Najslávnejším polovodičom je kremík (Si). Ale okrem neho existuje ešte mnoho ďalších. Príkladom sú také prírodné polovodičové materiály ako zinková zmes (ZnS), kuprit (Cu2O), galenit (PbS) a mnoho ďalších.Rodina polovodičov, vrátane laboratórne syntetizovaných polovodičov, je jednou z najvšestrannejších tried materiálov, ktoré sú ľuďom známe.
Zo 104 prvkov periodickej tabuľky je 79kovy, 25 - nekovy, z toho 13 chemických prvkov má polovodivé vlastnosti a 12 - dielektrikum. Hlavným rozdielom medzi polovodičmi je to, že ich elektrická vodivosť sa výrazne zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Pri nízkych teplotách sa správajú ako dielektrikum a pri vysokých teplotách sa správajú ako vodiče. V tomto sa polovodiče líšia od kovov: odpor kovu sa zvyšuje úmerne so zvýšením teploty.
Ďalší rozdiel medzi polovodičom a kovomspočíva v tom, že odpor polovodiča padá pod pôsobením svetla, zatiaľ čo druhý neovplyvňuje kov. Vodivosť polovodičov sa tiež mení, keď sa zavádza malé množstvo nečistôt.
Polovodiče sa nachádzajú medzi chemickýmizlúčeniny s rôznymi kryštálovými štruktúrami. Môžu to byť prvky ako kremík a selén, alebo dvojité zlúčeniny, ako je arzenid gália. Mnoho organických zlúčenín, ako je polyacetylén (CH)n, - polovodičové materiály. Niektoré polovodiče vykazujú magnetické vlastnosti (Cd1-xMnsTe) alebo feroelektrické vlastnosti (SbSI). Ostatní s dostatočným dopingom sa stávajú supravodičmi (GeTe a SrTiO3). Mnoho nedávno objavených vysokoteplotných supravodičov má nekovové polovodičové fázy. Napríklad La2CuO4 je polovodič, ale po vytvorení zliatiny so Sr sa stane supravodičom (La1-xSrs)2CuO4.
Učebnice fyziky definujú polovodič ako materiál s elektrickým odporom 10-4 do 107 Ohm m. Je možná aj alternatívna definícia.Medzera pásma polovodiča je od 0 do 3 eV. Kovy a polokovy sú materiály s nulovou energetickou medzerou a látky, v ktorých prekračuje 3 eV, sa nazývajú izolátory. Existujú aj výnimky. Napríklad polovodičový diamant má medzeru v pásme 6 eV, zatiaľ čo poloizolačné GaAs má medzeru v pásme 1,5 eV. GaN, materiál pre optoelektronické zariadenia v modrej oblasti, má medzeru pásma 3,5 eV.
Valenčné orbitály atómov v kryštálimriežky sú rozdelené do dvoch skupín energetických úrovní - voľné pásmo umiestnené na najvyššej úrovni určujúce elektrickú vodivosť polovodičov a valenčné pásmo umiestnené nižšie. Tieto úrovne, v závislosti od symetrie kryštálovej mriežky a zloženia atómov, sa môžu pretínať alebo sa môžu nachádzať vo vzájomnej vzdialenosti. V druhom prípade sa medzi pásmami objaví energetická medzera alebo inými slovami zakázaná zóna.
Určuje umiestnenie a plnenie úrovníelektricky vodivé vlastnosti látky. Na tomto základe sú látky rozdelené na vodiče, izolátory a polovodiče. Pásmová medzera polovodiča sa pohybuje v rozmedzí 0,01–3 eV, energetická medzera dielektrika presahuje 3 eV. Kovy nemajú energetické diskontinuity kvôli prekrývajúcim sa úrovniam energetických diskontinuít.
Polovodiče a dielektrika, na rozdiel odkovy, majú valenčný pás vyplnený elektrónmi a najbližšie voľné pásmo alebo vodivé pásmo je od valenčného pásma ohradené energetickou medzerou - úsekom zakázaných energií elektrónov.
Aj v dielektrikách tepelnej energiena skok cez túto medzeru nestačí nevýznamné elektrické pole, elektróny sa nedostanú do vodivého pásma. Nedokážu sa pohybovať po kryštálovej mriežke a stať sa nosičmi elektrického prúdu.
Na excitáciu elektrickej vodivosti je potrebné zapnúť elektrónvalenčnú úroveň, musíte dať energiu, ktorá by stačila na prekonanie energetickej medzery. Len keď absorbuje množstvo energie, nie menšie ako veľkosť energetickej medzery, elektrón prejde z valenčnej hladiny na úroveň vodivosti.
V prípade, že šírka energetickej medzeryprekročí 4 eV, je excitácia polovodičovej vodivosti ožarovaním alebo zahrievaním prakticky nemožná - budiaca energia elektrónov pri teplote topenia sa ukazuje ako nedostatočná na skok cez zónu energetickej medzery. Pri zahrievaní sa kryštál topí, kým nedôjde k elektronickému vedeniu. Medzi tieto látky patrí kremeň (dE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV) a mnoho solí.
Čisté polovodičové kryštály majúvlastná vodivosť. Takéto polovodiče sa nazývajú správne polovodiče. Vlastný polovodič obsahuje rovnaký počet dier a voľných elektrónov. Pri zahrievaní sa zvyšuje vnútorná vodivosť polovodičov. Pri konštantnej teplote vzniká stav dynamickej rovnováhy medzi počtom vytvorených párov elektrón-diera a počtom rekombinujúcich elektrónov a otvorov, ktoré za týchto podmienok zostávajú konštantné.
Prítomnosť nečistôt má významný vplyvo elektrickej vodivosti polovodičov. Ich pridanie umožňuje výrazne zvýšiť počet voľných elektrónov s malým počtom otvorov a zvýšiť počet otvorov s malým počtom elektrónov na úrovni vodivosti. Polovodiče nečistôt sú vodiče, ktoré majú vodivosť nečistôt.
Nečistoty, ktoré ľahko darujú elektrónysa nazývajú darcovia. Nečistotami darcu môžu byť chemické prvky s atómami, ktorých valenčné hladiny obsahujú viac elektrónov ako atómy základnej látky. Napríklad fosfor a bizmut sú nečistoty darcu kremíka.
Energia potrebná na skok elektrónuoblasť vedenia sa nazýva aktivačná energia. Nečistotné polovodiče ho potrebujú oveľa menej ako hlavná látka. Pri miernom zahriatí alebo osvetlení sa uvoľňujú predovšetkým elektróny atómov polovodičov nečistôt. Miesto elektrónu, ktorý opustil atóm, zaberá diera. K rekombinácii elektrónov do dier však prakticky nedochádza. Dierové vedenie darcu je zanedbateľné. Dôvodom je, že malý počet atómov nečistôt neumožňuje voľným elektrónom často sa priblížiť k diere a obsadiť ju. Elektróny sú blízko otvorov, ale nie sú schopné ich naplniť kvôli nedostatočnej energetickej hladine.
Mierne pridanie nečistoty darcu naniekoľko rádov zvyšuje počet vodivých elektrónov v porovnaní s počtom voľných elektrónov vo vlastnom polovodiči. Tu sú elektróny hlavnými nosičmi náboja nečistôt v polovodičových atómoch. Tieto látky sú klasifikované ako polovodiče typu n.
Nečistoty, ktoré viažu elektrónypolovodič, ktorý zvyšuje počet otvorov v ňom, sa nazýva akceptor. Chemické prvky s menším počtom elektrónov na valenčnej úrovni ako v základnom polovodiči slúžia ako akceptorové nečistoty. Bór, gálium a indium sú akceptorové nečistoty pre kremík.
Charakteristiky polovodiča sú vv závislosti od defektov jeho kryštálovej štruktúry. To je dôvod pre potrebu pestovať extrémne čisté kryštály. Vodivosť polovodiča je riadená pridaním dopantov. Kryštály kremíka sú dopované fosforom (prvok podskupiny V), ktorý je darcom, na vytvorenie kremíkových kryštálov typu n. Na získanie kryštálu s vodivosťou dier sa do kremíka zavedie akceptor bóru. Polovodiče s kompenzovanou úrovňou Fermi sú vytvorené podobným spôsobom, aby ho presunuli do stredu medzery v pásme.
Najbežnejším polovodičom je samozrejme kremík. Spolu s germániom sa stal prototypom širokej triedy polovodičov s podobnými kryštálovými štruktúrami.
Kryštálová štruktúra Si a Ge je rovnaká ako štruktúra diamantua a-cínu. V ňom je každý atóm obklopený 4 najbližšími atómami, ktoré tvoria štvorsten. Táto koordinácia sa nazýva štvornásobná. Tetradrické viazané kryštály sa stali základnými v elektronickom priemysle a hrajú kľúčovú úlohu v moderných technológiách. Polovodiče sú aj niektoré prvky skupín V a VI periodickej tabuľky. Príkladmi polovodičov tohto typu sú fosfor (P), síra (S), selén (Se) a telúr (Te). V týchto polovodičoch môžu mať atómy trojnásobnú (P), dvojnásobnú (S, Se, Te) alebo štvornásobnú koordináciu. Výsledkom je, že tieto prvky môžu existovať v niekoľkých rôznych kryštálových štruktúrach a môžu byť tiež získané vo forme skla. Napríklad Se rástol v monoklinických a trigonálnych kryštálových štruktúrach alebo ako sklo (ktoré možno tiež považovať za polymér).
- Diamant má vynikajúcu tepelnú vodivosť, vynikajúce mechanické a optické vlastnosti, vysokú mechanickú pevnosť. Šírka energetickej medzery je dE = 5,47 eV.
- Silikón je polovodič používaný vsolárne články, a v amorfnej forme - v tenkovrstvových solárnych článkoch. Je to najpoužívanejší polovodič v solárnych článkoch, ľahko sa vyrába a má dobré elektrické a mechanické vlastnosti. dE = 1,12 eV.
- Germánium je polovodič používaný v gama spektroskopii, vysoko výkonných solárnych článkoch. Používa sa v prvých diódach a tranzistoroch. Vyžaduje menej čistenia ako kremík. dE = 0,67 eV.
- Selén je polovodič, ktorý sa používa v selénových usmerňovačoch s vysokou odolnosťou voči žiareniu a samoliečivou schopnosťou.
Vlastnosti polovodičov tvorených prvkami 3a 4 skupiny periodickej tabuľky, pripomínajú vlastnosti látok skupiny 4. Prechod zo skupiny 4 prvkov na zlúčeniny 3-4 gr. robí väzby čiastočne iónové v dôsledku prenosu elektrónového náboja z atómu skupiny 3 na atóm skupiny 4. Ionicita mení vlastnosti polovodičov. Je to dôvod zvýšenia Coulombovej interionickej interakcie a energie energetickej diskontinuity pásmovej štruktúry elektrónov. Príkladom binárnej zlúčeniny tohto typu je antimonid india InSb, arzenid gália GaAs, antimonid gália GaSb, fosfid india InP, antimonid hlinitý AlSb, fosfid gália GaP.
Ionicita sa zvyšuje a jej hodnota je ešte väčšiarastie v zlúčeninách látok 2-6 skupín, ako je selenid kademnatý, sulfid zinočnatý, sulfid kademnatý, telurid kademnatý, selenid zinočnatý. V dôsledku toho je medzera v pásme pre väčšinu zlúčenín 2-6 skupín širšia ako 1 eV, s výnimkou zlúčenín ortuti. Telurid ortuti je polovodič bez energetickej medzery, polokovový, ako α-cín.
Polovodiče 2-6 skupín s vysokou energiouMedzery sa používajú pri výrobe laserov a displejov. Binárne zlúčeniny 2-6 skupín so zúženou energetickou medzerou sú vhodné pre infračervené prijímače. Binárne zlúčeniny prvkov skupiny 1–7 (bromid meďnatý CuBr, jodid strieborný AgI, chlorid meďnatý CuCl) majú vzhľadom na svoju vysokú ionicitu odstup pásov širší ako 3 eV. V skutočnosti nejde o polovodiče, ale o izolátory. Zvýšenie kohéznej energie kryštálu v dôsledku Coulombovej interiónovej interakcie podporuje štruktúrovanie atómov kamennej soli šesťnásobnou a nie kvadratickou koordináciou. Polovodiče sú tiež zlúčeniny 4-6 skupín - sulfid olova a telurid, sulfid cínu. Stupeň ionicity týchto látok tiež prispieva k vytvoreniu šesťnásobnej koordinácie. Významná ionicita im nebráni v tom, aby mali veľmi úzke pásmové medzery, ktoré ich umožňujú používať na príjem infračerveného žiarenia. Nitrid galia - zlúčenina 3 až 5 skupín so širokou energetickou medzerou, našiel uplatnenie v polovodičových laseroch a diódach LED pracujúcich v modrej časti spektra.
- GaAs, arzenid gália - druhý v poradíPo kremíku je požadovaný polovodič, ktorý sa zvyčajne používa ako substrát pre iné vodiče, ako sú GaInNA a InGaA, v infračervených diódach, vysokofrekvenčných mikroobvodoch a tranzistoroch, vysoko účinných fotobunkách, laserových diódach, detektoroch obnovy jadra. dE = 1,43 eV, čo umožňuje zvýšiť výkon zariadení v porovnaní s kremíkom. Krehký, obsahuje viac nečistôt, ťažko sa vyrába.
- ZnS, sulfid zinočnatý - zinočnatá soľ kyseliny sírovodíkovej s pásikovou medzerou 3,54 a 3,91 eV, sa používa v laseroch a ako fosfor.
- SnS, sulfid cínatý - polovodič používaný vo fotorezistoroch a fotodiódach, dE = 1,3 a 10 eV.
Oxidy kovov sú prevažnevynikajúce izolátory, ale existujú výnimky. Príkladmi polovodičov tohto typu sú oxid nikelnatý, oxid meďnatý, oxid kobaltu, oxid meďnatý, oxid železa, oxid europia, oxid zinočnatý. Pretože oxid meďnatý existuje ako minerál nazývaný kuprit, jeho vlastnosti boli podrobne študované. Postup pri pestovaní polovodičov tohto typu ešte nie je úplne objasnený, a preto je ich aplikácia stále obmedzená. Výnimkou je oxid zinočnatý (ZnO), zlúčenina 2-6 skupín, používaná ako konvertor a pri výrobe lepiacich pások a omietok.
Potom sa situácia dramaticky zmenilasupravodivosť bola objavená v mnohých zlúčeninách medi a kyslíka. Prvý vysokoteplotný supravodič objavený Müllerom a Bednorzom bola zlúčenina založená na polovodiči La2CuO4 s energetickou medzerou 2 eV.Nahradením trojmocného lantánu bivalentným báryom alebo stronciom sa do polovodiča zavedú nosiče náboja dier. Dosiahnutie požadovanej koncentrácie dier transformuje La2CuO4 do supravodiča. V tomto čase má najvyššia teplota prechodu do supravodivého stavu zlúčenina HgBaCa2Cu3ach8... Pri vysokom tlaku je jeho hodnota 134 K.
ZnO, oxid zinočnatý, používaný vo varistoroch,modré LED diódy, plynové senzory, biologické senzory, nátery okien na odraz infračerveného svetla ako vodič v LCD a solárnych paneloch. dE = 3,37 eV.
Dvojité zlúčeniny ako jodid olovnatýselenid gália a disulfid molybdénu, sa líšia vrstvenou štruktúrou kryštálu. Vo vrstvách pôsobia kovalentné väzby značnej sily, oveľa silnejšie ako van der Waalsove väzby medzi samotnými vrstvami. Polovodiče tohto typu sú zaujímavé tým, že elektróny sa vo vrstvách správajú kvázi dvojrozmerne. Vzájomné pôsobenie vrstiev sa mení zavedením cudzích atómov – interkaláciou.
MoS2, sulfid molybdénový sa používa vo vysokofrekvenčných detektoroch, usmerňovačoch, memristoroch, tranzistoroch. dE = 1,23 a 1,8 eV.
Príklady polovodičov na báze organických zlúčenín - naftalén, polyacetylén (CH2)nantracén, polydiacetylén, ftalokyanidy,polyvinylkarbazol. Organické polovodiče majú oproti anorganickým výhodu: je ľahké im poskytnúť požadované vlastnosti. Látky s konjugovanými väzbami v tvare –C = C – C = majú výraznú optickú nelinearitu a vďaka tomu sa používajú v optoelektronike. Okrem toho sa zóny energetickej medzery organických polovodičov menia zmenou vzorca zlúčeniny, čo je oveľa jednoduchšie ako pri konvenčných polovodičoch. Kryštalické alotrópy uhlíkového fulerénu, grafénu, nanorúrky sú tiež polovodiče.
- Fullerén má štruktúru vo forme uzavretého konvexného mnohostenu s párnym počtom atómov uhlíka. Doping fullerénom C60 alkalický kov ho premení na supravodič.
- Grafén je tvorený jednoatómovou vrstvou uhlíka viazanou do dvojrozmernej hexagonálnej mriežky. Má rekordnú tepelnú vodivosť a pohyblivosť elektrónov, vysokú tuhosť
- Nanorúrky sú zavinutérúrkové grafitové dosky s priemerom niekoľkých nanometrov. Tieto formy uhlíka sú veľkým prísľubom v nanoelektronike. V závislosti od adhézie môžu vykazovať kovové alebo polovodičové vlastnosti.
Zlúčeniny s magnetickými iónmi európia a mangánumajú zvláštne magnetické a polovodičové vlastnosti. Príkladmi tohto typu polovodičov sú sulfid európia, selenid európia a tuhé roztoky ako Cd.1-xMnsTe.Obsah magnetických iónov ovplyvňuje, ako látky prejavujú také magnetické vlastnosti, ako je antiferomagnetizmus a feromagnetizmus. Polomagnetické polovodiče sú pevné magnetické roztoky polovodičov, ktoré obsahujú nízke koncentrácie magnetických iónov. Takéto solídne riešenia priťahujú pozornosť pre svoj sľubný potenciál a veľký potenciál pre možné aplikácie. Napríklad na rozdiel od nemagnetických polovodičov dokážu dosiahnuť miliónkrát väčšiu Faradayovu rotáciu.
Silné magnetooptické účinky magnetických polovodičov umožňujú ich využitie na optickú moduláciu. Perovskity ako Mn0,7Ca0,3ach3, ich vlastnosti sú lepšie ako prechodkovový polovodič, ktorého priama závislosť od magnetického poľa vedie k fenoménu obrovského magnetorezistivity. Používajú sa v rádiotechnike, optických zariadeniach, ktoré sú riadené magnetickým poľom, vo vlnovode mikrovlnných zariadení.
Tento typ kryštálov sa vyznačuje prítomnosťou elektrických momentov a výskytom spontánnej polarizácie. Napríklad polovodiče titaničitan olova PbTiO3, titaničitan bárnatý BaTiO3, telurid germánia GeTe, telurid cínu SnTe,ktoré pri nízkych teplotách majú vlastnosti feroelektrika. Tieto materiály sa používajú v nelineárnych optických, pamäťových zariadeniach a piezoelektrických snímačoch.
Okrem vyššie uvedených polovodičových látok existuje mnoho ďalších, ktoré nespadajú pod žiadny z uvedených typov. Zlúčeniny prvkov vzorca 1-3-52 (AgGaS2) a 2-4-52 (ZnSiP2) tvoria kryštály v štruktúre chalkopyritu.Väzby zlúčenín sú tetraedrické, podobné polovodičom 3–5 a 2–6 skupín s kryštálovou štruktúrou zinkovej zmesi. Zlúčeniny, ktoré tvoria prvky skupiny 5 a 6 polovodičov (ako As2Se3), - polovodič vo forme kryštálu respsklo. V polovodičových termoelektrických generátoroch sa používajú chalkogenidy bizmutu a antimónu. Vlastnosti tohto typu polovodičov sú mimoriadne zaujímavé, ale nezískali si obľubu kvôli ich obmedzenému použitiu. Skutočnosť, že existujú, však potvrdzuje prítomnosť ešte nie celkom preskúmaných oblastí fyziky polovodičov.
