A leghíresebb félvezető a szilícium (Si). De rajta kívül még sokan mások. Ilyenek például a természetes félvezető anyagok, mint a cinkkeverék (ZnS), a kuprit (Cu2O), a galéna (PbS) és még sokan mások. A félvezető család, beleértve a laboratóriumban szintetizált félvezetőket is, az egyik legsokoldalúbb anyagosztály, amelyet az ember ismer.
Félvezetők jellemzése
A periódusos rendszer 104 eleméből 79 fém, 25 nemfém, ebből 13 kémiai elem félvezető tulajdonságú, 12 pedig 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 növekedésével arányosan nő.
A másik különbség a félvezető és a fém között, hogy a félvezető ellenállásafény hatására esik, míg az utóbbi nem hat a fémre. A félvezetők vezetőképessége is megváltozik, ha kis mennyiségű szennyeződést vezetünk be.
A félvezetők a különféle kristályszerkezetű kémiai vegyületek között találhatók. Ezek lehetnek elemek, például szilícium és szelén, vagy bináris vegyületek, például gallium-arzenid. Sok szerves vegyület, mint például a poliacetilén (CH)n, , félvezető anyagok. Egyes félvezetők mágneses (Cd1-xMnxTe) vagy ferroelektromos (SbSI) tulajdonságokkal rendelkeznek. Mások, amelyek elegendő adalékkal rendelkeznek, szupravezetőkké válnak (GeTe és SrTiO3). A közelmúltban felfedezett magas hőmérsékletű szupravezetők többsége nem fémes félvezető fázisokkal rendelkezik. Például a La2CuO4 félvezető, de Sr-vel ötvözve szupravezetővé válik (La1-x Srx)2CuO4.
A fizika tankönyvek a félvezetőt olyan anyagként határozzák meg, amelynek elektromos ellenállása 10-4 és 107 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, a félig szigetelő GaAs - 1,5 eV. A GaN, a kék régióban található optoelektronikai eszközök anyaga, sávszélessége 3,5 eV.
Energiahiány
A kristályrács atomjainak vegyértékpályái az energiaszintek két csoportjára oszlanak - a legmagasabb szinten elhelyezkedő szabad zónára, 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 zónák között energiarés, vagy más szóval tiltott zóna jelenik meg.
A szintek elhelyezkedése és kitöltése határozza meg az anyag vezetőképességét. Ennek alapján az anyagokat vezetőkre, szigetelőkre és félvezetőkre osztják. A félvezető sávszélessége 0,01-3 eV között változik, a dielektrikum energiarés meghaladja a 3 eV-ot. A fémek nem rendelkeznek energiarésekkel az átfedő szintek miatt.
A félvezetőknek és a dielektrikumoknak, a fémekkel ellentétben, van egy elektronokkal teli vegyértéksávja, és a legközelebbi szabad sávot vagy vezetési sávot energiarés választja el a vegyértéksávtól – ez a tiltott elektronenergiák tartománya.
A dielektrikumokban a hőenergia vagy egy jelentéktelen elektromos tér nem elegendő ahhoz, hogy átugorjon ezen a résen, az elektronok nem lépnek be a vezetési sávba. Nem képesek a kristályrács mentén mozogni és elektromos áram hordozóivá válni.
Az elektromos vezetőképesség gerjesztéséhez egy vegyértékszintű elektronnak energiát kell adni, amely elegendő lenne az energia legyőzéséhezrés. Csak ha az energiarés értékénél nem kisebb mennyiségű energiát nyel el, az elektron a vegyértékszintről a vezetési szintre mozog.
Abban az esetben, ha az energiarés szélessége meghaladja 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. Ezek az anyagok közé tartozik a kvarc (dE=5,2 eV), a gyémánt (dE=5,1 eV), sok só.
Félvezetők szennyeződése és belső vezetőképessége
A tiszta félvezető kristályoknak saját vezetőképességük van. Az ilyen félvezetőket belsőnek nevezzük. Egy belső félvezető azonos számú lyukat és szabad elektronokat tartalmaz. Melegítéskor a félvezetők belső vezetőképessége megnő. Állandó hőmérsékleten a kialakult elektron-lyuk párok számában és a rekombináló elektronok és lyukak számában dinamikus egyensúlyi állapot jön létre, amely adott körülmények között állandó marad.
A szennyeződések jelenléte jelentős hatással van a félvezetők elektromos vezetőképességére. Hozzáadásuk lehetővé teszi a szabad elektronok számának nagymértékű növelését kis számú lyukkal, és a lyukak számának növelését kis számú elektronnal vezetési szinten. A szennyezett félvezetők szennyező vezetőképességű vezetők.
Azokat a szennyeződéseket, amelyek könnyen elektronokat adnak le, donor szennyeződéseknek nevezzük. A donor szennyeződések lehetnek olyan atomokkal rendelkező kémiai elemek, amelyek vegyértékszintje több elektront tartalmaz, mint az alapanyag atomjai. Például a foszfor és a bizmut szilíciumdonor szennyeződések.
Azt az energiát, amely ahhoz szükséges, hogy egy elektront a vezetési tartományba ugorjon, aktiválási energiának nevezzük. A szennyező félvezetőknek sokkal kevesebb kell belőle, mint az alapanyagból. Enyhe melegítéssel vagy megvilágítással túlnyomórészt a szennyező félvezetők atomjainak elektronjai szabadulnak fel. Az atomból kilépő elektron helyét egy lyuk foglalja el. De az elektronok rekombinációja lyukakká gyakorlatilag nem történik meg. A donor lyukvezetőképessége 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 nem tudják kitölteni azokat az elégtelen energiaszint miatt.
Egy donor szennyeződés jelentéktelen hozzáadása több nagyságrenddel megnöveli a vezetési elektronok számát a belső félvezetőben lévő szabad elektronok számához képest. Az elektronok itt a szennyező félvezetők atomjainak fő töltéshordozói. Ezek az anyagok az n-típusú félvezetők közé tartoznak.
Azokat a szennyeződéseket, amelyek megkötik a félvezető elektronjait, növelve a benne lévő lyukak számát, akceptoroknak nevezzük. Az akceptor szennyeződések olyan kémiai elemek, amelyek vegyértékszintjén kevesebb elektront tartalmaznak, mint az alapfélvezető. Bór, gallium, indium - akceptorszennyeződések a szilíciumhoz.
A félvezető jellemzői a kristályszerkezet hibáitól függenek. Ez az oka annak, hogy rendkívül tiszta kristályokat kell termeszteni. A félvezető vezetőképességi paramétereit adalékanyagok hozzáadásával szabályozzák. A szilíciumkristályokat foszforral adalékolják (V. alcsoport elem), amely donor, így n-típusú szilíciumkristályt hoznak létre. Lyukas vezetőképességű kristály előállításához bór akceptort viszünk a szilíciumba. Hasonló módon jönnek létre a kompenzált Fermi-szinttel rendelkező félvezetők, amelyek a sávköz közepére helyezik azt.
Egycellás félvezetők
A leggyakoribb félvezető természetesen a szilícium. A germániummal együtt a hasonló kristályszerkezetű félvezetők széles osztályának prototípusa lett.
A Si és Ge kristályok szerkezete megegyezik a gyémánt és az α-ón szerkezetével. Ebben minden atomot 4 legközelebbi atom vesz körül, amelyek egy tetraédert alkotnak. Ezt a koordinációt négyesnek nevezik. A tetrakötésű kristályok az elektronikai ipar alapjává 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 koordinációja háromszoros (P), kétszeres (S, Se, Te) vagy négyszeres lehet. Ennek eredményeként a hasonló elemek többféle változatban is létezhetnekkristályszerkezetek, és üveg formájában is előállíthatók. Például a szelént 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. Energiarés szélessége - dE=5,47 eV.
- A szilícium egy félvezető, amelyet napelemekben és amorf formában vékonyfilmes napelemekben használnak. Ez a napelemek leggyakrabban használt félvezetője, könnyen gyártható, jó elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. dE=1,12 eV.
- A germánium egy félvezető, amelyet a gamma-spektroszkópiában, nagy teljesítményű fotovoltaikus cellákban használnak. 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.
Kételemes vegyületek
A periódusos rendszer 3. és 4. csoportjának elemei által alkotott félvezetők tulajdonságai hasonlítanak a 4. csoportba tartozó anyagok tulajdonságaira. Átmenet a 4. csoport elemeiről a vegyületekre 3-4 gr. részben ionossá teszi a kötéseket az elektrontöltés átvitele miatt a 3. csoport atomjáról a 4. csoport atomjára. Az ionosság megváltoztatja a félvezetők tulajdonságait. Ez az oka a Coulomb interion kölcsönhatás és az energiasáv rés energiájának növekedésénekelektronszerkezetek. Az ilyen típusú bináris vegyület például az indium-antimonid InSb, gallium-arzenid GaAs, gallium-antimonid GaSb, indium-foszfid InP, alumínium-antimonid AlSb, gallium-foszfid GaP.
Az ionosság növekszik, és értéke még inkább nő a 2-6. csoportba tartozó anyagok vegyületeiben, mint például a kadmium-szelenid, cink-szulfid, kadmium-szulfid, kadmium-tellurid, cink-szelenid. Ennek eredményeként a 2-6. csoportba tartozó vegyületek többségének a sávszélessége 1 eV-nál szélesebb, kivéve a higanyvegyületeket. A higany-tellurid egy félvezető energiarés nélkül, félfém, mint az α-ón.
A 2-6 csoportba tartozó, nagy energiarésű félvezetőket lézerek és kijelzők gyártásához használják. Infravörös vevőkhöz 2-6 csoport bináris kapcsolatai alkalmasak szűkített energiaréssel. 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 lehorgonyzási energiájának a Coulomb interionos kölcsönhatás miatti növekedése hatszoros, nem pedig kvadratikus koordinációval járul hozzá a kősóatomok szerkezetéhez. A 4–6. csoportba tartozó 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 sávrésekkel rendelkezzenek, ami lehetővé teszi, hogy infravörös sugárzás vételére használják őket. A gallium-nitrid - 3-5 csoportból álló vegyület, széles energiaréssel, alkalmazást talált a félvezetőkbena spektrum kék részén működő lézerek és LED-ek.
- A GaAs, a gallium-arzenid, a szilícium után a második leggyakrabban használt félvezető, amelyet általában más vezetők, például GaInNA-k és InGaA-k hordozójaként használnak infravörös diódákban, nagyfrekvenciás mikroáramkörökben és tranzisztorokban, valamint nagy hatásfokú napelemekben., lézerdiódák, detektorok nukleáris gyógyítás. dE=1,43 eV, ami lehetővé teszi az eszközök teljesítményének növelését a szilíciumhoz képest. Törékeny, több szennyeződést tartalmaz, nehezen gyártható.
- ZnS, cink-szulfid – hidrogén-szulfidsav 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.
oxidok
A fém-oxidok többnyire kiváló szigetelők, de vannak kivételek. Az ilyen típusú félvezetők például a nikkel-oxid, réz-oxid, kob alt-oxid, réz-dioxid, vas-oxid, európium-oxid, cink-oxid. Mivel a réz-dioxid kuprit ásványként létezik, tulajdonságait alaposan kutatták. Az ilyen típusú félvezetők termesztésének eljárása még nem teljesen ismert, így alkalmazásuk még korlátozott. Ez alól kivétel a cink-oxid (ZnO), egy 2-6. csoportba tartozó vegyület, amelyet konverterként és ragasztószalagok és vakolatok gyártásában használnak.
A helyzet drámaian megváltozott, miután számos réz és oxigénvegyületben felfedezték a szupravezetést. ElsőA Müller és Bednorz által felfedezett magas hőmérsékletű szupravezető La2CuO4 2 eV-os energiarésű félvezető vegyület volt. A háromértékű lantán kétértékű báriummal vagy stronciummal való helyettesítésével lyuktöltéshordozókat juttatnak a félvezetőbe. A szükséges lyukkoncentráció elérése La2CuO4 szupravezetővé válik. Jelenleg a legmagasabb átmeneti hőmérséklet a szupravezető állapotba a HgBaCa2Cu3O8. Nagy nyomáson az értéke 134 K.
ZnO, cink-oxid, varisztorokban, kék LED-ekben, gázérzékelőkben, biológiai érzékelőkben, ablakbevonatokban használják az infravörös fény visszaverésére, vezetőként LCD-kben és napelemekben. dE=3,37 eV.
Rétegkristályok
A kettős vegyületeket, mint az ólom-dijodid, gallium-szelenid és molibdén-diszulfid réteges kristályszerkezet jellemzi. Jelentős erősségű kovalens kötések hatnak a rétegekben, 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, molibdén-diszulfidot nagyfrekvenciás detektorokban, egyenirányítókban, memristorokban és tranzisztorokban használják. dE=1,23 és 1,8 eV.
Szerves félvezetők
Példák szerves vegyületeken alapuló félvezetőkre – naftalin, poliacetilén(CH2) , antracén, polidiacetilén, ftalocianidok, polivinilkarbazol. A szerves félvezetőknek előnyük van a szervetlenekkel szemben: könnyű átadni nekik a kívánt minőséget. A –С=С–С=típusú konjugált kötésekkel rendelkező anyagok jelentős optikai nemlinearitást mutatnak, és ennek köszönhetően az optoelektronikában használatosak. Ezenkívül a szerves félvezetők energiaszakadási zónáit megváltoztatjuk az összetett képlet megváltoztatásával, ami sokkal könnyebb, mint a hagyományos félvezetőké. A szén fullerén, grafén és nanocsövek kristályos allotrópjai is félvezetők.
- A fullerén szerkezete páros számú szénatomból álló konvex zárt poliéder. És a fullerén C60 alkálifémmel történő adalékolása szupravezetővé alakítja.
- A grafént egy kétdimenziós hatszögletű rácsba kapcsolt monoatomos szénréteg képezi. Rekord hővezető képességgel és elektronmobilitással, nagy merevséggel rendelkezik
- A nanocsövek néhány nanométer átmérőjű csőbe hengerelt grafitlemezek. A szén ezen formái nagy ígéretekkel kecsegtetnek a nanoelektronikában. A csatolástól függően fémes vagy félvezető tulajdonságokat mutathat.
Mágneses félvezetők
A mágneses európium- és mangánionokat tartalmazó vegyületek különös mágneses és félvezető tulajdonságokkal rendelkeznek. Az ilyen típusú félvezetők például az európium-szulfid, az európium-szelenid és a szilárd oldatok, mint pl. Cd1-xMnxTe. A mágneses ionok tartalma befolyásolja, hogy a mágneses tulajdonságok, például az antiferromágnesesség és a ferromágnesesség hogyan jelennek meg az anyagokban. A félmágneses félvezetők olyan félvezetők szilárd mágneses oldatai, amelyek kis koncentrációban tartalmaznak mágneses ionokat. Az ilyen szilárd megoldások ígéretüknek és a lehetséges alkalmazási lehetőségeknek köszönhetően vonzzák a figyelmet. Például a nem mágneses félvezetőkkel ellentétben milliószor nagyobb Faraday-forgást tudnak elérni.
A mágneses félvezetők erős mágneses-optikai hatásai lehetővé teszik, hogy optikai modulációra használják őket. Az olyan perovszkitek, mint az Mn0, 7Ca0, 3O3, felülmúlják a fémet – egy félvezető, amelyeknek a mágneses tértől való közvetlen függése az óriási mágneses ellenállás jelenségét eredményezi. Rádiótechnikában, mágneses térrel vezérelt optikai eszközökben, mikrohullámú készülékek hullámvezetőiben használják.
Félvezető ferroelektromos elemek
Az ilyen típusú kristályokat az elektromos momentumok jelenléte és a spontán polarizáció fellépése jellemzi. Például olyan félvezetők, mint az ólom-titanát PbTiO3, bárium-titanát BaTiO3, germánium-tellurid GeTe, ón-tellurid SnTe, amelyek alacsony hőmérsékleten tulajdonságokkal rendelkeznek. ferroelektromos. Ezeket az anyagokat nemlineáris optikai, memória- és piezoérzékelőkben használják.
Változatos félvezető anyagok
A fentieken kívülfélvezető anyagok, sok más, amely nem tartozik a felsorolt típusok egyikébe sem. Az elemek összekapcsolása a következő képlet szerint: 1-3-52 (AgGaS2) és 2-4-52 (ZnSiP2) kristályokat képez a kalkopirit szerkezetben. A vegyületek kötései tetraéderesek, hasonlóan a 3-5. és 2-6. csoportba tartozó félvezetőkhöz, cinkkeverék kristályszerkezettel. Az 5. és 6. csoportba tartozó félvezetők elemeit alkotó vegyületek (mint például az As2Se3) kristály vagy üveg formájú félvezetők.. 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 olyan területeinek létezését, amelyeket még nem tártak fel teljesen.
