Den mest kända halvledaren är kisel (Si). Men förutom honom finns det många andra. Ett exempel är sådana naturliga halvledarmaterial som zinkblende (ZnS), koppar (Cu2O), galena (PbS) och många andra.Familjen halvledare, inklusive laboratoriesyntetiserade halvledare, är en av de mest mångsidiga klasserna av material som är kända för människan.
Av de 104 elementen i det periodiska systemet är 79metaller, 25 - icke-metaller, varav 13 kemiska element har halvledande egenskaper och 12 - dielektrikum. Huvudskillnaden mellan halvledare är att deras elektriska konduktivitet ökar avsevärt med ökande temperatur. Vid låga temperaturer beter de sig som dielektrikum, och vid höga temperaturer beter de sig som ledare. I detta skiljer sig halvledare från metaller: en metalls motstånd ökar i proportion till en temperaturökning.
En annan skillnad mellan halvledare och metallär att halvledarens motstånd faller under ljusets verkan, medan den senare inte påverkar metallen. Ledningsförmågan hos halvledare förändras också när en liten mängd förorening införs.
Halvledare finns bland kemikalierföreningar med olika kristallstrukturer. Dessa kan vara element såsom kisel och selen, eller dubbla föreningar såsom galliumarsenid. Många organiska föreningar såsom polyacetylen (CH)n, - halvledarmaterial. Vissa halvledare uppvisar magnetiska (Cd1-xmnmedTe) eller ferroelektriska egenskaper (SbSI). Andra, med tillräcklig dopning, blir supraledare (GeTe och SrTiO3). Många av de nyligen upptäckta högtemperatur superledarna har icke-metalliska halvledande faser. Till exempel La2CuO4 är en halvledare, men vid bildandet av en legering med Sr blir den en superledare (La1-xSrmed)2CuO4.
Fysikläroböcker definierar en halvledare som ett material med ett elektriskt motstånd på 10-4 upp till 107 Ohm m. En alternativ definition är också möjlig.Halvledarens bandgap är från 0 till 3 eV. Metaller och halvmetaller är material med noll energigap, och ämnen i vilka det överstiger 3 eV kallas isolatorer. Det finns också undantag. Till exempel har halvledardiamant ett 6 eV-bandgap, medan halvisolerande GaAs har ett bandgap på 1,5 eV. GaN, ett material för optoelektroniska enheter i det blå området, har ett bandgap på 3,5 eV.
Valensorbitalerna för atomer i kristallengitteret är uppdelat i två grupper av energinivåer - ett fritt band som ligger på högsta nivå och bestämmer den elektriska ledningsförmågan hos halvledare och ett valensband som ligger nedan. Dessa nivåer kan, beroende på kristallgitterets symmetri och atomernas sammansättning, korsas eller placeras på avstånd från varandra. I det sistnämnda fallet uppträder ett energigap eller med andra ord en förbjuden zon mellan banden.
Nivåernas placering och fyllning avgörämnets elektriska ledande egenskaper. På grundval av detta delas ämnen upp i ledare, isolatorer och halvledare. Bandgapet för en halvledare varierar i området 0,01–3 eV, dielektrikets energigap överstiger 3 eV. Metaller har inte energidiskontinuiteter på grund av överlappande nivåer.
Halvledare och dielektrikum, i motsats tillmetaller har ett valensband fyllt med elektroner, och det närmaste fria bandet, eller ledningsbandet, är inhägnat från valensbandet med ett energigap - en sektion av förbjudna elektronenergier.
Inom dielektrikum med termisk energi hellerett obetydligt elektriskt fält räcker inte för att hoppa genom detta gap, elektroner kommer inte in i ledningsbandet. De kan inte röra sig runt kristallgitteret och bli bärare av elektrisk ström.
För att excitera elektrisk ledningsförmåga är elektronen detvalensnivå, måste du ge energi, vilket skulle räcka för att övervinna energiklyftan. Endast när den absorberar en mängd energi som inte är mindre än storleken på energigapet, kommer elektronen att flytta från valensnivån till ledningsförmågan.
I händelse av att bredden på energigapetöverstiger 4 eV, är excitationen av halvledarkonduktiviteten genom bestrålning eller uppvärmning praktiskt taget omöjlig - excitationsenergin hos elektroner vid smälttemperaturen visar sig vara otillräcklig för att hoppa genom energigapzonen. Vid upphettning smälter kristallen tills elektronisk ledning sker. Sådana ämnen inkluderar kvarts (dE = 5,2 eV), diamant (dE = 5,1 eV) och många salter.
Rena halvledarkristaller haregen konduktivitet. Sådana halvledare kallas ordentliga halvledare. En inneboende halvledare innehåller lika många hål och fria elektroner. Vid uppvärmning ökar halvledarens inneboende ledningsförmåga. Vid en konstant temperatur uppstår ett tillstånd av dynamisk jämvikt mellan antalet bildade elektronhålspar och antalet rekombinerande elektroner och hål, som förblir konstanta under dessa förhållanden.
Förekomsten av orenheter har en betydande inverkanpå halvledares elektriska konduktivitet. Att lägga till dem gör det möjligt att avsevärt öka antalet fria elektroner med ett litet antal hål och öka antalet hål med ett litet antal elektroner vid konduktivitetsnivå. Föroreningar halvledare är ledare som har orenhet konduktivitet.
Föroreningar som enkelt donerar elektronerkallas givare. Donatorföroreningar kan vara kemiska element med atomer, vars valensnivåer innehåller fler elektroner än basämnena. Till exempel är fosfor och vismut föroreningar av kisel.
Den energi som krävs för en elektron att hoppa in iledningsområdet kallas aktiveringsenergin. Föroreningar halvledare behöver mycket mindre av det än huvudämnet. Med en liten uppvärmning eller belysning frigörs huvudsakligen elektroner av atomer med orenhet halvledare. Platsen för elektronen som lämnade atomen tas av ett hål. Men rekombinationen av elektroner i hål sker praktiskt taget inte. Hålledning av givaren är försumbar. Detta beror på att det lilla antalet orenhetsatomer inte tillåter att fria elektroner ofta närmar sig hålet och upptar det. Elektronerna är nära hålen, men de kan inte fylla dem på grund av den otillräckliga energinivån.
Lätt tillägg av givarföroreningar denflera storleksordningar ökar antalet ledningselektroner jämfört med antalet fria elektroner i sin egen halvledare. Här är elektroner de huvudsakliga laddningsbärarna av orenhetshalvledaratomer. Dessa ämnen klassificeras som halvledare av n-typ.
Föroreningar som binder elektronerhalvledare, vilket ökar antalet hål i den, kallas acceptor. Kemiska element med ett mindre antal elektroner på valensnivån än i bashalvledaren fungerar som acceptorföroreningar. Bor, gallium, indium är acceptorföroreningar för kisel.
Halvledarens egenskaper finns iberoende på defekterna i dess kristallstruktur. Detta är anledningen till behovet av att odla extremt rena kristaller. Halvledarens konduktivitet styrs genom tillsats av dopmedel. Kiselkristaller dopas med fosfor (undergrupp V-element), som är en givare, för att skapa en kiselkristall av n-typ. För att erhålla en kristall med hålledningsförmåga införs en boracceptor i kisel. Halvledare med en kompenserad Fermi-nivå för att flytta den till mitten av bandgapet skapas på ett liknande sätt.
Den vanligaste halvledaren är naturligtvis kisel. Tillsammans med germanium blev det prototypen för en bred klass av halvledare med liknande kristallstrukturer.
Kristallstrukturen för Si och Ge är densamma som för diamantoch a-tenn. I den är varje atom omgiven av 4 närmaste atomer, som bildar en tetraeder. Denna samordning kallas fyrfaldigt. Tetradric bundna kristaller har blivit grundläggande inom elektronikindustrin och spelar en nyckelroll i modern teknik. Vissa delar av V- och VI-grupperna i det periodiska systemet är också halvledare. Exempel på halvledare av denna typ är fosfor (P), svavel (S), selen (Se) och tellur (Te). I dessa halvledare kan atomer ha tre gånger (P), dubbelt (S, Se, Te) eller fyrfaldig koordination. Som ett resultat kan sådana element existera i flera olika kristallstrukturer och också erhållas i form av glas. Till exempel odlades Se i monokliniska och trigonala kristallstrukturer eller som glas (vilket också kan betraktas som en polymer).
- Diamond har utmärkt värmeledningsförmåga, utmärkta mekaniska och optiska egenskaper, hög mekanisk hållfasthet. Energigapbredden är dE = 5,47 eV.
- Kisel är en halvledare som används isolceller och i amorf form - i tunnfilms solceller. Det är den mest använda halvledaren i solceller, är lätt att tillverka och har goda elektriska och mekaniska egenskaper. dE = 1,12 eV.
- Germanium är en halvledare som används i gammaspektroskopi, högpresterande solceller. Används i de första dioderna och transistorerna. Kräver mindre rengöring än kisel. dE = 0,67 eV.
- Selen är en halvledare som används i selenlikriktare med hög strålningsmotstånd och självläkande förmåga.
Egenskaper hos halvledare bildade av element 3och fyra grupper i det periodiska systemet, liknar egenskaperna hos ämnen i grupp 4. Övergången från grupp 4 av element till föreningar 3-4 gr. gör bindningar delvis joniska på grund av överföringen av elektronladdning från en atom i grupp 3 till en atom i grupp 4. Jonicitet förändrar egenskaperna hos halvledare. Det är anledningen till ökningen av den interioniska interaktionen i Coulomb och energin i energidiskontinuiteten hos elektronernas bandstruktur. Ett exempel på en binär förening av denna typ är indiumantimonid InSb, galliumarsenid GaAs, galliumantimonid GaSb, indiumfosfid InP, aluminiumantimonid AlSb, galliumfosfid GaP.
Jonisiteten ökar och dess värde är ännu störreväxer i föreningar av ämnen i 2-6 grupper, såsom kadmiumselenid, zinksulfid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, zinkselenid. Som ett resultat är bandgapet för de flesta föreningar i 2-6 grupper större än 1 eV, förutom kvicksilverföreningar. Kvicksilvertellurid är en halvledare utan energigap, en halvmetall, som α-tenn.
Halvledare av 2-6 grupper med hög energiGap används vid tillverkning av lasrar och skärmar. Binära föreningar i 2-6 grupper med ett minskat energigap är lämpliga för infraröda mottagare. Binära föreningar av grupp 1-7 element (kopparbromid CuBr, silverjodid AgI, kopparklorid CuCl) har på grund av sin höga jonicitet ett bandgap större än 3 eV. De är faktiskt inte halvledare utan isolatorer. En ökning av sammanhållningsenergin hos en kristall på grund av den interioniska interaktionen i Coulomb främjar struktureringen av bergsaltatomer med sexfaldig snarare än kvadratisk samordning. Föreningar av 4-6 grupper - blysulfid och tellurid, tennsulfid - är också halvledare. Graden av jonicitet hos dessa ämnen bidrar också till bildandet av sexfaldig koordination. Betydande jonicitet hindrar dem inte från att ha mycket smala bandgap, vilket gör det möjligt att använda dem för mottagning av infraröd strålning. Galliumnitrid - en förening med 3-5 grupper med ett stort energigap, har funnit tillämpning i halvledarlaser och lysdioder som arbetar i den blå delen av spektrumet.
- GaAs, galliumarsenid - andra iEfter kisel efterfrågas en halvledare, som vanligtvis används som substrat för andra ledare, till exempel GaInNA och InGaA, i infraröda dioder, högfrekventa mikrokretsar och transistorer, högpresterande fotoceller, laserdioder, kärnstrålningsdetektorer. dE = 1,43 eV, vilket gör det möjligt att öka effekten hos enheter jämfört med kisel. Bräcklig, innehåller mer föroreningar, svåra att tillverka.
- ZnS, zinksulfid - zinksalt av vätesulfidsyra med ett bandgap på 3,54 och 3,91 eV, används i lasrar och som fosfor.
- SnS, tinsulfid - en halvledare som används i fotoresistorer och fotodioder, dE = 1,3 och 10 eV.
Metalloxider är övervägandeutmärkta isolatorer, men det finns undantag. Exempel på halvledare av denna typ är nickeloxid, kopparoxid, koboltoxid, koppardioxid, järnoxid, europiumoxid, zinkoxid. Eftersom koppardioxid finns som ett mineral som kallas koppar har dess egenskaper undersökts ingående. Förfarandet för att odla halvledare av denna typ är ännu inte helt klarlagt, därför är deras tillämpning fortfarande begränsad. Undantaget är zinkoxid (ZnO), en förening med 2-6 grupper, som används som omvandlare och vid framställning av tejp och plåster.
Situationen förändrades dramatiskt eftersuperledningsförmåga upptäcktes i många koppar-syreföreningar. Den första högtemperatur superledaren som upptäcktes av Müller och Bednorz var en förening baserad på halvledaren La2CuO4 med en energiklyfta på 2 eV.Genom att ersätta trivalent lantan med bivalent barium eller strontium införs hålladdningsbärare i halvledaren. Att uppnå den erforderliga hålkoncentrationen förvandlar La2CuO4 till en superledare. Vid denna tidpunkt tillhör den högsta temperaturen vid övergången till det supraledande tillståndet föreningen HgBaCa2Cu3Oh8... Vid högt tryck är dess värde 134 K.
ZnO, zinkoxid, används i varistorer,blå lysdioder, gassensorer, biologiska sensorer, fönsterbeläggningar för att reflektera infrarött ljus som ledare i LCD-skärmar och solpaneler. dE = 3,37 eV.
Dubbla föreningar som blydiodidgalliumselenid och molybdendisulfid, skiljer sig åt i kristallens skiktade struktur. I skikten verkar kovalenta bindningar med avsevärd styrka, mycket starkare än van der Waals-bindningarna mellan skikten själva. Halvledare av denna typ är intressanta genom att elektroner beter sig kvasi tvådimensionellt i lager. Samspelet mellan skikten förändras genom införandet av främmande atomer - interkalering.
MoS2, molybdendisulfid används i högfrekventa detektorer, likriktare, memristorer, transistorer. dE = 1,23 och 1,8 eV.
Exempel på halvledare baserade på organiska föreningar - naftalen, polyacetylen (CH2)n, antracen, polydiacetylen, ftalocyanider,polyvinylkarbazol. Organiska halvledare har en fördel jämfört med oorganiska: de är lätta att ge önskade egenskaper. Ämnen med konjugerade bindningar av formen –C = C - C = har signifikant optisk olinjäritet och används därför i optoelektronik. Dessutom ändras zonerna för organiska halvledare genom att ändra sammansättningsformeln, vilket är mycket enklare än för konventionella halvledare. Kristallina allotroper av kolfulleren, grafen, nanorör är också halvledare.
- Fulleren har en struktur i form av en konvex sluten polyeder med ett jämnt antal kolatomer. En dopning av fulleren C60 en alkalimetall förvandlar den till en superledare.
- Grafen bildas av ett monatomiskt kolskikt bundet till ett tvådimensionellt sexkantigt galler. Har en rekord värmeledningsförmåga och elektronmobilitet, hög styvhet
- Nanorör rullas inrörgrafitplattor med några nanometer i diameter. Dessa former av kol ger stort löfte inom nanoelektronik. Beroende på vidhäftningen kan de uppvisa metalliska eller halvledande egenskaper.
Föreningar med magnetiska joner av europium och manganhar nyfikna magnetiska och halvledande egenskaper. Exempel på denna typ av halvledare är europiumsulfid, europiumselenid och fasta lösningar som Cd.1-xmnmedTe.Innehållet i magnetiska joner påverkar hur ämnen uppvisar sådana magnetiska egenskaper som antiferromagnetism och ferromagnetism. Halvmagnetiska halvledare är solida magnetiska lösningar av halvledare som innehåller låga koncentrationer av magnetiska joner. Sådana solida lösningar väcker uppmärksamhet för sin lovande potential och stora potential för möjliga applikationer. Till skillnad från icke-magnetiska halvledare kan de till exempel uppnå en miljon gånger större Faraday-rotation.
De starka magneto-optiska effekterna av magnetiska halvledare gör det möjligt att använda dem för optisk modulering. Perovskiter som Mn0,7Ka0,3Oh3, deras egenskaper är överlägsna övergångenmetall-halvledare, vars direkta beroende av magnetfältet resulterar i fenomenet gigantisk magneto-resistivitet. De används inom radioteknik, optiska enheter som styrs av ett magnetfält, i vågledarna för mikrovågsenheter.
Denna typ av kristaller kännetecknas av närvaron av elektriska moment och uppkomsten av spontan polarisering. Till exempel leder halvledare titanat PbTiO3, bariumtitanat BaTiO3, germanium telluride GeTe, tin telluride SnTe,som vid låga temperaturer har egenskaperna som en ferroelektrisk. Dessa material används i icke-linjära optiska enheter, minnesenheter och piezoelektriska sensorer.
Förutom de halvledarsubstanser som nämns ovan finns det många andra som inte faller under någon av de listade typerna. Föreningar av element enligt formeln 1-3-52 (AgGaS2) och 2-4-52 (ZnSiP2) bildar kristaller i kalkopyritstrukturen.Föreningarnas bindningar är tetraedriska, liknar halvledare i 3–5 och 2-6 grupper med kristallstrukturen i zinkblende. Föreningar som bildar element i halvledare i grupp 5 och 6 (som As2Se3), - halvledare i form av en kristall ellerglas. Vismut och antimonkalkogenider används i halvledar termoelektriska generatorer. Egenskaperna hos denna typ av halvledare är extremt intressanta, men de har inte vunnit popularitet på grund av deras begränsade användning. Men det faktum att de finns bekräftar närvaron av ännu inte helt utforskade områden av halvledarfysik.
