A leghíresebb félvezető a szilícium (Si). De rajta kívül még sokan mások. Ilyen például a természetes félvezető anyagok, mint a cinkkeverék (ZnS), a kuprit (Cu2O), galéna (PbS) és még sokan mások.A félvezetők családja, beleértve a laboratóriumban szintetizált félvezetőket is, az egyik legsokoldalúbb anyagosztály, amelyet az ember ismer.
A periódusos rendszer 104 eleméből 79 vanfémek, 25 - nem fémek, ebből 13 kémiai elem félvezető tulajdonságú és 12 - dielektromos. A félvezetők közötti fő különbség az, hogy elektromos vezetőképességük jelentősen megnő a hőmérséklet emelkedésével. Alacsony hőmérsékleten dielektrikumként, magas hőmérsékleten pedig vezetőként viselkednek. A félvezetők így különböznek a fémektől: a fém ellenállása a hőmérséklet emelkedésével arányosan nő.
Egy másik különbség a félvezető és a fém közöttaz, hogy a félvezető ellenállása a fény hatására esik, míg az utóbbi nem befolyásolja a fémet. A félvezetők vezetőképessége is megváltozik kis mennyiségű szennyeződés bejutásakor.
A félvezetők a vegyi anyagok között találhatókkülönféle kristályszerkezetű vegyületek. Ezek lehetnek elemek, például szilícium és szelén, vagy kettős vegyületek, például gallium-arzenid. Számos szerves vegyület, például poliacetilén (CH)n, - félvezető anyagok. Egyes félvezetők mágneses tulajdonságokat mutatnak (Cd1-xMNaTe) vagy ferroelektromos tulajdonságok (SbSI). Mások megfelelő doppinggal szupravezetőkké válnak (GeTe és SrTiO3). A közelmúltban felfedezett magas hőmérsékletű szupravezetők közül sok nem fémes félvezető fázissal rendelkezik. Például La2CuO4 félvezető, de ha Sr-vel ötvözet képződik, szupravezetővé válik (La1-xSra)2CuO4.
A fizika tankönyvek a félvezetőt olyan anyagként határozzák meg, amelynek elektromos ellenállása 10-4 10-ig7 Ohm m. Alternatív meghatározás is lehetséges.A félvezető sávszélessége 0-3 eV. A fémek és félfémek nulla energiarésű anyagok, azokat az anyagokat pedig, amelyekben ez meghaladja a 3 eV-ot, szigetelőknek nevezzük. Vannak kivételek is. Például a félvezető gyémánt sávszélessége 6 eV, míg a félig szigetelő GaAs sávszélessége 1,5 eV. A GaN, a kék régióban található optoelektronikai eszközök anyaga, sávszélessége 3,5 eV.
Az atomok vegyértékpályái a kristálybanA rács két energiaszint-csoportra oszlik - a legmagasabb szinten elhelyezkedő szabad sávra, amely meghatározza a félvezetők elektromos vezetőképességét, valamint az alatta lévő vegyértéksávra. Ezek a szintek a kristályrács szimmetriájától és az atomok összetételétől függően keresztezhetik egymást, vagy egymástól távol helyezkedhetnek el. Ez utóbbi esetben a sávok között energiarés keletkezik, vagy más szóval tiltott zóna.
A szintek elhelyezkedése és kitöltése határozza megaz anyag elektromos vezető tulajdonságai. Ennek alapján az anyagokat vezetőkre, szigetelőkre és félvezetőkre osztják. A félvezető sávszélessége 0,01-3 eV között változik, a dielektrikum energiarése meghaladja a 3 eV-ot. Az energiaszakadási szintek átfedése miatt a fémek nem rendelkeznek.
Félvezetők és dielektrikumok, szembenfémek vegyértéksávja elektronokkal van kitöltve, és a legközelebbi szabad sáv vagy vezetési sáv energiarés – tiltott elektronenergiák szakasza – el van zárva a vegyértéksávtól.
A hőenergia-dielektrikumokban semegy jelentéktelen elektromos mező nem elég ahhoz, hogy átugorjon ezen a résen, az elektronok nem lépnek be a vezetési sávba. Nem képesek a kristályrács körül mozogni, és elektromos áram hordozóivá válnak.
Az elektromos vezetőképesség gerjesztésére egy elektron azvegyértékszint, energiát kell adni, ami elegendő lenne az energiahiány leküzdéséhez. Csak az energiarés méreténél nem kisebb energiamennyiség elnyelése esetén lép át az elektron a vegyértékszintről a vezetőképesség szintjére.
Abban az esetben, ha az energiarés szélességemeghaladja a 4 eV-ot, a félvezető vezetőképesség gerjesztése besugárzással vagy melegítéssel gyakorlatilag lehetetlen - az elektronok gerjesztési energiája az olvadási hőmérsékleten nem elegendő az energiarés zónán való átugráshoz. Melegítéskor a kristály megolvad, amíg az elektronikus vezetés meg nem történik. Ilyen anyagok a kvarc (dE = 5,2 eV), a gyémánt (dE = 5,1 eV) és sok só.
A tiszta félvezető kristályoknak vansaját vezetőképesség. Az ilyen félvezetőket megfelelő félvezetőknek nevezzük. Egy belső félvezető azonos számú lyukat és szabad elektronokat tartalmaz. Melegítéskor a félvezetők belső vezetőképessége megnő. Állandó hőmérsékleten dinamikus egyensúlyi állapot jön létre a kialakult elektron-lyuk párok száma és a rekombináló elektronok és lyukak száma között, amelyek ilyen körülmények között állandóak maradnak.
A szennyeződések jelenléte jelentős hatással vana félvezetők elektromos vezetőképességéről. Hozzáadásuk lehetővé teszi a szabad elektronok számának jelentős növelését kis számú lyukkal, illetve a lyukak számának növelését kis számú elektronnal vezetőképességi szinten. A szennyező félvezetők olyan vezetők, amelyek szennyező vezetőképességgel rendelkeznek.
Szennyeződések, amelyek könnyen adnak elektronokatdonornak nevezik. A donor szennyeződések lehetnek atomos kémiai elemek, amelyek vegyértékszintje több elektront tartalmaz, mint az alapanyag atomjai. Például a foszfor és a bizmut szilíciumdonor szennyeződések.
Az az energia, amely ahhoz szükséges, hogy egy elektron beugorjona vezetési területet aktiválási energiának nevezzük. A szennyező félvezetőknek sokkal kevesebb kell belőle, mint a fő anyagnak. Enyhe melegítéssel vagy megvilágítással főleg szennyező félvezetők atomjainak elektronjai szabadulnak fel. Az atomot elhagyó elektron helyét egy lyuk foglalja el. De az elektronok rekombinációja lyukakká gyakorlatilag nem történik meg. A donor lyukvezetése elhanyagolható. Ennek az az oka, hogy a szennyező atomok kis száma nem teszi lehetővé, hogy a szabad elektronok gyakran megközelítsék a lyukat és elfoglalják azt. Az elektronok a lyukak közelében vannak, de az elégtelen energiaszint miatt nem tudják kitölteni azokat.
Enyhén hozzáadott donor szennyeződésttöbb nagyságrenddel megnöveli a vezetési elektronok számát a saját félvezetőjében lévő szabad elektronok számához képest. Itt az elektronok a szennyező félvezetők atomjainak fő töltéshordozói. Ezeket az anyagokat az n-típusú félvezetők közé sorolják.
Az elektronokat megkötő szennyeződésekfélvezetőt, növelve a benne lévő lyukak számát, akceptornak nevezzük. A vegyértékszinten kisebb elektronszámú kémiai elemek, mint az alapfélvezetőben, akceptor szennyeződésként szolgálnak. A bór, gallium, indium a szilícium akceptor szennyeződései.
A félvezető jellemzői benne vannakkristályszerkezetének hibáitól függően. Ez az oka annak, hogy rendkívül tiszta kristályokat kell termeszteni. A félvezető vezetőképességét adalékanyagok hozzáadásával szabályozzák. A szilíciumkristályokat foszforral adalékolják (V. alcsoport elem), amely a donor, így n-típusú szilíciumkristályt hoznak létre. Lyukas vezetőképességű kristály előállításához bór akceptort viszünk a szilíciumba. A kompenzált Fermi-szintű félvezetőket hasonló módon hozzák létre, hogy a sávköz közepére kerüljenek.
A legelterjedtebb félvezető természetesen a szilícium. A germániummal együtt a hasonló kristályszerkezetű félvezetők széles osztályának prototípusa lett.
A Si és Ge kristályszerkezete ugyanaz, mint a gyémántéés α-ón. Ebben minden atomot 4 legközelebbi atom vesz körül, amelyek egy tetraédert alkotnak. Ezt a koordinációt négyszeresnek nevezik. A tetradric kötésű kristályok az elektronikai ipar támaszpontjává váltak, és kulcsszerepet játszanak a modern technológiában. A periódusos rendszer V és VI csoportjának egyes elemei szintén félvezetők. Az ilyen típusú félvezetők például a foszfor (P), a kén (S), a szelén (Se) és a tellúr (Te). Ezekben a félvezetőkben az atomok háromszoros (P), kettős (S, Se, Te) vagy négyszeres koordinációval rendelkezhetnek. Ennek eredményeként az ilyen elemek többféle kristályszerkezetben létezhetnek, és üveg formájában is előállíthatók. Például a Se-t monoklin és trigonális kristályszerkezetekben, vagy üvegként termesztették (ami polimernek is tekinthető).
- A gyémánt kiváló hővezető képességgel, kiváló mechanikai és optikai jellemzőkkel, nagy mechanikai szilárdsággal rendelkezik. Az energiarés szélessége dE = 5,47 eV.
- A szilícium egy olyan félvezető, amelyet felhasználnaknapelemek, és amorf formában - vékonyfilmes napelemekben. Ez a napelemek leggyakrabban használt félvezetője, könnyen gyártható, jó elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. dE = 1,12 eV.
- A germánium gamma-spektroszkópiában, nagy teljesítményű napelemekben használt félvezető. Az első diódákban és tranzisztorokban használták. Kevesebb tisztítást igényel, mint a szilícium. dE = 0,67 eV.
- A szelén egy félvezető, amelyet szelén egyenirányítókban használnak, amelyek nagy sugárzásállósággal és öngyógyító képességgel rendelkeznek.
A 3. elemek által alkotott félvezetők tulajdonságaiés a periódusos rendszer 4 csoportja 4 csoport anyagainak tulajdonságaira hasonlít. Átmenet a 4. elemcsoportból a vegyületekre 3-4 gr. részben ionossá teszi a kötéseket az elektrontöltés átvitele következtében a 3. csoport atomjáról a 4. csoportba tartozó atomra. Az ionosság megváltoztatja a félvezetők tulajdonságait. Ez az oka a Coulomb interionos kölcsönhatás növekedésének és az elektronok sávszerkezetének energiaszakadási energiájának. Az ilyen típusú bináris vegyületre példa az indium-antimonid InSb, gallium-arzenid GaAs, gallium-antimonid GaSb, indium-foszfid InP, alumínium-antimonid AlSb, gallium-foszfid GaP.
Az ionosság növekszik, és az értéke még nagyobb2-6 csoportba tartozó anyagok vegyületeiben nő, mint például a kadmium-szelenid, cink-szulfid, kadmium-szulfid, kadmium-tellurid, cink-szelenid. Ennek eredményeként a legtöbb 2-6 csoportból álló vegyületnél a sávszélesség szélesebb, mint 1 eV, kivéve a higanyvegyületeket. A higanytellurid energiarés nélküli félvezető, félfém, mint az α-ón.
2-6 csoportos, nagy energiájú félvezetőkA Gap-et lézerek és kijelzők gyártásához használják. Infravörös vevőkhöz a szűkített energiarésű 2-6 csoportból álló bináris vegyületek alkalmasak. Az 1-7. csoportba tartozó elemek bináris vegyületei (réz-bromid CuBr, ezüst-jodid AgI, réz-klorid CuCl) nagy ionosságuk miatt 3 eV-nál szélesebb sávréssel rendelkeznek. Valójában nem félvezetők, hanem szigetelők. A kristály kohéziós energiájának a Coulomb interionos kölcsönhatás miatti növekedése a kősóatomok hatszoros, nem pedig másodfokú koordinációval való strukturálódását segíti elő. A 4-6 csoportból álló vegyületek - ólom-szulfid és tellurid, ón-szulfid - szintén félvezetők. Ezen anyagok ionosságának mértéke is hozzájárul a hatszoros koordináció kialakulásához. A jelentős ionosság nem akadályozza meg őket abban, hogy nagyon szűk tiltott sávokkal rendelkezzenek, ami lehetővé teszi infravörös sugárzás vételére való felhasználásukat. A gallium-nitrid - 3-5 csoportból álló, széles energiarésű vegyület - a spektrum kék részében működő félvezető lézerekben és LED-ekben talált alkalmazást.
- GaAs, gallium-arzenid - második beA szilícium után keresett félvezető, amelyet általában más vezetők, például GaInNA-k és InGaA-k szubsztrátumaként használnak infravörös diódákban, nagyfrekvenciás mikroáramkörökben és tranzisztorokban, nagy teljesítményű fotocellákban, lézerdiódákban, magvisszanyerő detektorokban. dE = 1,43 eV, ami lehetővé teszi az eszközök teljesítményének növelését a szilíciumhoz képest. Törékeny, több szennyeződést tartalmaz, nehezen gyártható.
- ZnS, cink-szulfid - hidrogén-szulfid-sav cinksója 3,54 és 3,91 eV sávszélességgel, lézerekben és foszforként használják.
- SnS, ón-szulfid - fotoellenállásokban és fotodiódákban használt félvezető, dE = 1,3 és 10 eV.
A fém-oxidok túlnyomórésztkiváló szigetelők, de vannak kivételek. Az ilyen típusú félvezetők például a nikkel-oxid, réz-oxid, kobalt-oxid, réz-dioxid, vas-oxid, európium-oxid, cink-oxid. Mivel a réz-dioxid kuprit nevű ásványként létezik, tulajdonságait alaposan tanulmányozták. Az ilyen típusú félvezetők termesztésének eljárása még nem teljesen ismert, ezért alkalmazásuk még mindig korlátozott. Kivételt képez a cink-oxid (ZnO), egy 2-6 csoportból álló vegyület, amelyet konverterként, valamint ragasztószalagok és vakolatok gyártásában használnak.
A helyzet ezt követően drámaian megváltozottszupravezetést számos réz-oxigén vegyületben fedeztek fel. A Müller és Bednorz által felfedezett első magas hőmérsékletű szupravezető egy La félvezetőn alapuló vegyület volt.2CuO4 2 eV energiaréssel.A háromértékű lantánt kétértékű báriummal vagy stronciummal helyettesítve lyuktöltéshordozókat vezetnek be a félvezetőbe. A szükséges furatkoncentráció elérése La-t transzformálja2CuO4 szupravezetővé. Ekkor a szupravezető állapotba való átmenet legmagasabb hőmérséklete a HgBaCa vegyületé2Cu3Oh8... Nagy nyomáson értéke 134 K.
ZnO, cink-oxid, varisztorokban használatos,kék LED-ek, gázérzékelők, biológiai érzékelők, ablakbevonatok az infravörös fény visszaverésére, mint vezetőként LCD-kben és napelemekben. dE = 3,37 eV.
Kettős vegyületek, mint az ólom-dijodidgallium-szelenid és molibdén-diszulfid, különböznek a kristály réteges szerkezetében. A rétegekben jelentős erősségű kovalens kötések hatnak, sokkal erősebbek, mint maguk a rétegek közötti van der Waals kötések. Az ilyen típusú félvezetők érdekessége, hogy az elektronok kvázi kétdimenziósan viselkednek rétegekben. A rétegek kölcsönhatását idegen atomok bejuttatása – interkaláció – megváltoztatja.
MoS2, A molibdén-diszulfidot nagyfrekvenciás detektorokban, egyenirányítókban, memristorokban, tranzisztorokban használják. dE = 1,23 és 1,8 eV.
Példák szerves vegyületek alapú félvezetőkre - naftalin, poliacetilén (CH2)n, antracén, polidiacetilén, ftalocianidok,polivinil-karbazol. A szerves félvezetőknek előnyük van a szervetlenekkel szemben: könnyű megadni a kívánt minőséget. A –C = C – C = formájú konjugált kötésekkel rendelkező anyagok jelentős optikai nemlinearitást mutatnak, és ennek köszönhetően az optoelektronikában használatosak. Ezenkívül a szerves félvezetők energiarés zónáit megváltoztatják az összetett képlet megváltoztatásával, ami sokkal könnyebb, mint a hagyományos félvezetőké. A szén fullerén, grafén, nanocsövek kristályos allotrópjai is félvezetők.
- A fullerén szerkezete páros számú szénatomból álló zárt konvex poliéder. Fullerén C doppingolása60 az alkálifém szupravezetővé alakítja.
- A grafént egy egyatomos szénréteg képezi, amely egy kétdimenziós hatszögletű rácsba kötődik. Rekord hővezető képességgel és elektronmobilitással, nagy merevséggel rendelkezik
- Nanocsövek be vannak tekervenéhány nanométer átmérőjű csőgrafitlemezek. A szén ezen formái nagy ígéretekkel kecsegtetnek a nanoelektronikában. A tapadástól függően fémes vagy félvezető tulajdonságokat mutathatnak.
Vegyületek európium és mangán mágneses ionjaivalkülönös mágneses és félvezető tulajdonságokkal rendelkeznek. Az ilyen típusú félvezetők példái az európium-szulfid, az európium-szelenid és a szilárd oldatok, például a Cd.1-xMNaTe.A mágneses ionok tartalma befolyásolja, hogy az anyagok milyen mágneses tulajdonságokat fejtenek ki, mint például az antiferromágnesesség és a ferromágnesesség. A félmágneses félvezetők olyan félvezetők szilárd mágneses oldatai, amelyek alacsony koncentrációban tartalmaznak mágneses ionokat. Az ilyen szilárd megoldások ígéretes potenciáljuk és nagy potenciáljuk miatt vonzzák magukra a figyelmet. Például a nem mágneses félvezetőkkel ellentétben milliószor nagyobb Faraday-forgást tudnak elérni.
A mágneses félvezetők erős mágneses-optikai hatásai lehetővé teszik optikai modulációra való felhasználásukat. A perovskitok, mint a Mn0,7Ka0,3Oh3, tulajdonságaik felülmúlják az átmenetetfém félvezető, amelynek a mágneses tértől való közvetlen függése az óriási mágneses ellenállás jelenségét eredményezi. Rádiótechnikában, mágneses térrel vezérelt optikai eszközökben, mikrohullámú készülékek hullámvezetőiben használják.
Az ilyen típusú kristályokat elektromos nyomatékok jelenléte és a spontán polarizáció megjelenése különbözteti meg. Például a félvezetők ólom-titanát PbTiO-t tartalmaznak3, bárium-titanát BaTiO3, germánium telluride GeTe, ón telluride SnTe,amelyek alacsony hőmérsékleten ferroelektromos tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezeket az anyagokat nemlineáris optikai, tárolóeszközökben és piezoelektromos érzékelőkben használják.
A fent említett félvezető anyagokon kívül sok más is létezik, amely nem tartozik a felsorolt típusok egyikébe sem. Az 1-3-5 képlet szerinti elemek vegyületei2 (AgGaS2) és 2-4-52 (ZnSiP2) kristályokat képeznek a kalkopirit szerkezetben.A vegyületek kötései tetraéderesek, hasonlóan a 3-5 és 2-6 csoportos félvezetőkhöz, amelyek kristályszerkezete cinkkeverék. Vegyületek, amelyek az 5. és 6. csoportba tartozó félvezetők elemeit alkotják (mint például az As2Se3), - kristály formájú félvezető illüveg. A bizmut- és antimon-kalkogenideket félvezető termoelektromos generátorokban használják. Az ilyen típusú félvezetők tulajdonságai rendkívül érdekesek, de korlátozott alkalmazásuk miatt nem váltak népszerűvé. A tény azonban, hogy léteznek, megerősíti a félvezetőfizika még nem teljesen feltárt területeinek jelenlétét.
