Žymiausias puslaidininkis yra silicis (Si). Tačiau be jo yra daug kitų. Pavyzdžiui, tokios natūralios puslaidininkinės medžiagos kaip cinko mišinys (ZnS), kupitas (Cu2O), galenas (PbS) ir daugelis kitų. Puslaidininkių šeima, įskaitant laboratorijoje susintetintus puslaidininkius, yra viena iš universaliausių žmogui žinomų medžiagų klasių.
Puslaidininkių apibūdinimas
Iš 104 periodinės lentelės elementų 79 yra metalai, 25 yra nemetalai, iš kurių 13 cheminių elementų pasižymi puslaidininkinėmis savybėmis ir 12 yra dielektriniai. Pagrindinis skirtumas tarp puslaidininkių yra tas, kad didėjant temperatūrai jų elektrinis laidumas žymiai padidėja. Žemoje temperatūroje jie elgiasi kaip dielektrikai, o aukštoje – kaip laidininkai. Tuo puslaidininkiai skiriasi nuo metalų: metalo varža didėja proporcingai didėjant temperatūrai.
Kitas skirtumas tarp puslaidininkio ir metalo yra tas, kad puslaidininkio varžapatenka į šviesos poveikį, o pastaroji neveikia metalo. Puslaidininkių laidumas taip pat pasikeičia, kai patenka nedidelis kiekis priemaišų.
Puslaidininkių yra tarp įvairių kristalų struktūrų cheminių junginių. Tai gali būti elementai, tokie kaip silicis ir selenas, arba dvejetainiai junginiai, tokie kaip galio arsenidas. Daugelis organinių junginių, tokių kaip poliacetilenas (CH)n, , yra puslaidininkinės medžiagos. Kai kurie puslaidininkiai pasižymi magnetinėmis (Cd1-xMnxTe) arba feroelektrinėmis savybėmis (SbSI). Kiti, turintys pakankamai dopingo, tampa superlaidininkais (GeTe ir SrTiO3). Daugelis neseniai atrastų aukštos temperatūros superlaidininkų turi nemetalines puslaidininkines fazes. Pavyzdžiui, La2CuO4 yra puslaidininkis, bet lydytas Sr jis tampa superlaidininku (La1-x Srx)2CuO4.
Fizikos vadovėliuose puslaidininkis apibrėžiamas kaip medžiaga, kurios elektrinė varža yra nuo 10-4 iki 107 Ohm·m. Galimas ir alternatyvus apibrėžimas. Puslaidininkio juostos tarpas yra nuo 0 iki 3 eV. Metalai ir pusmetaliai yra medžiagos, kurių energijos tarpas yra nulinis, o medžiagos, kuriose jis viršija 3 eV, vadinamos izoliatoriais. Yra ir išimčių. Pavyzdžiui, puslaidininkinio deimanto juostos tarpas yra 6 eV, pusiau izoliuojančio GaAs - 1,5 eV. GaN, medžiagos, skirtos optoelektroniniams prietaisams mėlynojoje srityje, juostos tarpas yra 3,5 eV.
Energijos trūkumas
Atomų valentinės orbitalės kristalinėje gardelėje skirstomos į dvi energijos lygių grupes – laisvąją zoną, esančią aukščiausiame lygyje ir lemiančią puslaidininkių elektrinį laidumą, bei valentinę juostą, esančią žemiau. Šie lygiai, priklausomai nuo kristalinės gardelės simetrijos ir atomų sudėties, gali susikirsti arba būti nutolę vienas nuo kito. Pastaruoju atveju tarp zonų atsiranda energijos tarpas arba, kitaip tariant, uždrausta zona.
Lygių vieta ir užpildymas lemia medžiagos laidžiąsias savybes. Tuo remiantis medžiagos skirstomos į laidininkus, izoliatorius ir puslaidininkius. Puslaidininkio juostos plotis svyruoja 0,01–3 eV ribose, dielektriko energijos tarpas viršija 3 eV. Metalai neturi energijos spragų dėl sutampančių lygių.
Puslaidininkiai ir dielektrikai, priešingai nei metalai, turi valentinę juostą, užpildytą elektronais, o artimiausia laisva juosta arba laidumo juosta yra atskirta nuo valentinės juostos energijos tarpu – draudžiamų elektronų energijų sritimi..
Dielektrikuose šiluminės energijos arba nereikšmingo elektrinio lauko nepakanka norint peršokti per šį tarpą, elektronai nepatenka į laidumo juostą. Jie negali judėti išilgai kristalinės gardelės ir tapti elektros srovės nešėjais.
Kad sužadintų elektrinį laidumą, elektronui valentiniame lygyje turi būti suteikta energija, kurios pakaktų energijai įveiktitarpas. Tik sugerdamas energijos kiekį, ne mažesnį už energijos tarpo reikšmę, elektronas judės iš valentinio lygio į laidumo lygį.
Tuo atveju, kai energijos tarpo plotis viršija 4 eV, puslaidininkio laidumo sužadinimas apšvitinimu ar kaitinimu praktiškai neįmanomas – elektronų sužadinimo energija lydymosi temperatūroje yra nepakankama, kad peršoktų per energijos tarpo zoną. Kaitinamas, kristalas ištirps tol, kol prasidės elektroninis laidumas. Šios medžiagos apima kvarcą (dE=5,2 eV), deimantą (dE=5,1 eV), daugybę druskų.
Puslaidininkių priemaišos ir savitasis laidumas
Gryni puslaidininkiniai kristalai turi savo laidumą. Tokie puslaidininkiai vadinami vidiniais. Vidiniame puslaidininkyje yra tiek pat skylių ir laisvųjų elektronų. Kaitinant, vidinis puslaidininkių laidumas didėja. Esant pastoviai temperatūrai, susidaro dinaminės pusiausvyros būsena susidariusių elektronų skylių porų ir rekombinuojančių elektronų bei skylių skaičiui, kurie tam tikromis sąlygomis išlieka pastovūs.
Priemaišų buvimas turi didelę įtaką puslaidininkių elektriniam laidumui. Juos pridėjus, laidumo lygyje galima labai padidinti laisvųjų elektronų skaičių esant nedideliam skaičiui skylių ir padidinti skylių skaičių esant mažam elektronų skaičiui. Priemaišiniai puslaidininkiai yra laidai, turintys priemaišų laidumą.
Priemaišos, kurios lengvai atiduoda elektronus, vadinamos donorinėmis priemaišomis. Donorinės priemaišos gali būti cheminiai elementai su atomais, kurių valentingumo lygiuose yra daugiau elektronų nei pagrindinės medžiagos atomuose. Pavyzdžiui, fosforas ir bismutas yra silicio donorės priemaišos.
Energija, reikalinga elektronui peršokti į laidumo sritį, vadinama aktyvacijos energija. Priemaišiniams puslaidininkiams jo reikia daug mažiau nei pagrindinei medžiagai. Esant nedideliam kaitinimui ar apšvietimui, daugiausia išsiskiria priemaišų puslaidininkių atomų elektronai. Iš atomo išeinančio elektrono vietą užima skylė. Tačiau elektronų rekombinacija į skyles praktiškai nevyksta. Donoro skylės laidumas yra nereikšmingas. Taip yra todėl, kad mažas priemaišų atomų skaičius neleidžia laisviesiems elektronams dažnai priartėti prie skylės ir ją užimti. Elektronai yra šalia skylių, bet negali jų užpildyti dėl nepakankamo energijos lygio.
Nereikšmingas donorinės priemaišos pridėjimas keliomis eilėmis padidina laidumo elektronų skaičių, palyginti su laisvųjų elektronų skaičiumi vidiniame puslaidininkyje. Elektronai čia yra pagrindiniai priemaišinių puslaidininkių atomų krūvininkai. Šios medžiagos klasifikuojamos kaip n tipo puslaidininkiai.
Priešalos, kurios suriša puslaidininkio elektronus ir padidina jame esančių skylių skaičių, vadinamos akceptorinėmis. Akceptorių priemaišos yra cheminiai elementai, turintys mažiau elektronų valentiniame lygyje nei baziniame puslaidininkyje. Boras, galis, indis – akceptoriuspriemaišos siliciui.
Puslaidininkio charakteristikos priklauso nuo jo kristalinės struktūros defektų. Dėl šios priežasties reikia auginti itin grynus kristalus. Puslaidininkių laidumo parametrai kontroliuojami pridedant priedų. Silicio kristalai yra legiruojami fosforu (V pogrupio elementu), kuris yra donoras, kad būtų sukurtas n tipo silicio kristalas. Norint gauti kristalą su skylutiniu laidumu, į silicį įvedamas boro akceptorius. Puslaidininkiai su kompensuotu Fermi lygiu, kad jį būtų galima perkelti į juostos tarpo vidurį, sukuriami panašiai.
Vieno elemento puslaidininkiai
Žinoma, labiausiai paplitęs puslaidininkis yra silicis. Kartu su germaniu jis tapo prototipu daugeliui puslaidininkių su panašiomis kristalų struktūromis.
Si ir Ge kristalų struktūra yra tokia pati kaip deimanto ir α-alavo. Jame kiekvieną atomą supa 4 artimiausi atomai, kurie sudaro tetraedrą. Šis koordinavimas vadinamas keturgubu. Tetra surišti kristalai tapo elektronikos pramonės pagrindu ir atlieka pagrindinį vaidmenį šiuolaikinėse technologijose. Kai kurie periodinės lentelės V ir VI grupių elementai taip pat yra puslaidininkiai. Šio tipo puslaidininkių pavyzdžiai yra fosforas (P), siera (S), selenas (Se) ir telūras (Te). Šiuose puslaidininkiuose atomai gali turėti trigubą (P), dvigubą (S, Se, Te) arba keturių kartų koordinaciją. Dėl to panašūs elementai gali egzistuoti keliuose skirtinguosekristalų struktūros, taip pat gali būti gaunami stiklo pavidalu. Pavyzdžiui, Se buvo auginamas monoklininėse ir trigoninėse kristalų struktūrose arba kaip stiklas (kuris taip pat gali būti laikomas polimeru).
- Deimantas turi puikų šilumos laidumą, puikias mechanines ir optines charakteristikas, didelį mechaninį stiprumą. Energijos tarpo plotis – dE=5,47 eV.
- Silicis yra puslaidininkis, naudojamas saulės elementuose ir amorfinės formos plonasluoksniuose saulės elementuose. Tai dažniausiai saulės elementuose naudojamas puslaidininkis, lengvai gaminamas, pasižymi geromis elektrinėmis ir mechaninėmis savybėmis. dE=1,12 eV.
- Germanis yra puslaidininkis, naudojamas gama spektroskopijoje, didelio našumo fotovoltiniuose elementuose. Naudojamas pirmuosiuose dioduose ir tranzistoriuose. Valyti reikia mažiau nei siliciui. dE=0,67 eV.
- Selenas yra puslaidininkis, naudojamas seleno lygintuvuose, kurie pasižymi dideliu atsparumu spinduliuotei ir savaime gydo.
Dviejų elementų junginiai
Puslaidininkių, kuriuos sudaro periodinės lentelės 3 ir 4 grupių elementai, savybės primena 4 grupės medžiagų savybes. Perėjimas nuo 4 grupės elementų prie junginių 3–4 gr. paverčia ryšius iš dalies joniniais dėl elektronų krūvio perdavimo iš 3 grupės atomo į 4 grupės atomą. Joniškumas keičia puslaidininkių savybes. Tai yra Kulono interioninės sąveikos ir energijos juostos tarpo energijos padidėjimo priežastiselektronų struktūros. Šio tipo dvejetainio junginio pavyzdys yra indžio antimonidas InSb, galio arsenidas GaAs, galio antimonidas GaSb, indžio fosfidas InP, aliuminio antimonidas AlSb, galio fosfidas GaP.
Joniškumas didėja, o jo vertė dar labiau auga 2-6 grupių medžiagų junginiuose, tokiuose kaip kadmio selenidas, cinko sulfidas, kadmio sulfidas, kadmio teluridas, cinko selenidas. Dėl to daugumos 2–6 grupių junginių juostos tarpas yra platesnis nei 1 eV, išskyrus gyvsidabrio junginius. Gyvsidabrio teluridas yra puslaidininkis be energijos tarpo, pusmetalis, kaip α-alavas.
Lazerių ir ekranų gamyboje naudojami 2-6 grupės puslaidininkiai su dideliu energijos tarpeliu. Infraraudonųjų spindulių imtuvams tinka 2-6 grupių dvejetainės jungtys su susiaurintu energijos tarpu. Dvejetainiai 1–7 grupių elementų junginiai (vario bromidas CuBr, sidabro jodidas AgI, vario chloridas CuCl) dėl didelio joniškumo turi platesnį nei 3 eV juostos tarpą. Tiesą sakant, jie nėra puslaidininkiai, o izoliatoriai. Kristalo tvirtinimo energijos padidėjimas dėl Kulono tarpjoninės sąveikos prisideda prie akmens druskos atomų struktūrizavimo šešis kartus, o ne kvadratiniu koordinavimu. 4–6 grupių junginiai – švino sulfidas ir teluridas, alavo sulfidas – taip pat yra puslaidininkiai. Šių medžiagų joniškumo laipsnis taip pat prisideda prie šešių kartų koordinacijos susidarymo. Didelis joniškumas netrukdo jiems turėti labai siaurų juostų tarpų, todėl juos galima naudoti infraraudoniesiems spinduliams priimti. Galio nitridas - 3-5 grupių junginys, turintis didelį energijos tarpą, buvo pritaikytas puslaidininkiuoselazeriai ir šviesos diodai, veikiantys mėlynoje spektro dalyje.
- GaAs, galio arsenidas, yra antras dažniausiai naudojamas puslaidininkis po silicio, dažniausiai naudojamas kaip substratas kitiems laidininkams, pvz., GaInNAs ir InGaAs, infraraudonųjų spindulių dioduose, aukšto dažnio mikroschemose ir tranzistoriuose, didelio efektyvumo saulės elementuose., lazeriniai diodai, detektoriai branduolinis gydymas. dE=1,43 eV, o tai leidžia padidinti įrenginių galią, palyginti su siliciu. Trapus, turi daugiau priemaišų, sunku pagaminti.
- ZnS, cinko sulfidas – hidrosulfido rūgšties cinko druska, kurios juostos tarpas yra 3,54 ir 3,91 eV, naudojamas lazeriuose ir kaip fosforas.
- SnS, alavo sulfidas – puslaidininkis, naudojamas fotorezistoriuose ir fotodioduose, dE=1, 3 ir 10 eV.
Oksidai
Metalų oksidai dažniausiai yra puikūs izoliatoriai, tačiau yra ir išimčių. Šio tipo puslaidininkių pavyzdžiai yra nikelio oksidas, vario oksidas, kob alto oksidas, vario dioksidas, geležies oksidas, europio oksidas, cinko oksidas. Kadangi vario dioksidas egzistuoja kaip mineralas kupritas, jo savybės buvo nuodugniai ištirtos. Šio tipo puslaidininkių auginimo procedūra dar nėra visiškai suprantama, todėl jų pritaikymas vis dar ribotas. Išimtis yra cinko oksidas (ZnO), 2–6 grupės junginys, naudojamas kaip konverteris ir lipniųjų juostų bei tinkų gamyboje.
Padėtis labai pasikeitė po to, kai daugelyje vario ir deguonies junginių buvo aptiktas superlaidumas. PirmasMüllerio ir Bednorzo atrastas aukštos temperatūros superlaidininkas buvo junginys, sudarytas iš puslaidininkio La2CuO4, kurio energijos tarpas yra 2 eV. Trivalentį lantaną pakeitus dvivalenčiu bariu arba stronciu, į puslaidininkį įvedami skylių krūvininkai. Pasiekus reikiamą skylių koncentraciją, La2CuO4 virsta superlaidininku. Šiuo metu aukščiausia perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra priklauso junginiui HgBaCa2Cu3O8. Esant aukštam slėgiui, jo vertė yra 134 K.
ZnO, cinko oksidas, naudojamas varistorių, mėlynų šviesos diodų, dujų jutikliuose, biologiniuose jutikliuose, langų dangose, atspindinčiose infraraudonąją šviesą, kaip laidininkas LCD ir saulės kolektoriuose. dE=3,37 eV.
Sluoksniai kristalai
Dvigubi junginiai, tokie kaip švino dijodidas, galio selenidas ir molibdeno disulfidas, pasižymi sluoksniuota kristalų struktūra. Sluoksniuose veikia didelio stiprumo kovalentiniai ryšiai, daug stipresni nei van der Waals ryšiai tarp pačių sluoksnių. Šio tipo puslaidininkiai įdomūs tuo, kad elektronai sluoksniuose elgiasi beveik dvimačiai. Sluoksnių sąveiką keičia svetimų atomų įvedimas – interkalacija.
MoS2, molibdeno disulfidas naudojamas aukšto dažnio detektoriuose, lygintuvuose, memristoriuose, tranzistoriuose. dE=1,23 ir 1,8 eV.
Organiniai puslaidininkiai
Puslaidininkių, kurių pagrindą sudaro organiniai junginiai – naftalenas, poliacetilenas, pavyzdžiai(CH2) , antracenas, polidiacetilenas, ftalocianidai, polivinilkarbazolas. Organiniai puslaidininkiai turi pranašumą prieš neorganinius: jiems lengva suteikti norimas savybes. Medžiagos su konjuguotomis –С=С–С=tipo jungtimis turi didelį optinį netiesiškumą ir dėl to yra naudojamos optoelektronikoje. Be to, organinių puslaidininkių energijos nepertraukiamumo zonos keičiamos keičiant junginio formulę, o tai yra daug lengviau nei įprastinių puslaidininkių. Anglies fullereno, grafeno, nanovamzdelių kristaliniai alotropai taip pat yra puslaidininkiai.
- Fullereno struktūra yra išgaubto uždaro daugiakampio formos, sudarytos iš lyginio anglies atomų skaičiaus. O fulleno C60 dozavimas šarminiu metalu paverčia jį superlaidininku.
- Grafenas susidaro iš monoatominio anglies sluoksnio, sujungto į dvimatę šešiakampę gardelę. Jis turi rekordinį šilumos laidumą ir elektronų mobilumą, didelį standumą
- Nanovamzdeliai yra grafito plokštės, susuktos į vamzdelį, kurio skersmuo yra keli nanometrai. Šios anglies formos yra daug žadančios nanoelektronikoje. Priklausomai nuo sujungimo, gali pasižymėti metalinėmis arba pusiau laidžiomis savybėmis.
Magnetiniai puslaidininkiai
Junginiai su magnetiniais europio ir mangano jonais pasižymi keistomis magnetinėmis ir puslaidininkinėmis savybėmis. Šio tipo puslaidininkių pavyzdžiai yra europio sulfidas, europio selenidas ir kietieji tirpalai, tokie kaipCd1-xMnxTe. Magnetinių jonų kiekis įtakoja, kaip medžiagose pasireiškia tokios magnetinės savybės kaip antiferomagnetizmas ir feromagnetizmas. Puslaidininkiai yra kietieji puslaidininkių magnetiniai tirpalai, kuriuose yra nedidelės koncentracijos magnetinių jonų. Tokie solidūs sprendimai patraukia dėmesį savo perspektyvumu ir dideliu galimų pritaikymų potencialu. Pavyzdžiui, skirtingai nuo nemagnetinių puslaidininkių, jie gali pasiekti milijoną kartų didesnį Faradėjaus sukimąsi.
Stiprus magnetinių puslaidininkių magneto-optinis poveikis leidžia juos naudoti optiniam moduliavimui. Perovskitai, tokie kaip Mn0, 7Ca0, 3O3, pranoksta metalą – puslaidininkį, kurių tiesioginė priklausomybė nuo magnetinio lauko sukelia milžiniškos magnetinės varžos reiškinį. Jie naudojami radijo inžinerijoje, optiniuose įrenginiuose, valdomuose magnetiniu lauku, mikrobangų prietaisų bangolaidžiuose.
Puslaidininkinė feroelektra
Šio tipo kristalai išsiskiria tuo, kad juose yra elektros momentų ir atsiranda spontaniška poliarizacija. Pavyzdžiui, puslaidininkiai, tokie kaip švino titanatas PbTiO3, bario titanatas BaTiO3, germanio teluridas GeTe, alavo teluridas SnTe, kurie žemoje temperatūroje turi savybių feroelektrinis. Šios medžiagos naudojamos netiesiniuose optiniuose, atminties ir pjezo jutikliuose.
Įvairios puslaidininkinės medžiagos
Be to, kas išdėstyta pirmiaupuslaidininkių medžiagų, yra daug kitų, kurios nepriklauso nė vienai iš išvardytų tipų. Elementų jungtys pagal formulę 1-3-52 (AgGaS2) ir 2-4-52 (ZnSiP2) sudaro kristalus chalkopirito struktūroje. Junginių ryšiai yra tetraedriniai, panašūs į 3–5 ir 2–6 grupių puslaidininkius su cinko mišinio kristaline struktūra. Junginiai, sudarantys 5 ir 6 grupių puslaidininkių elementus (pvz., As2Se3), yra puslaidininkiai kristalo arba stiklo pavidalu.. Bismuto ir stibio chalkogenidai naudojami puslaidininkiniuose termoelektriniuose generatoriuose. Šio tipo puslaidininkių savybės yra nepaprastai įdomios, tačiau dėl riboto pritaikymo jie nesulaukė populiarumo. Tačiau faktas, kad jie egzistuoja, patvirtina, kad egzistuoja puslaidininkių fizikos sritys, kurios dar nebuvo iki galo ištirtos.
