Najbolj znan polprevodnik je silicij (Si). Toda poleg njega je še veliko drugih. Primer so takšni naravni polprevodniški materiali, kot so cinkova mešanica (ZnS), kuprit (Cu2O), galena (PbS) in mnogi drugi. Družina polprevodnikov, vključno z laboratorijsko sintetiziranimi polprevodniki, je eden najbolj vsestranskih razredov materialov, ki jih pozna človek.
Karakterizacija polprevodnikov
Od 104 elementov periodnega sistema je 79 kovin, 25 nekovin, od tega ima 13 kemičnih elementov polprevodniške lastnosti in 12 dielektričnih. Glavna razlika med polprevodniki je v tem, da se njihova električna prevodnost znatno poveča z naraščanjem temperature. Pri nizkih temperaturah se obnašajo kot dielektriki, pri visokih pa kot prevodniki. Po tem se polprevodniki razlikujejo od kovin: odpornost kovine narašča sorazmerno z zvišanjem temperature.
Druga razlika med polprevodnikom in kovino je ta, da je upor polprevodnikapade pod vplivom svetlobe, medtem ko slednja ne vpliva na kovino. Prevodnost polprevodnikov se spremeni tudi, ko se vnese majhna količina nečistoč.
Polprevodnike najdemo med kemičnimi spojinami z različnimi kristalnimi strukturami. To so lahko elementi, kot sta silicij in selen, ali binarne spojine, kot je galijev arzenid. Številne organske spojine, kot je poliacetilen (CH)n, , so polprevodniški materiali. Nekateri polprevodniki kažejo magnetne (Cd1-xMnxTe) ali feroelektrične lastnosti (SbSI). Drugi z zadostnim dopingom postanejo superprevodniki (GeTe in SrTiO3). Veliko nedavno odkritih visokotemperaturnih superprevodnikov ima nekovinske polprevodniške faze. Na primer, La2CuO4 je polprevodnik, vendar ko je zlitin s Sr, postane superprevodnik (La1-x Srx)2CuO4.
Učbeniki za fiziko definirajo polprevodnik kot material z električnim uporom od 10-4 do 107 Ohm·m. Možna je tudi alternativna definicija. Pasovna vrzel polprevodnika je od 0 do 3 eV. Kovine in polkovine so materiali z ničelno energijsko vrzeljo, snovi, v katerih ta presega 3 eV, pa imenujemo izolatorji. Obstajajo tudi izjeme. Na primer, polprevodniški diamant ima pasovno vrzel 6 eV, polizolacijski GaAs - 1,5 eV. GaN, material za optoelektronske naprave v modri regiji, ima pasovno vrzel 3,5 eV.
Energijska vrzel
Valenčne orbitale atomov v kristalni mreži so razdeljene v dve skupini energijskih nivojev - prosta cona, ki se nahaja na najvišji ravni in določa električno prevodnost polprevodnikov, in valenčni pas, ki se nahaja spodaj. Ti nivoji, odvisno od simetrije kristalne mreže in sestave atomov, se lahko sekajo ali se nahajajo na razdalji drug od drugega. V slednjem primeru se med območji pojavi energijska vrzel ali, z drugimi besedami, prepovedano območje.
Lokacija in polnjenje nivojev določata prevodne lastnosti snovi. Na podlagi tega delimo snovi na prevodnike, izolatorje in polprevodnike. Širina polprevodniške pasovne vrzeli se giblje med 0,01–3 eV, energijska reža dielektrika presega 3 eV. Kovine nimajo energijskih vrzeli zaradi prekrivanja ravni.
Polprevodniki in dielektriki imajo v nasprotju s kovinami valenčni pas, napolnjen z elektroni, najbližji prosti pas ali prevodni pas pa je od valenčnega pasu ograjen z energijsko vrzeljo - območjem prepovedanih energij elektronov.
V dielektrikih toplotna energija ali nepomembno električno polje ni dovolj za preskok skozi to vrzel, elektroni ne vstopijo v prevodni pas. Ne morejo se premikati vzdolž kristalne mreže in postanejo nosilci električnega toka.
Za vzbujanje električne prevodnosti je treba elektronu na valenčni ravni dati energijo, ki bi zadostovala za premagovanje energijevrzel. Šele ko absorbira količino energije, ki ni manjša od vrednosti energijske vrzeli, se bo elektron premaknil z valenčne ravni na nivo prevodnosti.
V primeru, da širina energijske vrzeli presega 4 eV, je vzbujanje prevodnosti polprevodnika z obsevanjem ali segrevanjem praktično nemogoče - energija vzbujanja elektronov pri talilni temperaturi ni zadostna za preskok skozi območje energijske vrzeli. Pri segrevanju se kristal tali, dokler ne pride do elektronske prevodnosti. Te snovi vključujejo kremen (dE=5,2 eV), diamant (dE=5,1 eV), številne soli.
Nečistoča in intrinzična prevodnost polprevodnikov
Čisti polprevodniški kristali imajo lastno prevodnost. Takšni polprevodniki se imenujejo intrinzični. Intrinzični polprevodnik vsebuje enako število lukenj in prostih elektronov. Pri segrevanju se intrinzična prevodnost polprevodnikov poveča. Pri konstantni temperaturi nastane stanje dinamičnega ravnovesja v številu nastalih parov elektron-luknja in številu rekombiniranih elektronov in lukenj, ki ostanejo konstantne pod danimi pogoji.
Prisotnost nečistoč pomembno vpliva na električno prevodnost polprevodnikov. Z njihovim dodajanjem je mogoče močno povečati število prostih elektronov z majhnim številom lukenj in povečati število lukenj z majhnim številom elektronov na nivoju prevodnosti. Nečistotni polprevodniki so prevodniki z nečistočo prevodnostjo.
Nečistoče, ki zlahka darujejo elektrone, se imenujejo donorske nečistoče. Donorske nečistoče so lahko kemični elementi z atomi, katerih valenčni nivoji vsebujejo več elektronov kot atomi osnovne snovi. Na primer, fosfor in bizmut sta nečistoči darovalca silicija.
Energija, potrebna za preskok elektrona v prevodno območje, se imenuje aktivacijska energija. Polprevodniki nečistoč ga potrebujejo veliko manj kot osnovni material. Z rahlim segrevanjem ali osvetlitvijo se sproščajo pretežno elektroni atomov nečistočih polprevodnikov. Mesto, kjer elektron zapusti atom, zaseda luknja. Toda rekombinacija elektronov v luknje se praktično ne zgodi. Prevodnost lukenj darovalca je zanemarljiva. To je zato, ker majhno število atomov nečistoč ne omogoča, da bi se prosti elektroni pogosto približali luknji in jo zasedli. Elektroni so blizu lukenj, vendar jih ne morejo zapolniti zaradi nezadostne energetske ravni.
Nepomembno dodajanje donorske nečistoče za več redov velikosti poveča število prevodnih elektronov v primerjavi s številom prostih elektronov v intrinzičnem polprevodniku. Elektroni so tukaj glavni nosilci naboja atomov nečistočih polprevodnikov. Te snovi so razvrščene kot polprevodniki n-tipa.
Nečistoče, ki vežejo elektrone polprevodnika in povečujejo število lukenj v njem, imenujemo akceptor. Akceptorske nečistoče so kemični elementi z manj elektroni na valenčni ravni kot osnovni polprevodnik. Bor, galij, indij - akceptornečistoče za silicij.
Lastnosti polprevodnika so odvisne od napak v njegovi kristalni strukturi. To je razlog za potrebo po gojenju izjemno čistih kristalov. Parametri polprevodniške prevodnosti se nadzorujejo z dodajanjem dopantov. Silicijevi kristali so dopirani s fosforjem (element podskupine V), ki je donator, da se ustvari silicijev kristal n-tipa. Za pridobitev kristala z luknjasto prevodnostjo se v silicij uvede borov akceptor. Na podoben način so ustvarjeni polprevodniki s kompenzirano fermijevo ravnijo, ki jo premakne na sredino pasovne vrzeli.
Enocelični polprevodniki
Najpogostejši polprevodnik je seveda silicij. Skupaj z germanijem je postal prototip za širok razred polprevodnikov s podobno kristalno strukturo.
Struktura kristalov Si in Ge je enaka kot pri diamantu in α-kositru. V njej je vsak atom obdan s 4 najbližjimi atomi, ki tvorijo tetraeder. Ta koordinacija se imenuje štirikratna. Tetra-vezani kristali so postali osnova elektronske industrije in igrajo ključno vlogo v sodobni tehnologiji. Nekateri elementi skupin V in VI periodnega sistema so tudi polprevodniki. Primeri polprevodnikov te vrste so fosfor (P), žveplo (S), selen (Se) in telur (Te). V teh polprevodnikih imajo atomi lahko trikratno (P), dvojno (S, Se, Te) ali štirikratno koordinacijo. Posledično lahko podobni elementi obstajajo v več različnihkristalne strukture in jih dobimo tudi v obliki stekla. Se je na primer gojil v monokliničnih in trigonalnih kristalnih strukturah ali kot steklo (ki ga lahko štejemo tudi za polimer).
- Diamant ima odlično toplotno prevodnost, odlične mehanske in optične lastnosti, visoko mehansko trdnost. Širina energijske vrzeli - dE=5,47 eV.
- Silicij je polprevodnik, ki se uporablja v sončnih celicah in v amorfni obliki v tankoslojnih sončnih celicah. Je najbolj uporabljen polprevodnik v sončnih celicah, enostaven za izdelavo in ima dobre električne in mehanske lastnosti. dE=1,12 eV.
- Germanij je polprevodnik, ki se uporablja v gama spektroskopiji, visoko zmogljivih fotovoltaičnih celicah. Uporablja se v prvih diodah in tranzistorjih. Zahteva manj čiščenja kot silicij. dE=0,67 eV.
- Selen je polprevodnik, ki se uporablja v selenskih usmernikih, ki imajo visoko odpornost na sevanje in sposobnost samozdravljenja.
dvoelementne spojine
Lastnosti polprevodnikov, ki jih tvorijo elementi 3. in 4. skupine periodnega sistema, so podobne lastnostim snovi 4. skupine. Prehod iz skupine 4 elementov v spojine 3–4 gr. naredi vezi delno ionske zaradi prenosa naboja elektrona z atoma skupine 3 na atom skupine 4. Ioničnost spremeni lastnosti polprevodnikov. To je razlog za povečanje Coulombove interionske interakcije in energije energijske pasovne vrzelielektronske strukture. Primer binarne spojine te vrste je indijev antimonid InSb, galijev arzenid GaAs, galijev antimonid GaSb, indijev fosfid InP, aluminijev antimonid AlSb, galijev fosfid GaP.
Ioničnost se poveča, njena vrednost pa še bolj raste v spojinah snovi skupin 2-6, kot so kadmijev selenid, cinkov sulfid, kadmijev sulfid, kadmijev telurid, cinkov selenid. Posledično ima večina spojin skupin 2-6 pasovno vrzel širšo od 1 eV, razen živosrebrovih spojin. Živosrebrov telurid je polprevodnik brez energijske vrzeli, polkovina, kot je α-kositer.
Pri proizvodnji laserjev in zaslonov se uporabljajo polprevodniki skupine 2-6 z veliko energijsko vrzeljo. Za infrardeče sprejemnike so primerne binarne povezave 2-6 skupin z zoženo energijsko vrzeljo. Binarne spojine elementov skupin 1–7 (bakrov bromid CuBr, srebrov jodid AgI, bakrov klorid CuCl) imajo zaradi visoke ionnosti pasovno vrzel širšo od 3 eV. Pravzaprav niso polprevodniki, ampak izolatorji. Povečanje energije sidranja kristala zaradi Coulombove interionske interakcije prispeva k strukturiranju atomov kamene soli s šestkratno in ne kvadratno koordinacijo. Spojine skupin 4–6 - svinčev sulfid in telurid, kositrov sulfid - so tudi polprevodniki. Stopnja ionnosti teh snovi prispeva tudi k oblikovanju šestkratne koordinacije. Pomembna ionnost jim ne preprečuje, da bi imeli zelo ozke pasovne vrzeli, kar jim omogoča uporabo za sprejemanje infrardečega sevanja. Galijev nitrid - spojina 3-5 skupin s široko energijsko vrzeljo, je našla uporabo v polprevodnikihlaserji in LED diode, ki delujejo v modrem delu spektra.
- GaAs, galijev arzenid, je drugi najbolj uporabljen polprevodnik za silicijem, ki se običajno uporablja kot substrat za druge prevodnike, kot sta GaInNA in InGaAs, v IR diodah, visokofrekvenčnih mikrovezjih in tranzistorjih, visoko učinkovitih sončnih celicah, laserske diode, detektorji jedrske ozdravitve. dE=1,43 eV, kar omogoča povečanje moči naprav v primerjavi s silicijem. Krhka, vsebuje več nečistoč, težko je izdelati.
- ZnS, cinkov sulfid - cinkova sol hidrosulfidne kisline s pasovno vrzeljo 3,54 in 3,91 eV, ki se uporablja v laserjih in kot fosfor.
- SnS, kositrov sulfid - polprevodnik, ki se uporablja v fotouporih in fotodiodah, dE=1, 3 in 10 eV.
oksidi
Kovinski oksidi so večinoma odlični izolatorji, vendar obstajajo izjeme. Primeri polprevodnikov te vrste so nikelj oksid, bakrov oksid, kob altov oksid, bakrov dioksid, železov oksid, evropijev oksid, cinkov oksid. Ker bakrov dioksid obstaja kot mineral kuprit, so bile njegove lastnosti obsežno raziskane. Postopek gojenja tovrstnih polprevodnikov še ni popolnoma razumljen, zato je njihova uporaba še vedno omejena. Izjema je cinkov oksid (ZnO), spojina skupine 2-6, ki se uporablja kot pretvornik in pri proizvodnji lepilnih trakov in ometov.
Situacija se je dramatično spremenila po odkritju superprevodnosti v številnih spojinah bakra s kisikom. PrvičVisokotemperaturni superprevodnik, ki sta ga odkrila Müller in Bednorz, je bila spojina na osnovi polprevodnika La2CuO4 z energijsko vrzeljo 2 eV. Z zamenjavo trivalentnega lantana z dvovalentnim barijem ali stroncijem se v polprevodnik vnesejo luknjasti nosilci naboja. Doseganje zahtevane koncentracije lukenj spremeni La2CuO4 v superprevodnik. Trenutno najvišja temperatura prehoda v superprevodno stanje pripada spojini HgBaCa2Cu3O8. Pri visokem tlaku je njegova vrednost 134 K.
ZnO, cinkov oksid, se uporablja v varistorjih, modrih LED diodah, plinskih senzorjih, bioloških senzorjih, okenskih premazih za odbijanje infrardeče svetlobe, kot prevodnik v LCD-jih in sončnih panelih. dE=3,37 eV.
slojni kristali
Dvojne spojine, kot so svinčev dijodid, galijev selenid in molibdenov disulfid, so značilne po večplastni kristalni strukturi. V plasteh delujejo kovalentne vezi znatne trdnosti, veliko močnejše kot van der Waalsove vezi med samimi plastmi. Polprevodniki te vrste so zanimivi po tem, da se elektroni v plasteh obnašajo kvazi-dvodimenzionalno. Interakcija plasti se spremeni z vnosom tujih atomov - interkalacija.
MoS2, molibdenov disulfid se uporablja v visokofrekvenčnih detektorjih, usmernikih, memristorjih, tranzistorjih. dE=1,23 in 1,8 eV.
Organski polprevodniki
Primeri polprevodnikov na osnovi organskih spojin - naftalen, poliacetilen(CH2) , antracen, polidiacetilen, ftalocianidi, polivinilkarbazol. Organski polprevodniki imajo prednost pred anorganskimi: zlahka jim je prenesti želene lastnosti. Snovi s konjugiranimi vezmi tipa –С=С–С=imajo znatno optično nelinearnost in se zaradi tega uporabljajo v optoelektroniki. Poleg tega se območja prekinitve energije organskih polprevodnikov spremenijo s spremembo formule spojine, kar je veliko lažje kot pri običajnih polprevodnikih. Kristalni alotropi ogljikovega fulerena, grafena, nanocevk so tudi polprevodniki.
- Fuleren ima strukturo v obliki konveksnega zaprtega poliedra s sodim številom ogljikovih atomov. In dopiranje fulerena C60 z alkalijsko kovino ga spremeni v superprevodnik.
- Grafen tvori enoatomska plast ogljika, povezana v dvodimenzionalno šesterokotno mrežo. Ima rekordno toplotno prevodnost in mobilnost elektronov, visoko togost
- Nanocevke so grafitne plošče, zvite v cev, ki imajo premer nekaj nanometrov. Te oblike ogljika zelo obetajo v nanoelektroniki. Lahko kaže kovinske ali polprevodne lastnosti, odvisno od sklopke.
Magnetni polprevodniki
Spojine z magnetnimi ioni europija in mangana imajo radovedne magnetne in polprevodniške lastnosti. Primeri polprevodnikov te vrste so evropijev sulfid, evropijev selenid in trdne raztopine, kot soCd1-xMnxTe. Vsebnost magnetnih ionov vpliva na to, kako se magnetne lastnosti, kot sta antiferomagnetizem in feromagnetizem, kažejo v snoveh. Polmagnetni polprevodniki so trdne magnetne raztopine polprevodnikov, ki vsebujejo magnetne ione v majhni koncentraciji. Takšne trdne rešitve pritegnejo pozornost zaradi svoje obljube in velikega potenciala za možne aplikacije. Na primer, za razliko od nemagnetnih polprevodnikov lahko dosežejo milijonkrat večjo Faradayjevo rotacijo.
Močni magnetno-optični učinki magnetnih polprevodnikov omogočajo njihovo uporabo za optično modulacijo. Perovskiti, kot so Mn0, 7Ca0, 3O3, , presegajo kovino - polprevodnik, neposredna odvisnost katerega od magnetnega polja povzroči pojav velikanske magnetorezistence. Uporabljajo se v radiotehniki, optičnih napravah, ki jih krmili magnetno polje, v valovodih mikrovalovnih naprav.
polprevodniški feroelektriki
To vrsto kristalov odlikuje prisotnost električnih momentov v njih in pojav spontane polarizacije. Na primer, polprevodniki, kot so svinčev titanat PbTiO3, barijev titanat BaTiO3, germanijev telurid GeTe, kositrov telurid SnTe, ki imajo pri nizkih temperaturah lastnosti feroelektrični. Ti materiali se uporabljajo v nelinearnih optičnih, spominskih in piezo senzorjih.
Različica polprevodniških materialov
Poleg zgoraj navedenegapolprevodniške snovi, obstaja veliko drugih, ki ne spadajo v nobeno od naštetih vrst. Povezave elementov po formuli 1-3-52 (AgGaS2) in 2-4-52 (ZnSiP2) tvorijo kristale v strukturi halkopirit. Vezi spojin so tetraedrične, podobne polprevodnikom skupin 3–5 in 2–6 s kristalno strukturo cinkove mešanice. Spojine, ki tvorijo elemente polprevodnikov skupin 5 in 6 (kot As2Se3), so polprevodniki v obliki kristala ali stekla. Bizmut in antimonov halkogenidi se uporabljajo v polprevodniških termoelektričnih generatorjih. Lastnosti tovrstnih polprevodnikov so izjemno zanimive, vendar zaradi omejene uporabe niso pridobili popularnosti. Vendar dejstvo, da obstajajo, potrjuje obstoj področij fizike polprevodnikov, ki še niso v celoti raziskana.
