisella koordinaatiolla. 4-6 ryhmän yhdisteet - lyijysulfidi ja telluridi, tinasulfidi - ovat myös puolijohteita. Näiden aineiden ionisuusaste edistää myös kuusinkertaisen koordinaation muodostumista. Merkittävä ionisuus ei estä heitä saamasta erittäin kapeita kaista -aukkoja, mikä mahdollistaa niiden käytön infrapunasäteilyn vastaanottamiseksi. Galliumnitridi - 3-5 ryhmän yhdiste, jolla on laaja energiarako - on löytänyt sovelluksen puolijohdelasereissa ja spektrin sinisessä osassa toimivissa LED -valoissa.
- GaAs, gallium -arsenidi - toinenPiin jälkeen tarvitaan puolijohdetta, jota käytetään yleensä muiden johtimien, esimerkiksi GaInNA: iden ja InGaA: iden, substraattina infrapunadiodeissa, korkeataajuisissa mikropiireissä ja transistoreissa, tehokkaissa valokennoissa, laserdiodeissa, ydinsäteilyn ilmaisimissa. dE = 1,43 eV, mikä mahdollistaa laitteiden tehon lisäämisen piiin verrattuna. Hauras, sisältää enemmän epäpuhtauksia, vaikea valmistaa.
- ZnS, sinkkisulfidi - rikkivetyhapon sinkkisuola, jonka kaistarako on 3,54 ja 3,91 eV, käytetään lasereissa ja fosforina.
- SnS, tinasulfidi - puolijohde, jota käytetään valoresistoreissa ja fotodiodeissa, dE = 1,3 ja 10 eV.
Metallioksidit ovat pääasiassaerinomaiset eristimet, mutta on poikkeuksia. Esimerkkejä tämän tyyppisistä puolijohteista ovat nikkelioksidi, kuparioksidi, kobolttioksidi, kuparidioksidi, rautaoksidi, europiumoksidi, sinkkioksidi. Koska kuparidioksidi on mineraali nimeltä cuprite, sen ominaisuuksia on tutkittu laajasti. Tämän tyyppisten puolijohteiden kasvatusmenettelyä ei ole vielä täysin ymmärretty, joten niiden käyttö on edelleen rajallista. Poikkeuksena on sinkkioksidi (ZnO), 2-6 ryhmän yhdiste, jota käytetään muuntimena ja teipien ja laastien valmistuksessa.
Tilanne muuttui dramaattisesti sen jälkeensuprajohtavuutta havaittiin monissa kupari-happiyhdisteissä. Ensimmäinen Müllerin ja Bednorzin löytämä korkean lämpötilan suprajohde oli yhdiste, joka perustui puolijohteeseen La2CuO4 2 eV: n energiaerolla.Kolmenarvoinen lantaani korvataan bivalentilla bariumilla tai strontiumilla, puolijohteeseen johdetaan reikävarauskantajia. Vaaditun reikäpitoisuuden saavuttaminen muuttaa La: n2CuO4 suprajohteeksi. Tällä hetkellä suprajohtavaan tilaan siirtymisen korkein lämpötila kuuluu yhdisteelle HgBaCa2Cu3oi8... Korkeassa paineessa sen arvo on 134 K.
ZnO, sinkkioksidi, käytetään varistoreissa,siniset LEDit, kaasuanturit, biologiset anturit, infrapunavaloa heijastavat ikkunapinnoitteet johtimena nestekidenäytöissä ja aurinkopaneeleissa. dE = 3,37 eV.
Kaksinkertaiset yhdisteet, kuten lyijydiodidigalliumselenidi ja molybdeenidisulfidi eroavat kiteen kerrosrakenteesta. Kerroksissa kovalenttiset sidokset, joilla on huomattava lujuus, toimivat paljon vahvemmin kuin van der Waalsin siteet kerrosten välillä. Tämäntyyppiset puolijohteet ovat mielenkiintoisia siinä mielessä, että elektronit käyttäytyvät lähes kaksiulotteisesti kerroksissa. Kerrosten vuorovaikutus muuttuu lisäämällä vieraita atomeja - interkalaatiota.
MoS2, molybdeenidisulfidia käytetään korkeataajuisissa ilmaisimissa, tasasuuntaajissa, memristoreissa, transistoreissa. dE = 1,23 ja 1,8 eV.
Esimerkkejä puolijohteista, jotka perustuvat orgaanisiin yhdisteisiin - naftaleeni, polyasetyleeni (CH2)n, antraseeni, polydiasetyleeni, ftalosyanidit,polyvinyylikarbatsoli. Orgaanisilla puolijohteilla on etuna epäorgaanisiin puolijohteisiin nähden: niille on helppo antaa halutut ominaisuudet. Aineilla, joiden konjugoidut sidokset ovat muotoa –C = C - C =, on merkittävä optinen epälineaarisuus, ja siksi niitä käytetään optoelektroniikassa. Lisäksi orgaanisten puolijohteiden energiarakovyöhykkeitä muutetaan muuttamalla yhdistekaavaa, mikä on paljon helpompaa kuin perinteisten puolijohteiden. Hiilifullereenin, grafeenin ja nanoputkien kiteiset allotroopit ovat myös puolijohteita.
- Fullereeni on rakenteeltaan kupera suljettu polyedri, jossa on parillinen määrä hiiliatomeja. Fullereenin doping C60 alkalimetalli muuttaa sen suprajohteeksi.
- Grafeeni muodostuu monatomisesta hiilikerroksesta, joka on sidottu kaksiulotteiseen kuusikulmaiseen hilaan. On ennätyksellinen lämmönjohtavuus ja elektronien liikkuvuus, korkea jäykkyys
- Nanoputket rullataan sisäänputkigrafiittilevyt, joiden halkaisija on muutama nanometri. Näillä hiilen muodoilla on suuri lupaus nanoelektroniikassa. Tarttuvuudesta riippuen niillä voi olla metallisia tai puolijohtavia ominaisuuksia.
Yhdisteet, joissa on europiumin ja mangaanin magneettisia ionejaniillä on uteliaita magneettisia ja puolijohtavia ominaisuuksia. Esimerkkejä tämän tyyppisistä puolijohteista ovat europiumsulfidi, europiumselenidi ja kiinteät liuokset, kuten Cd.1-xMnkanssaTe.Magneettisten ionien sisältö vaikuttaa siihen, miten aineilla on sellaisia magneettisia ominaisuuksia kuin antiferromagnetismi ja ferromagnetismi. Puolimagneettiset puolijohteet ovat puolijohteiden kiinteitä magneettisia ratkaisuja, jotka sisältävät pieniä pitoisuuksia magneettisia ioneja. Tällaiset kiinteät ratkaisut herättävät huomiota niiden lupaavasta potentiaalista ja suuresta potentiaalista mahdollisiin sovelluksiin. Esimerkiksi toisin kuin ei-magneettiset puolijohteet, ne voivat saavuttaa miljoona kertaa suuremman Faraday-pyörimisen.
Magneettisten puolijohteiden voimakkaat magneto-optiset vaikutukset mahdollistavat niiden käytön optisessa moduloinnissa. Perovskilaiset, kuten Mn0,7Ca0,3oi3, niiden ominaisuudet ovat parempia kuin siirtymämetalli-puolijohde, jonka suora riippuvuus magneettikentästä johtaa jättimäiseen magneettoresistanssiin. Niitä käytetään radiotekniikassa, optisissa laitteissa, joita ohjataan magneettikentällä, mikroaaltolaitteiden aaltoputkissa.
Tämäntyyppiset kiteet erottuvat sähköisten momenttien läsnäolosta ja spontaanin polarisaation esiintymisestä. Esimerkiksi puolijohteet johtavat titanaattia PbTiO3, bariumtitaatti BaTiO3, germaniumtelluridi GeTe, tina telluridi SnTe,joilla on matalissa lämpötiloissa ferrosähköiset ominaisuudet. Näitä materiaaleja käytetään epälineaarisissa optisissa, muistilaitteissa ja pietsosähköisissä antureissa.
Edellä mainittujen puolijohdeaineiden lisäksi on monia muita, jotka eivät kuulu mihinkään luetelluista tyypeistä. Alkuaineyhdisteet kaavan 1-3-5 mukaisesti2 (AgGaS2) ja 2-4-52 (ZnSiP2) muodostavat kiteitä kalkopyriittirakenteeseen.Yhdisteiden sidokset ovat tetraedrisiä, samanlaisia kuin puolijohteet, joissa on 3–5 ja 2–6 ryhmää ja joissa on sinkkiseoksen kiderakenne. Yhdisteet, jotka muodostavat ryhmien 5 ja 6 puolijohteiden elementtejä (kuten As2Katso3), - puolijohde kiteen tailasi. Vismutti- ja antimoni -kalkogenidejä käytetään puolijohde -lämpösähkögeneraattoreissa. Tämän tyyppisten puolijohteiden ominaisuudet ovat erittäin mielenkiintoisia, mutta ne eivät ole saavuttaneet suosiota rajoitetun käytön vuoksi. Niiden olemassaolo kuitenkin vahvistaa puolijohdefysiikan alojen olemassaolon, joita ei ole vielä täysin tutkittu.
