Die bekendste halfgeleier is silikon (Si). Maar behalwe hom is daar baie ander. 'n Voorbeeld is natuurlike halfgeleiermateriale soos sinkmengsel (ZnS), cupriet (Cu2O), galena (PbS) en vele ander. Die halfgeleiersfamilie, insluitend laboratoriumgesintetiseerde halfgeleiers, is een van die veelsydigste klasse materiale wat aan die mens bekend is.
Karakterisering van halfgeleiers
Van die 104 elemente van die periodieke tabel is 79 metale, 25 is nie-metale, waarvan 13 chemiese elemente halfgeleier-eienskappe het en 12 diëlektries is. Die belangrikste verskil tussen halfgeleiers is dat hul elektriese geleidingsvermoë aansienlik toeneem met toenemende temperatuur. By lae temperature gedra hulle hulle soos diëlektrika, en by hoë temperature gedra hulle soos geleiers. Dit is hoe halfgeleiers van metale verskil: die weerstand van die metaal neem toe in verhouding met die toename in temperatuur.
Nog 'n verskil tussen 'n halfgeleier en 'n metaal is dat die weerstand van 'n halfgeleierval onder die invloed van lig, terwyl laasgenoemde nie die metaal affekteer nie. Die geleidingsvermoë van halfgeleiers verander ook wanneer 'n klein hoeveelheid onsuiwerheid ingebring word.
Halfgeleiers word gevind tussen chemiese verbindings met 'n verskeidenheid van kristalstrukture. Dit kan elemente soos silikon en selenium wees, of binêre verbindings soos galliumarsenied. Baie organiese verbindings, soos poliasetileen (CH)n, is halfgeleiermateriale. Sommige halfgeleiers vertoon magnetiese (Cd1-xMnxTe) of ferro-elektriese eienskappe (SbSI). Ander met voldoende doping word supergeleiers (GeTe en SrTiO3). Baie van die onlangs ontdekte hoë-temperatuur supergeleiers het nie-metaal halfgeleidende fases. Byvoorbeeld, La2CuO4 is 'n halfgeleier, maar wanneer dit met Sr gelegeer word, word dit 'n supergeleier (La1-x) Srx)2CuO4.
Fisika-handboeke definieer 'n halfgeleier as 'n materiaal met elektriese weerstand van 10-4 tot 107 Ohm·m. 'n Alternatiewe definisie is ook moontlik. Die bandgaping van 'n halfgeleier is van 0 tot 3 eV. Metale en halfmetale is materiale met 'n nul-energiegaping, en stowwe waarin dit 3 eV oorskry, word isolators genoem. Daar is ook uitsonderings. Byvoorbeeld, halfgeleierdiamant het 'n bandgaping van 6 eV, semi-isolerende GaAs - 1,5 eV. GaN, 'n materiaal vir opto-elektroniese toestelle in die blou streek, het 'n bandgaping van 3,5 eV.
Energiegaping
Die valensorbitale van atome in die kristalrooster word in twee groepe energievlakke verdeel – die vrysone wat op die hoogste vlak geleë is en die elektriese geleidingsvermoë van halfgeleiers bepaal, en die valensband wat onder geleë is. Hierdie vlakke, afhangende van die simmetrie van die kristalrooster en die samestelling van atome, kan mekaar sny of op 'n afstand van mekaar geleë wees. In laasgenoemde geval verskyn 'n energiegaping of, met ander woorde, 'n verbode sone tussen die sones.
Die ligging en vulling van die vlakke bepaal die geleidende eienskappe van die stof. Op hierdie basis word stowwe in geleiers, isolators en halfgeleiers verdeel. Die halfgeleierbandgapingwydte wissel binne 0.01–3 eV, die energiegaping van die diëlektrikum oorskry 3 eV. Metale het nie energiegapings nie as gevolg van oorvleuelende vlakke.
Halfgeleiers en diëlektrika, in teenstelling met metale, het 'n valensband gevul met elektrone, en die naaste vrye band, of geleidingsband, is omhein van die valensband deur 'n energiegaping - 'n gebied van verbode elektronenergie.
In diëlektrika is termiese energie of 'n onbeduidende elektriese veld nie genoeg om 'n sprong deur hierdie gaping te maak nie, elektrone gaan nie die geleidingsband binne nie. Hulle is nie in staat om langs die kristalrooster te beweeg nie en word draers van elektriese stroom.
Om elektriese geleidingsvermoë op te wek, moet 'n elektron op die valensvlak energie gegee word wat genoeg sal wees om die energie te oorkomgaping. Slegs wanneer 'n hoeveelheid energie van nie minder as die waarde van die energiegaping geabsorbeer word nie, sal die elektron van die valensievlak na die geleidingsvlak beweeg.
In die geval dat die breedte van die energiegaping 4 eV oorskry, is opwekking van halfgeleiergeleiding deur bestraling of verhitting feitlik onmoontlik - die opwekkingsenergie van elektrone by die smelttemperatuur is onvoldoende om deur die energiegapingsone te spring. Wanneer dit verhit word, sal die kristal smelt totdat elektroniese geleiding plaasvind. Hierdie stowwe sluit in kwarts (dE=5.2 eV), diamant (dE=5.1 eV), baie soute.
Onsuiwerheid en intrinsieke geleidingsvermoë van halfgeleiers
Suiwer halfgeleierkristalle het hul eie geleidingsvermoë. Sulke halfgeleiers word intrinsiek genoem. 'n Intrinsieke halfgeleier bevat 'n gelyke aantal gate en vrye elektrone. Wanneer dit verhit word, neem die intrinsieke geleidingsvermoë van halfgeleiers toe. By 'n konstante temperatuur ontstaan 'n toestand van dinamiese ewewig in die aantal elektron-gat-pare wat gevorm word en die aantal herkombinerende elektrone en gate, wat konstant bly onder gegewe toestande.
Die teenwoordigheid van onsuiwerhede het 'n beduidende impak op die elektriese geleidingsvermoë van halfgeleiers. Die byvoeging daarvan maak dit moontlik om die aantal vrye elektrone met 'n klein aantal gate grootliks te vermeerder en om die aantal gate met 'n klein aantal elektrone op die geleidingsvlak te vermeerder. Onsuiwerheidshalfgeleiers is geleiers met onsuiwerheidsgeleiding.
Onsuiwerhede wat maklik elektrone skenk, word skenker-onsuiwerhede genoem. Skenkeronsuiwerhede kan chemiese elemente wees met atome waarvan die valensievlakke meer elektrone bevat as die atome van die basisstof. Byvoorbeeld, fosfor en bismut is silikonskenker-onsuiwerhede.
Die energie wat nodig is om 'n elektron in die geleidingsgebied te spring, word die aktiveringsenergie genoem. Onreinheid halfgeleiers benodig baie minder daarvan as die basismateriaal. Met 'n effense verhitting of beligting is dit hoofsaaklik die elektrone van die atome van die onsuiwerheid halfgeleiers wat vrygestel word. Die plek van die elektron wat die atoom verlaat, word deur 'n gat ingeneem. Maar die herkombinasie van elektrone in gate vind feitlik nie plaas nie. Die gatgeleiding van die skenker is weglaatbaar. Dit is omdat die klein aantal onsuiwerheidsatome nie toelaat dat vrye elektrone dikwels die gat nader en dit beset nie. Elektrone is naby gate, maar kan dit nie vul nie weens 'n onvoldoende energievlak.
Onbeduidende toevoeging van 'n skenker-onreinheid met verskeie ordes van grootte verhoog die aantal geleidingselektrone in vergelyking met die aantal vrye elektrone in die intrinsieke halfgeleier. Elektrone hier is die hoofladingsdraers van atome van onreinheid halfgeleiers. Hierdie stowwe word as n-tipe halfgeleiers geklassifiseer.
Onsuiwerhede wat die elektrone van 'n halfgeleier bind, wat die aantal gate daarin vermeerder, word akseptor genoem. Akseptor onsuiwerhede is chemiese elemente met minder elektrone op die valensvlak as die basis halfgeleier. Boor, gallium, indium - aanvaarderonsuiwerhede vir silikon.
Die kenmerke van 'n halfgeleier hang af van die defekte in sy kristalstruktuur. Dit is die rede vir die behoefte om uiters suiwer kristalle te groei. Die halfgeleiergeleidingsparameters word beheer deur doteermiddels by te voeg. Silikonkristalle word gedoteer met fosfor (subgroep V-element), wat 'n skenker is, om 'n n-tipe silikonkristal te skep. Om 'n kristal met gatgeleiding te verkry, word 'n boorontvanger in silikon ingebring. Halfgeleiers met 'n gekompenseerde Fermi-vlak om dit na die middel van die bandgaping te skuif, word op 'n soortgelyke manier geskep.
Enkelsel halfgeleiers
Die mees algemene halfgeleier is natuurlik silikon. Saam met germanium het dit die prototipe geword vir 'n wye klas halfgeleiers met soortgelyke kristalstrukture.
Die struktuur van Si- en Ge-kristalle is dieselfde as dié van diamant en α-tin. Daarin word elke atoom omring deur 4 naaste atome, wat 'n tetraëder vorm. Hierdie koördinasie word viervoudig genoem. Tetra-gebonde kristalle het die basis van die elektroniese industrie geword en speel 'n sleutelrol in moderne tegnologie. Sommige elemente van groepe V en VI van die periodieke tabel is ook halfgeleiers. Voorbeelde van halfgeleiers van hierdie tipe is fosfor (P), swael (S), selenium (Se) en telluur (Te). In hierdie halfgeleiers kan atome drievoudige (P), tweevoudige (S, Se, Te) of viervoudige koördinasie hê. As gevolg hiervan kan soortgelyke elemente in verskeie verskillende bestaankristalstrukture, en word ook in die vorm van glas verkry. Se is byvoorbeeld gekweek in monokliniese en trigonale kristalstrukture of as glas (wat ook as 'n polimeer beskou kan word).
- Diamant het uitstekende termiese geleidingsvermoë, uitstekende meganiese en optiese eienskappe, hoë meganiese sterkte. Energiegapingwydte - dE=5.47 eV.
- Silikon is 'n halfgeleier wat in sonselle gebruik word en in amorfe vorm in dunfilm sonselle. Dit is die mees gebruikte halfgeleier in sonselle, maklik om te vervaardig, en het goeie elektriese en meganiese eienskappe. dE=1,12 eV.
- Germanium is 'n halfgeleier wat in gammaspektroskopie, hoëwerkverrigting fotovoltaïese selle gebruik word. Gebruik in die eerste diodes en transistors. Vereis minder skoonmaak as silikon. dE=0,67 eV.
- Selenium is 'n halfgeleier wat in selenium-gelykrigters gebruik word, wat hoë stralingsweerstand en selfgenesende vermoë het.
Twee-elementverbindings
Die eienskappe van halfgeleiers wat deur elemente van die 3de en 4de groepe van die periodieke tabel gevorm word, lyk soos die eienskappe van stowwe van die 4de groep. Oorgang van groep 4-elemente na verbindings 3–4 gr. maak die bindings gedeeltelik ionies as gevolg van die oordrag van elektronlading vanaf die atoom van groep 3 na die atoom van groep 4. Ionisiteit verander die eienskappe van halfgeleiers. Dit is die rede vir die toename in die Coulomb-interie-interaksie en die energie van die energiebandgapingelektronstrukture. 'n Voorbeeld van 'n binêre verbinding van hierdie tipe is indium antimonied InSb, gallium arsenied GaAs, gallium antimonied GaSb, indium fosfied InP, aluminium antimonied AlSb, gallium fosfied GaP.
Ionisiteit neem toe, en die waarde daarvan groei selfs meer in verbindings van stowwe van groepe 2-6, soos kadmiumselenied, sinksulfied, kadmiumsulfied, kadmiumtelluried, sinkselenied. As gevolg hiervan het die meeste verbindings van groepe 2-6 'n bandgaping groter as 1 eV, behalwe vir kwikverbindings. Kwiktelluried is 'n halfgeleier sonder 'n energiegaping, 'n halfmetaal, soos α-tin.
Groep 2-6 halfgeleiers met 'n groot energiegaping word gebruik in die vervaardiging van lasers en skerms. Binêre verbindings van 2-6 groepe met 'n vernoude energiegaping is geskik vir infrarooi ontvangers. Binêre verbindings van elemente van groepe 1–7 (koperbromied CuBr, silwerjodied AgI, koperchloried CuCl) het as gevolg van hul hoë ionisiteit 'n bandgaping wyer as 3 eV. Hulle is eintlik nie halfgeleiers nie, maar isolators. Die toename in die ankerenergie van die kristal as gevolg van die Coulomb-interioniese interaksie dra by tot die strukturering van rotssoutatome met sesvoudige eerder as kwadratiese koördinasie. Verbindings van groepe 4–6 - loodsulfied en telluried, tinsulfied - is ook halfgeleiers. Die mate van ionisiteit van hierdie stowwe dra ook by tot die vorming van sesvoudige koördinasie. Beduidende ionisiteit verhoed nie dat hulle baie nou bandgapings het nie, wat dit moontlik maak om hulle te gebruik om infrarooi straling te ontvang. Galliumnitried - 'n verbinding van 3-5 groepe met 'n wye energiegaping, het toepassing gevind in halfgeleierslasers en LED's wat in die blou deel van die spektrum werk.
- GaAs, galliumarsenied, is die tweede mees gebruikte halfgeleier naas silikon, wat algemeen gebruik word as 'n substraat vir ander geleiers soos GaInNAs en InGaAs, in IR-diodes, hoëfrekwensie mikrobane en transistors, hoë-doeltreffendheid sonselle, laserdiodes, detektors kern genesing. dE=1.43 eV, wat dit moontlik maak om die krag van toestelle in vergelyking met silikon te verhoog. Broos, bevat meer onsuiwerhede, moeilik om te vervaardig.
- ZnS, sinksulfied - sinksout van hidrosulfiedsuur met 'n bandgaping van 3,54 en 3,91 eV, gebruik in lasers en as 'n fosfor.
- SnS, tinsulfied - 'n halfgeleier wat in fotoresistors en fotodiodes gebruik word, dE=1, 3 en 10 eV.
Oxides
Metaaloksiede is meestal uitstekende isoleerders, maar daar is uitsonderings. Voorbeelde van halfgeleiers van hierdie tipe is nikkeloksied, koperoksied, kob altoksied, koperdioksied, ysteroksied, europiumoksied, sinkoksied. Aangesien koperdioksied as die mineraal cupriet bestaan, is die eienskappe daarvan omvattend nagevors. Die prosedure vir die groei van halfgeleiers van hierdie tipe is nog nie ten volle verstaan nie, so hul toepassing is steeds beperk. Die uitsondering is sinkoksied (ZnO), 'n groep 2-6 verbinding wat gebruik word as 'n omskakelaar en in die vervaardiging van kleefbande en pleisters.
Die situasie het dramaties verander nadat supergeleiding in baie verbindings van koper met suurstof ontdek is. EerstensDie hoë-temperatuur supergeleier wat deur Müller en Bednorz ontdek is, was 'n verbinding gebaseer op die halfgeleier La2CuO4 met 'n energiegaping van 2 eV. Deur driewaardige lantaan met tweewaardige barium of strontium te vervang, word gatladingsdraers in die halfgeleier ingebring. Deur die vereiste konsentrasie van gate te bereik, verander La2CuO4 in 'n supergeleier. Tans behoort die hoogste oorgangstemperatuur na die supergeleidende toestand aan die verbinding HgBaCa2Cu3O8. By hoë druk is die waarde daarvan 134 K.
ZnO, sinkoksied, word in varistors, blou LED's, gassensors, biologiese sensors, vensterbedekkings gebruik om infrarooi lig te reflekteer, as 'n geleier in LCD's en sonpanele. dE=3,37 eV.
Laagkristalle
Dubbelverbindings soos looddijodied, galliumselenied en molibdeendisulfied word gekenmerk deur 'n gelaagde kristalstruktuur. Kovalente bindings van beduidende sterkte werk in die lae, baie sterker as die van der Waals-bindings tussen die lae self. Halfgeleiers van hierdie tipe is interessant deurdat elektrone kwasi-tweedimensioneel in lae optree. Die interaksie van die lae word verander deur die invoering van vreemde atome - interkalasie.
MoS2, molibdeendisulfied word in hoëfrekwensie-detektors, gelykrigters, memristors, transistors gebruik. dE=1.23 en 1.8 eV.
Organiese halfgeleiers
Voorbeelde van halfgeleiers gebaseer op organiese verbindings - naftaleen, poliësetileen(CH2) , antraseen, polidiasetileen, ftalosianiede, polivinielkarbasool. Organiese halfgeleiers het 'n voordeel bo anorganiese: dit is maklik om die gewenste eienskappe aan hulle oor te dra. Stowwe met gekonjugeerde bindings van die –=і=-tipe het beduidende optiese nie-lineariteit en word as gevolg hiervan in opto-elektronika gebruik. Daarbenewens word die energiediskontinuïteitsones van organiese halfgeleiers verander deur die saamgestelde formule te verander, wat baie makliker is as dié van konvensionele halfgeleiers. Kristallyne allotrope van koolstoffullereen, grafeen, nanobuise is ook halfgeleiers.
- Fullereen het 'n struktuur in die vorm van 'n konvekse geslote veelvlak van 'n ewe aantal koolstofatome. En die doping van fullereen C60 met 'n alkalimetaal verander dit in 'n supergeleier.
- Grafeen word gevorm deur 'n monatomiese laag koolstof wat in 'n tweedimensionele seskantige rooster verbind is. Dit het 'n rekord termiese geleidingsvermoë en elektronmobiliteit, hoë styfheid
- Nanobuise is grafietplate wat in 'n buis gerol word, met 'n paar nanometer in deursnee. Hierdie vorme van koolstof hou groot belofte in in nano-elektronika. Kan metaal- of halfgeleidende eienskappe vertoon, afhangende van koppeling.
Magnetiese halfgeleiers
Verbindings met magnetiese europium- en mangaanione het eienaardige magnetiese en halfgeleier-eienskappe. Voorbeelde van halfgeleiers van hierdie tipe is europiumsulfied, europiumselenied en vaste oplossings soosCd1-xMnxTe. Die inhoud van magnetiese ione beïnvloed hoe magnetiese eienskappe soos antiferromagnetisme en ferromagnetisme in stowwe gemanifesteer word. Halfmagnetiese halfgeleiers is soliede magnetiese oplossings van halfgeleiers wat magnetiese ione in 'n klein konsentrasie bevat. Sulke soliede oplossings trek aandag vanweë hul belofte en groot potensiaal vir moontlike toepassings. Byvoorbeeld, anders as nie-magnetiese halfgeleiers, kan hulle 'n miljoen keer groter Faraday-rotasie bereik.
Die sterk magneto-optiese effekte van magnetiese halfgeleiers maak dit moontlik om hulle vir optiese modulasie te gebruik. Perovskiete soos Mn0, 7Ca0, 3O3, oortref die metaal- 'n halfgeleier, waarvan die direkte afhanklikheid van die magnetiese veld die verskynsel van reuse-magnetoreweerstand tot gevolg het. Hulle word gebruik in radio-ingenieurswese, optiese toestelle wat deur 'n magnetiese veld beheer word, in golfleiers van mikrogolftoestelle.
Halfgeleier ferroelektrika
Hierdie tipe kristalle word onderskei deur die teenwoordigheid van elektriese momente daarin en die voorkoms van spontane polarisasie. Byvoorbeeld, halfgeleiers soos loodtitanaat PbTiO3, bariumtitanaat BaTiO3, germanium telluride GeTe, tin telluride SnTe, wat by lae temperature eienskappe het ferroelektriese. Hierdie materiale word gebruik in nie-lineêre optiese, geheue en piëzo-sensors.
Verskeidenheid halfgeleiermateriale
Benewens bogenoemdehalfgeleierstowwe, daar is baie ander wat nie onder enige van die gelyste tipes val nie. Verbindings van elemente volgens die formule 1-3-52 (AgGaS2) en 2-4-52 (ZnSiP2) vorm kristalle in die chalcopyriet-struktuur. Die bindings van die verbindings is viervlakkig, soortgelyk aan halfgeleiers van groepe 3–5 en 2–6 met die kristalstruktuur van sinkmengsel. Die verbindings wat die elemente van halfgeleiers van groepe 5 en 6 vorm (soos As2Se3) is halfgeleiers in die vorm van 'n kristal of glas. Bismut en antimoon chalcogenides word gebruik in halfgeleier termo-elektriese kragopwekkers. Die eienskappe van halfgeleiers van hierdie tipe is uiters interessant, maar hulle het nie gewild geword as gevolg van hul beperkte toepassing nie. Die feit dat hulle bestaan bevestig egter die bestaan van areas van halfgeleierfisika wat nog nie ten volle verken is nie.
