Tunnetuin puolijohde on pii (Si). Mutta hänen lisäksi on monia muita. Esimerkkinä ovat luonnolliset puolijohdemateriaalit, kuten sinkkiseos (ZnS), kupriitti (Cu2O), galenia (PbS) ja monet muut. Puolijohdeperhe, mukaan lukien laboratoriossa syntetisoidut puolijohteet, on yksi monipuolisimmista ihmisen tuntemista materiaaliluokista.
Puolijohteiden karakterisointi
Jaksollisen taulukon 104 alkuaineesta 79 on metalleja, 25 ei-metalleja, joista 13 kemiallisella alkuaineella on puolijohdeominaisuudet ja 12 dielektrisiä. Suurin ero puolijohteiden välillä on, että niiden sähkönjohtavuus kasvaa merkittävästi lämpötilan noustessa. Matalissa lämpötiloissa ne käyttäytyvät kuin eristeet, ja korkeissa lämpötiloissa ne käyttäytyvät kuin johtimia. Näin puolijohteet eroavat metalleista: metallin vastus kasvaa suhteessa lämpötilan nousuun.
Toinen ero puolijohteen ja metallin välillä on se, että puolijohteen vastusputoaa valon vaikutuksen alaisena, kun taas jälkimmäinen ei vaikuta metalliin. Puolijohteiden johtavuus muuttuu myös, kun siihen lisätään pieni määrä epäpuhtauksia.
Puolijohteita löytyy kemiallisista yhdisteistä, joilla on erilaisia kiderakenteita. Nämä voivat olla alkuaineita, kuten piitä ja seleeniä, tai binäärisiä yhdisteitä, kuten galliumarsenidi. Monet orgaaniset yhdisteet, kuten polyasetyleeni (CH)n, , ovat puolijohdemateriaaleja. Joillakin puolijohteilla on magneettisia (Cd1-xMnxTe) tai ferrosähköisiä ominaisuuksia (SbSI). Toisista, joilla on riittävästi dopingia, tulee suprajohtajia (GeTe ja SrTiO3). Monissa äskettäin löydetyistä korkean lämpötilan suprajohteista on ei-metallisia puolijohtavia faaseja. Esimerkiksi La2CuO4 on puolijohde, mutta kun se on seostettu Sr:n kanssa, siitä tulee suprajohde (La1-x Srx)2CuO4.
Fysiikan oppikirjoissa puolijohde määritellään materiaaliksi, jonka sähkövastus on 10-4 - 107 Ohm·m. Vaihtoehtoinen määritelmä on myös mahdollinen. Puolijohteen kaistaväli on 0 - 3 eV. Metallit ja puolimetallit ovat materiaaleja, joiden energiarako on nolla, ja aineita, joissa se ylittää 3 eV, kutsutaan eristeiksi. On myös poikkeuksia. Esimerkiksi puolijohteetimantin kaistaväli on 6 eV, puolieristävän GaAs:n 1,5 eV. GaN, sinisen alueen optoelektronisille laitteille tarkoitetun materiaalin kaistaväli on 3,5 eV.
Energiavaje
Atomien valenssiorbitaalit kidehilassa on jaettu kahteen energiatasoryhmään - korkeimmalla tasolla sijaitsevaan vapaaseen vyöhykkeeseen, joka määrittää puolijohteiden sähkönjohtavuuden, ja sen alla olevaan valenssikaistaan. Nämä tasot voivat kidehilan symmetriasta ja atomien koostumuksesta riippuen leikkiä tai sijaita etäisyyden päässä toisistaan. Jälkimmäisessä tapauksessa vyöhykkeiden väliin ilmestyy energiarako tai toisin sanoen kielletty vyöhyke.
Tasojen sijainti ja täyttö määräävät aineen johtavat ominaisuudet. Tämän perusteella aineet jaetaan johtimiin, eristimiin ja puolijohteisiin. Puolijohteiden kaistanleveys vaihtelee välillä 0,01–3 eV, eristeen energiarako ylittää 3 eV. Metalleilla ei ole energia-aukkoja päällekkäisten tasojen vuoksi.
Puolijohteilla ja dielektreillä, toisin kuin metalleissa, on valenssikaista, joka on täynnä elektroneja, ja lähin vapaa kaista tai johtavuuskaista on eristetty valenssikaist alta energiaraolla - kiellettyjen elektronien energioiden alueella.
Dielektrikissä lämpöenergia tai merkityksetön sähkökenttä ei riitä hyppäämään tämän raon läpi, elektronit eivät pääse johtavuuskaistalle. Ne eivät pysty liikkumaan kidehilaa pitkin ja niistä tulee sähkövirran kantajia.
Sähkönjohtavuuden virittämiseksi valenssitasolla olevalle elektronille on annettava energiaa, joka riittäisi voittamaan energianaukko. Vain silloin, kun se absorboi energiamäärän, joka ei ole pienempi kuin energiaraon arvo, elektroni siirtyy valenssitasolta johtumistasolle.
Siinä tapauksessa, että energiaraon leveys ylittää 4 eV, puolijohteen johtavuuden viritys säteilyttämällä tai kuumentamalla on käytännössä mahdotonta - elektronien viritysenergia sulamislämpötilassa ei riitä hyppäämään energiavälivyöhykkeen läpi. Kuumennettaessa kide sulaa, kunnes elektroninen johtuminen tapahtuu. Näitä aineita ovat kvartsi (dE=5,2 eV), timantti (dE=5,1 eV), monet suolat.
Puolijohteiden epäpuhtaudet ja sisäinen johtavuus
Puhtailla puolijohdekiteillä on oma johtavuutensa. Tällaisia puolijohteita kutsutaan sisäisiksi. Sisäinen puolijohde sisältää yhtä monta reikää ja vapaita elektroneja. Kuumennettaessa puolijohteiden sisäinen johtavuus kasvaa. Vakiolämpötilassa syntyy dynaaminen tasapainotila muodostuneiden elektroni-reikäparien lukumäärässä sekä uudelleen yhdistyvien elektronien ja reikien lukumäärässä, jotka pysyvät vakioina tietyissä olosuhteissa.
Epäpuhtauksien läsnäololla on merkittävä vaikutus puolijohteiden sähkönjohtavuuteen. Niiden lisääminen mahdollistaa vapaiden elektronien määrän suurentamisen huomattavasti pienellä määrällä reikiä ja reikien määrän lisäämisen pienellä määrällä elektroneja johtavuustasolla. Epäpuhtauspuolijohteet ovat johtimia, joilla on epäpuhtausjohtavuus.
Epäpuhtauksia, jotka luovuttavat helposti elektroneja, kutsutaan luovuttajaepäpuhtauksiksi. Luovuttajaepäpuhtaudet voivat olla kemiallisia alkuaineita, joissa on atomeja, joiden valenssitasot sisältävät enemmän elektroneja kuin perusaineen atomit. Esimerkiksi fosfori ja vismutti ovat piin luovuttavia epäpuhtauksia.
Energiaa, joka tarvitaan elektronin hyppäämiseen johtumisalueelle, kutsutaan aktivaatioenergiaksi. Epäpuhtauspuolijohteet tarvitsevat sitä paljon vähemmän kuin perusmateriaali. Pienellä lämmityksellä tai valaistuksella vapautuu pääasiassa epäpuhtauspuolijohteiden atomien elektroneja. Atomista poistuvan elektronin paikka on reikä. Mutta elektronien rekombinaatiota reikiin ei käytännössä tapahdu. Luovuttajan reiän johtavuus on mitätön. Tämä johtuu siitä, että epäpuhtausatomien pieni määrä ei salli vapaiden elektronien usein lähestyä reikää ja miehittää sitä. Elektronit ovat lähellä reikiä, mutta eivät voi täyttää niitä riittämättömän energiatason vuoksi.
Luovuttajaepäpuhtauden merkityksetön lisäys useiden suuruusluokkien verran lisää johtavuuselektronien määrää verrattuna vapaiden elektronien määrään sisäisessä puolijohteessa. Elektronit ovat tässä epäpuhtauspuolijohteiden atomien päävarauksenkuljettajia. Nämä aineet luokitellaan n-tyypin puolijohteiksi.
Epäpuhtauksia, jotka sitovat puolijohteen elektroneja ja lisäävät siinä olevien reikien määrää, kutsutaan akseptoriksi. Akseptoriepäpuhtaudet ovat kemiallisia alkuaineita, joissa on vähemmän elektroneja valenssitasolla kuin peruspuolijohteessa. Boori, gallium, indium - vastaanottajapiin epäpuhtaudet.
Puolijohteen ominaisuudet riippuvat sen kiderakenteen vioista. Tästä syystä on tarpeen kasvattaa erittäin puhtaita kiteitä. Puolijohteiden johtavuusparametreja säädetään lisäämällä lisäaineita. Piikiteet seostetaan fosforilla (alaryhmän V alkuaine), joka on luovuttaja, n-tyypin piikiteen luomiseksi. Reiänjohtavuuden omaavan kiteen saamiseksi piihin lisätään booriakseptori. Puolijohteet, joissa on kompensoitu Fermi-taso siirtääkseen sen kaistavälin keskelle, luodaan samalla tavalla.
Yksikennoiset puolijohteet
Yleisin puolijohde on tietysti pii. Yhdessä germaniumin kanssa siitä tuli prototyyppi laajalle puolijohteiden luokalle, joilla on samanlaiset kiderakenteet.
Si- ja Ge-kiteiden rakenne on sama kuin timantilla ja α-tinalla. Siinä jokaista atomia ympäröi 4 lähintä atomia, jotka muodostavat tetraedrin. Tätä koordinaatiota kutsutaan nelinkertaiseksi. Tetrasidoskiteistä on tullut elektroniikkateollisuuden perusta ja niillä on keskeinen rooli nykytekniikassa. Jotkut jaksollisen järjestelmän ryhmien V ja VI elementit ovat myös puolijohteita. Esimerkkejä tämän tyyppisistä puolijohteista ovat fosfori (P), rikki (S), seleeni (Se) ja telluuri (Te). Näissä puolijohteissa atomeilla voi olla kolminkertainen (P), kaksinkertainen (S, Se, Te) tai nelinkertainen koordinaatio. Tämän seurauksena samank altaisia elementtejä voi esiintyä useissa eri muodoissakristallirakenteita, ja ne voidaan saada myös lasin muodossa. Esimerkiksi seleeniä on kasvatettu monokliinisissä ja trigonaalisissa kiderakenteissa tai lasina (jota voidaan myös pitää polymeerinä).
- Timantilla on erinomainen lämmönjohtavuus, erinomaiset mekaaniset ja optiset ominaisuudet sekä korkea mekaaninen lujuus. Energiaraon leveys - dE=5,47 eV.
- Pii on puolijohde, jota käytetään aurinkokennoissa ja amorfisessa muodossa ohutkalvo aurinkokennoissa. Se on aurinkokennoissa eniten käytetty puolijohde, helppo valmistaa ja sillä on hyvät sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. dE=1,12 eV.
- Germanium on puolijohde, jota käytetään gammaspektroskopiassa, korkean suorituskyvyn aurinkokennoissa. Käytettiin ensimmäisissä diodeissa ja transistoreissa. Vaatii vähemmän puhdistusta kuin silikoni. dE=0,67 eV.
- Seleeni on puolijohde, jota käytetään seleenitasasuuntaajissa, joilla on korkea säteilynkestävyys ja itsekorjautumiskyky.
Kaksialkuaineyhdisteet
Jaksollisen järjestelmän 3. ja 4. ryhmän elementtien muodostamien puolijohteiden ominaisuudet muistuttavat 4. ryhmän aineiden ominaisuuksia. Siirtyminen ryhmän 4 alkuaineista yhdisteisiin 3–4 gr. tekee sidoksista osittain ionisia johtuen elektronin varauksen siirtymisestä ryhmän 3 atomista ryhmän 4 atomiin. Ionisuus muuttaa puolijohteiden ominaisuuksia. Se on syynä Coulombin interionivuorovaikutuksen ja energiakaistavälin energian kasvuunelektronirakenteet. Esimerkki tämän tyyppisestä binääriyhdisteestä on indiumantimonidi InSb, galliumarsenidi GaAs, galliumantimonidi GaSb, indiumfosfidi InP, alumiiniantimonidi AlSb, galliumfosfidi GaP.
Ionisuus kasvaa ja sen arvo kasvaa entisestään ryhmien 2-6 aineiden yhdisteissä, kuten kadmiumselenidissä, sinkkisulfidissa, kadmiumsulfidissa, kadmiumtelluridissa, sinkkiselenidissä. Tämän seurauksena useimpien ryhmien 2-6 yhdisteiden kaistaväli on leveämpi kuin 1 eV, lukuun ottamatta elohopeayhdisteitä. Elohopeatelluridi on puolijohde ilman energiarakoa, puolimetalli, kuten α-tina.
Ryhmän 2-6 puolijohteita, joissa on suuri energiaväli, käytetään lasereiden ja näyttöjen valmistuksessa. Infrapunavastaanottimiin sopivat 2-6 ryhmän binaariliitännät kavennetulla energiavälillä. Ryhmien 1–7 alkuaineiden binääriyhdisteillä (kuparibromidi CuBr, hopeajodidi AgI, kuparikloridi CuCl) on korkeasta ionisyydestään johtuen kaistaväli leveämpi kuin 3 eV. Ne eivät itse asiassa ole puolijohteita, vaan eristeitä. Coulombin interionisesta vuorovaikutuksesta johtuva kiteen ankkurointienergian kasvu edistää vuorisuolaatomien rakentumista kuusinkertaisella koordinaatiolla, ei neliöllisellä koordinaatiolla. Ryhmien 4–6 yhdisteet - lyijysulfidi ja telluridi, tinasulfidi - ovat myös puolijohteita. Näiden aineiden ionisuusaste myötävaikuttaa myös kuusinkertaisen koordinaation muodostumiseen. Merkittävä ionisuus ei estä niissä olevan hyvin kapeita kaistaväliä, mikä mahdollistaa niiden käytön infrapunasäteilyn vastaanottamiseen. Galliumnitridi - 3-5 ryhmän yhdiste, jolla on laaja energiarako, on löytänyt sovelluksen puolijohteissaspektrin sinisessä osassa toimivat laserit ja LEDit.
- GaAs, galliumarsenidi, on piin jälkeen toiseksi eniten käytetty puolijohde, jota käytetään yleisesti substraattina muille johtimille, kuten GaInNA:lle ja InGaA:lle, IR-diodeissa, suurtaajuisissa mikropiireissä ja transistoreissa sekä tehokkaissa aurinkokennoissa., laserdiodit, ilmaisimet ydinhoito. dE=1,43 eV, mikä mahdollistaa laitteiden tehon lisäämisen piihin verrattuna. Hauras, sisältää enemmän epäpuhtauksia, vaikea valmistaa.
- ZnS, sinkkisulfidi - vetysulfidihapon sinkkisuola, jonka kaistaväli on 3,54 ja 3,91 eV, käytetään lasereissa ja fosforina.
- SnS, tinasulfidi - puolijohde, jota käytetään valovastuksissa ja valodiodeissa, dE=1, 3 ja 10 eV.
Oksidit
Metallioksidit ovat enimmäkseen erinomaisia eristeitä, mutta poikkeuksiakin on. Esimerkkejä tämän tyyppisistä puolijohteista ovat nikkelioksidi, kuparioksidi, kobolttioksidi, kuparidioksidi, rautaoksidi, europiumoksidi, sinkkioksidi. Koska kuparidioksidia esiintyy kupriittimineraalina, sen ominaisuuksia on tutkittu laajasti. Tämän tyyppisten puolijohteiden kasvattamismenettelyä ei vielä täysin ymmärretä, joten niiden käyttö on edelleen rajallista. Poikkeuksena on sinkkioksidi (ZnO), ryhmän 2-6 yhdiste, jota käytetään muuntimena sekä teippien ja laastarien valmistuksessa.
Tilanne muuttui dramaattisesti sen jälkeen, kun monista kupariyhdisteistä hapen kanssa havaittiin suprajohtavuus. EnsimmäinenMüllerin ja Bednorzin löytämä korkean lämpötilan suprajohde oli yhdiste, joka perustui puolijohteeseen La2CuO4, jonka energiarako oli 2 eV. Korvaamalla kolmiarvoinen lantaani kaksiarvoisella bariumilla tai strontiumilla puolijohteeseen viedään reikävarauksen kantajia. Vaaditun reikikonsentraation saavuttaminen muuttaa La2CuO4 suprajohteeksi. Tällä hetkellä korkein siirtymälämpötila suprajohtavaan tilaan kuuluu yhdisteellä HgBaCa2Cu3O8. Korkeassa paineessa sen arvo on 134 K.
ZnO:ta, sinkkioksidia, käytetään varistoreissa, sinisissä LEDeissä, kaasuantureissa, biologisissa antureissa, ikkunoiden pinnoitteissa heijastamaan infrapunavaloa, johtimena LCD-näytöissä ja aurinkopaneeleissa. dE=3,37 eV.
Kerroskiteet
Kaksoisyhdisteille, kuten lyijydijodidille, galliumselenidille ja molybdeenidisulfidille, on tunnusomaista kerroksellinen kiderakenne. Kerroksissa toimivat kovalenttiset sidokset, jotka ovat paljon vahvempia kuin van der Waalsin sidokset itse kerrosten välillä. Tämän tyyppiset puolijohteet ovat mielenkiintoisia siinä mielessä, että elektronit käyttäytyvät lähes kaksiulotteisesti kerroksissa. Kerrosten vuorovaikutusta muutetaan vieraiden atomien lisäämisellä - interkalaatiolla.
MoS2, molybdeenidisulfidia käytetään suurtaajuisissa ilmaisimissa, tasasuuntaajissa, memristoreissa ja transistoreissa. dE=1,23 ja 1,8 eV.
Orgaaniset puolijohteet
Esimerkkejä orgaanisiin yhdisteisiin perustuvista puolijohteista - naftaleeni, polyasetyleeni(CH2) , antraseeni, polydiasetyleeni, ftalosyanidit, polyvinyylikarbatsoli. Orgaanisilla puolijohteilla on etu epäorgaanisiin verrattuna: niille on helppo antaa haluttuja ominaisuuksia. Aineilla, joissa on tyyppiä –С=С–С=konjugoituja sidoksia, on merkittävä optinen epälineaarisuus ja tästä johtuen niitä käytetään optoelektroniikassa. Lisäksi orgaanisten puolijohteiden energian epäjatkuvuusvyöhykkeitä muutetaan muuttamalla yhdistekaavaa, mikä on paljon helpompaa kuin tavanomaisten puolijohteiden. Hiilen fullereenin, grafeenin ja nanoputkien kiteiset allotroopit ovat myös puolijohteita.
- Fullereeni on rakenteeltaan kuperan suljetun polyhedronin muodossa, jossa on parillinen määrä hiiliatomeja. Ja fullereeni C60 doping alkalimetallilla tekee siitä suprajohteen.
- Grafeeni muodostuu monoatomisesta hiilikerroksesta, joka on yhdistetty kaksiulotteiseen kuusikulmaiseen hilaan. Sillä on ennätykselliset lämmönjohtavuus ja elektronien liikkuvuus, korkea jäykkyys
- Nanoputket ovat grafiittilevyjä, jotka on rullattu putkeen ja joiden halkaisija on muutama nanometri. Näillä hiilen muodoilla on suuri lupaus nanoelektroniikassa. Voi olla metallisia tai puolijohtavia ominaisuuksia kytkennästä riippuen.
Magneettiset puolijohteet
Magneettisia europiumioneja ja mangaani-ioneja sisältävillä yhdisteillä on outoja magneettisia ja puolijohdeominaisuuksia. Esimerkkejä tämän tyyppisistä puolijohteista ovat europiumsulfidi, europiumselenidi ja kiinteät liuokset, kutenCd1-xMnxTe. Magneetti-ionien pitoisuus vaikuttaa siihen, miten magneettiset ominaisuudet, kuten antiferromagnetismi ja ferromagnetismi, ilmenevät aineissa. Puolimagneettiset puolijohteet ovat puolijohteiden kiinteitä magneettiliuoksia, jotka sisältävät magneettisia ioneja pieninä pitoisuuksina. Tällaiset kiinteät ratkaisut herättävät huomiota lupaavillaan ja suurilla mahdollisilla sovelluksilla. Esimerkiksi toisin kuin ei-magneettiset puolijohteet, ne voivat saavuttaa miljoona kertaa suuremman Faradayn kierron.
Magneettisten puolijohteiden voimakkaat magneto-optiset vaikutukset mahdollistavat niiden käytön optiseen modulaatioon. Perovskiitit, kuten Mn0, 7Ca0, 3O3, ylittävät metallin - puolijohteen, jonka suora riippuvuus magneettikentästä johtaa jättimäisen magnetoresistenssin ilmiöön. Niitä käytetään radiotekniikassa, optisissa laitteissa, joita ohjataan magneettikentällä, mikroa altolaitteiden a altoputkissa.
Puolijohdeferrosähköiset
Tämän tyyppiset kiteet erottuvat sähkömomenttien läsnäolosta ja spontaanista polarisaatiosta. Esimerkiksi puolijohteet, kuten lyijytitanaatti PbTiO3, bariumtitanaatti BaTiO3, germaniumtelluridi GeTe, tinatelluridi SnTe, joilla on ominaisuuksia alhaisissa lämpötiloissa ferrosähköinen. Näitä materiaaleja käytetään epälineaarisissa optisissa, muisti- ja pietso-antureissa.
Erilaisia puolijohdemateriaaleja
Edellisen lisäksipuolijohdeaineita, on monia muita, jotka eivät kuulu mihinkään luetelluista tyypeistä. Elementtien kytkennät kaavan 1-3-52 (AgGaS2) ja 2-4-52 mukaan (ZnSiP2) muodostaa kiteitä kalkopyriittirakenteessa. Yhdisteiden sidokset ovat tetraedrisiä, samanlaisia kuin ryhmien 3–5 ja 2–6 puolijohteet, joiden kiderakenne on sinkkiseos. Yhdisteet, jotka muodostavat ryhmien 5 ja 6 puolijohteiden alkuaineita (kuten As2Se3) ovat puolijohteita kiteen tai lasin muodossa.. Vismutti- ja antimonikalkogenideja käytetään puolijohdetermosähköisissä generaattoreissa. Tämän tyyppisten puolijohteiden ominaisuudet ovat erittäin mielenkiintoisia, mutta ne eivät ole saavuttaneet suosiota rajoitetun käyttötarkoituksensa vuoksi. Niiden olemassaolo vahvistaa kuitenkin puolijohdefysiikan alueiden olemassaolon, joita ei ole vielä täysin tutkittu.
