Den mest berømte halvleder er silicium (Si). Men udover ham er der mange andre. Et eksempel er sådanne naturlige halvledermaterialer som zinkblanding (ZnS), cuprit (Cu2O), galena (PbS) og mange andre. Halvlederfamilien, inklusive laboratoriesyntetiserede halvledere, er en af de mest alsidige klasser af materialer, som mennesket kender.
Karakterisering af halvledere
Af de 104 grundstoffer i det periodiske system er 79 metaller, 25 er ikke-metaller, hvoraf 13 kemiske grundstoffer har halvlederegenskaber og 12 er dielektriske. Den største forskel mellem halvledere er, at deres elektriske ledningsevne stiger markant med stigende temperatur. Ved lave temperaturer opfører de sig som dielektriske stoffer, og ved høje temperaturer opfører de sig som ledere. Sådan adskiller halvledere sig fra metaller: metallets modstand stiger i forhold til temperaturstigningen.
En anden forskel mellem en halvleder og et metal er, at modstanden af en halvlederfalder under påvirkning af lys, mens sidstnævnte ikke påvirker metallet. Halvlederes ledningsevne ændres også, når der indføres en lille mængde urenheder.
Halvledere findes blandt kemiske forbindelser med en række forskellige krystalstrukturer. Disse kan være grundstoffer som silicium og selen eller binære forbindelser som galliumarsenid. Mange organiske forbindelser, såsom polyacetylen (CH)n, er halvledermaterialer. Nogle halvledere udviser magnetiske (Cd1-xMnxTe) eller ferroelektriske egenskaber (SbSI). Andre med tilstrækkelig doping bliver superledere (GeTe og SrTiO3). Mange af de nyligt opdagede højtemperatursuperledere har ikke-metalliske halvledende faser. For eksempel er La2CuO4 en halvleder, men når den er legeret med Sr, bliver den en superleder (La1-x) Srx)2CuO4.
Fysiklærebøger definerer en halvleder som et materiale med elektrisk modstand fra 10-4 til 107 Ohm·m. En alternativ definition er også mulig. Båndgabet af en halvleder er fra 0 til 3 eV. Metaller og halvmetaller er materialer med et energigab på nul, og stoffer, hvori det overstiger 3 eV, kaldes isolatorer. Der er også undtagelser. For eksempel har halvlederdiamant et båndgab på 6 eV, halvisolerende GaAs - 1,5 eV. GaN, et materiale til optoelektroniske enheder i det blå område, har et båndgab på 3,5 eV.
Energigab
Atomernes valensorbitaler i krystalgitteret er opdelt i to grupper af energiniveauer - den frie zone placeret på det højeste niveau og bestemmer den elektriske ledningsevne af halvledere, og valensbåndet placeret nedenfor. Disse niveauer kan, afhængigt af krystalgitterets symmetri og sammensætningen af atomer, skære hinanden eller være placeret i en afstand fra hinanden. I sidstnævnte tilfælde opstår der et energigab eller med andre ord en forbudt zone mellem zonerne.
Placeringen og fyldningen af niveauerne bestemmer stoffets ledende egenskaber. På dette grundlag opdeles stoffer i ledere, isolatorer og halvledere. Halvlederbåndgabets bredde varierer inden for 0,01-3 eV, energigabet af dielektrikumet overstiger 3 eV. Metaller har ikke energigab på grund af overlappende niveauer.
Halvledere og dielektrika har i modsætning til metaller et valensbånd fyldt med elektroner, og det nærmeste frie bånd eller ledningsbånd er afskærmet fra valensbåndet af et energigab - et område med forbudte elektronenergier.
I dielektrikum er termisk energi eller et ubetydeligt elektrisk felt ikke nok til at lave et spring gennem dette mellemrum, elektroner kommer ikke ind i ledningsbåndet. De er ikke i stand til at bevæge sig langs krystalgitteret og bliver bærere af elektrisk strøm.
For at excitere elektrisk ledningsevne skal en elektron på valensniveauet tilføres energi, der ville være nok til at overvinde energienhul. Kun når den absorberer en mængde energi, der ikke er mindre end værdien af energigabet, vil elektronen bevæge sig fra valensniveauet til ledningsniveauet.
I tilfælde af at bredden af energigabet overstiger 4 eV, er excitation af halvlederledningsevne ved bestråling eller opvarmning praktisk t alt umulig - excitationsenergien af elektroner ved smeltetemperaturen er utilstrækkelig til at springe gennem energigabzonen. Ved opvarmning vil krystallen smelte, indtil elektronisk ledning opstår. Disse stoffer omfatter kvarts (dE=5,2 eV), diamant (dE=5,1 eV), mange s alte.
Urenhed og iboende ledningsevne af halvledere
Rene halvlederkrystaller har deres egen ledningsevne. Sådanne halvledere kaldes iboende. En iboende halvleder indeholder lige mange huller og frie elektroner. Ved opvarmning øges halvlederes iboende ledningsevne. Ved en konstant temperatur opstår en tilstand af dynamisk ligevægt i antallet af dannede elektron-hul-par og antallet af rekombinerende elektroner og huller, som forbliver konstant under givne betingelser.
Tilstedeværelsen af urenheder har en betydelig indvirkning på den elektriske ledningsevne af halvledere. Tilføjelse af dem gør det muligt i høj grad at øge antallet af frie elektroner med et lille antal huller og at øge antallet af huller med et lille antal elektroner på ledningsniveauet. Urenhedshalvledere er ledere med urenhedskonduktivitet.
Urenheder, der nemt donerer elektroner, kaldes donorurenheder. Donorurenheder kan være kemiske grundstoffer med atomer, hvis valensniveauer indeholder flere elektroner end basisstoffets atomer. For eksempel er fosfor og vismut siliciumdonorurenheder.
Den energi, der er nødvendig for at springe en elektron ind i ledningsområdet, kaldes aktiveringsenergien. Urenhedshalvledere har brug for meget mindre af det end basismaterialet. Ved en let opvarmning eller belysning er det overvejende elektronerne i atomerne i urenhedshalvlederne, der frigives. Stedet for elektronen, der forlader atomet, er optaget af et hul. Men rekombinationen af elektroner til huller forekommer praktisk t alt ikke. Donorens hulledningsevne er ubetydelig. Dette skyldes, at det lille antal urenhedsatomer ikke tillader frie elektroner ofte at nærme sig hullet og optage det. Elektroner er tæt på huller, men er ikke i stand til at fylde dem på grund af et utilstrækkeligt energiniveau.
Ubetydelig tilføjelse af en donorurenhed med flere størrelsesordener øger antallet af ledningselektroner sammenlignet med antallet af frie elektroner i den iboende halvleder. Elektroner her er de vigtigste ladningsbærere af atomer af urenhedshalvledere. Disse stoffer er klassificeret som n-type halvledere.
Urenheder, der binder elektronerne i en halvleder, hvilket øger antallet af huller i den, kaldes acceptor. Acceptorurenheder er kemiske grundstoffer med færre elektroner på valensniveauet end basishalvlederen. Bor, gallium, indium - acceptorurenheder til silicium.
En halvleders egenskaber afhænger af defekterne i dens krystalstruktur. Dette er grunden til behovet for at dyrke ekstremt rene krystaller. Halvlederkonduktivitetsparametrene styres ved at tilføje dopingmidler. Siliciumkrystaller er doteret med phosphor (undergruppe V-element), som er en donor, for at skabe en n-type siliciumkrystal. For at opnå en krystal med hulledningsevne indføres en boracceptor i silicium. Halvledere med et kompenseret Fermi-niveau for at flytte det til midten af båndgabet oprettes på lignende måde.
Enkeltcellede halvledere
Den mest almindelige halvleder er selvfølgelig silicium. Sammen med germanium blev det prototypen for en bred klasse af halvledere med lignende krystalstrukturer.
Strukturen af Si- og Ge-krystaller er den samme som for diamant og α-tin. I den er hvert atom omgivet af 4 nærmeste atomer, som danner et tetraeder. Denne koordination kaldes firdobbelt. Tetrabundne krystaller er blevet grundlaget for elektronikindustrien og spiller en nøglerolle i moderne teknologi. Nogle elementer i gruppe V og VI i det periodiske system er også halvledere. Eksempler på halvledere af denne type er fosfor (P), svovl (S), selen (Se) og tellur (Te). I disse halvledere kan atomer have tre gange (P), to gange (S, Se, Te) eller fire gange koordination. Som et resultat kan lignende elementer eksistere i flere forskelligekrystalstrukturer, og også opnås i form af glas. For eksempel er Se blevet dyrket i monokliniske og trigonale krystalstrukturer eller som glas (som også kan betragtes som en polymer).
- Diamant har fremragende termisk ledningsevne, fremragende mekaniske og optiske egenskaber, høj mekanisk styrke. Energigabets bredde - dE=5,47 eV.
- Silicium er en halvleder, der bruges i solceller og i amorf form i tyndfilmssolceller. Det er den mest brugte halvleder i solceller, nem at fremstille og har gode elektriske og mekaniske egenskaber. dE=1,12 eV.
- Germanium er en halvleder, der bruges i gammaspektroskopi, højtydende fotovoltaiske celler. Brugt i de første dioder og transistorer. Kræver mindre rengøring end silicium. dE=0,67 eV.
- Selen er en halvleder, der bruges i selen ensrettere, som har høj strålingsmodstand og selvhelbredende evne.
To-elementforbindelser
Egenskaberne af halvledere dannet af elementer i 3. og 4. gruppe i det periodiske system ligner egenskaberne for stoffer i 4. gruppe. Overgang fra gruppe 4 grundstoffer til forbindelser 3–4 gr. gør bindingerne delvist ioniske på grund af overførsel af elektronladning fra atomet i gruppe 3 til atomet i gruppe 4. Ionicitet ændrer egenskaberne af halvledere. Det er årsagen til stigningen i Coulomb-interion-interaktionen og energien i energibåndgabetelektronstrukturer. Et eksempel på en binær forbindelse af denne type er indiumantimonid InSb, galliumarsenid GaAs, galliumantimonid GaSb, indiumphosphid InP, aluminiumantimonid AlSb, galliumphosphid GaP.
Ioniciteten stiger, og dens værdi vokser endnu mere i forbindelser af stoffer i gruppe 2-6, såsom cadmiumselenid, zinksulfid, cadmiumsulfid, cadmiumtellurid, zinkselenid. Som et resultat heraf har de fleste forbindelser i gruppe 2-6 et båndgab, der er bredere end 1 eV, undtagen kviksølvforbindelser. Kviksølvtellurid er en halvleder uden et energigab, et halvmetal, som α-tin.
Gruppe 2-6 halvledere med et stort energigab bruges til produktion af lasere og skærme. Binære forbindelser på 2-6 grupper med et indsnævret energigab er velegnet til infrarøde modtagere. Binære forbindelser af grundstoffer i gruppe 1-7 (kobberbromid CuBr, sølviodid AgI, kobberchlorid CuCl) har på grund af deres høje ionicitet et båndgab bredere end 3 eV. De er faktisk ikke halvledere, men isolatorer. Stigningen i krystallens forankringsenergi på grund af Coulomb interioniske interaktion bidrager til struktureringen af stens altatomer med seksdobbelt snarere end kvadratisk koordination. Forbindelser i gruppe 4-6 - blysulfid og tellurid, tinsulfid - er også halvledere. Graden af ionicitet af disse stoffer bidrager også til dannelsen af seks gange koordination. Betydelig ionicitet forhindrer dem ikke i at have meget smalle båndgab, som gør det muligt at bruge dem til at modtage infrarød stråling. Galliumnitrid - en forbindelse af 3-5 grupper med et stort energigab, har fundet anvendelse i halvlederelasere og LED'er, der fungerer i den blå del af spektret.
- GaAs, galliumarsenid, er den næstmest anvendte halvleder efter silicium, almindeligvis brugt som et substrat for andre ledere såsom GaInNAs og InGaAs, i IR dioder, højfrekvente mikrokredsløb og transistorer, højeffektive solceller, laserdioder, detektorer nuklear kur. dE=1,43 eV, hvilket gør det muligt at øge enheders kraft sammenlignet med silicium. Skrøbelig, indeholder flere urenheder, svær at fremstille.
- ZnS, zinksulfid - zinks alt af hydrosulfidsyre med et båndgab på 3,54 og 3,91 eV, brugt i lasere og som fosfor.
- SnS, tinsulfid - en halvleder brugt i fotomodstande og fotodioder, dE=1, 3 og 10 eV.
Oxider
Metaloxider er for det meste fremragende isolatorer, men der er undtagelser. Eksempler på halvledere af denne type er nikkeloxid, kobberoxid, koboltoxid, kobberdioxid, jernoxid, europiumoxid, zinkoxid. Da kobberdioxid eksisterer som mineralet cuprit, er dets egenskaber blevet grundigt undersøgt. Proceduren for dyrkning af halvledere af denne type er endnu ikke fuldt ud forstået, så deres anvendelse er stadig begrænset. Undtagelsen er zinkoxid (ZnO), en gruppe 2-6-forbindelse, der bruges som konverter og til fremstilling af klæbebånd og plastre.
Situationen ændrede sig dramatisk, efter at superledning blev opdaget i mange forbindelser af kobber med oxygen. FørstHøjtemperatur-superlederen opdaget af Müller og Bednorz var en forbindelse baseret på halvlederen La2CuO4 med et energigab på 2 eV. Ved at erstatte trivalent lanthan med divalent barium eller strontium indføres hulladningsbærere i halvlederen. Når den nødvendige koncentration af huller nås, bliver La2CuO4 til en superleder. På nuværende tidspunkt tilhører den højeste overgangstemperatur til den superledende tilstand forbindelsen HgBaCa2Cu3O8. Ved højtryk er dens værdi 134 K.
ZnO, zinkoxid, bruges i varistorer, blå LED'er, gassensorer, biologiske sensorer, vinduesbelægninger til at reflektere infrarødt lys, som en leder i LCD'er og solpaneler. dE=3,37 eV.
Lagkrystaller
Dobbeltforbindelser som blydiiodid, galliumselenid og molybdændisulfid er karakteriseret ved en lagdelt krystalstruktur. Kovalente bindinger af betydelig styrke virker i lagene, meget stærkere end van der Waals-bindingerne mellem lagene selv. Halvledere af denne type er interessante ved, at elektroner opfører sig kvasi-todimensionelt i lag. Lagenes vekselvirkning ændres ved indførelsen af fremmede atomer - interkalation.
MoS2, molybdændisulfid bruges i højfrekvente detektorer, ensrettere, memristorer, transistorer. dE=1,23 og 1,8 eV.
Organiske halvledere
Eksempler på halvledere baseret på organiske forbindelser - naphthalen, polyacetylen(CH2) , anthracen, polydiacetylen, phthalocyanider, polyvinylcarbazol. Organiske halvledere har en fordel i forhold til uorganiske: det er nemt at give dem de ønskede kvaliteter. Stoffer med konjugerede bindinger af typen –С=іС=har betydelig optisk ikke-linearitet og bruges på grund af dette i optoelektronik. Derudover ændres energidiskontinuitetszonerne for organiske halvledere ved at ændre den sammensatte formel, hvilket er meget lettere end konventionelle halvlederes. Krystallinske allotroper af kulstoffulleren, grafen, nanorør er også halvledere.
- Fulleren har en struktur i form af et konveks lukket polyeder med et lige antal carbonatomer. Og doping af fulleren C60 med et alkalimetal gør det til en superleder.
- Grafen er dannet af et monoatomisk lag af kulstof forbundet til et todimension alt sekskantet gitter. Den har rekord varmeledningsevne og elektronmobilitet, høj stivhed
- Nanorør er grafitplader rullet ind i et rør med nogle få nanometer i diameter. Disse former for kulstof lover meget i nanoelektronik. Kan udvise metalliske eller halvledende egenskaber afhængigt af kobling.
Magnetiske halvledere
Forbindelser med magnetisk europium og manganioner har mærkelige magnetiske egenskaber og halvlederegenskaber. Eksempler på halvledere af denne type er europiumsulfid, europiumselenid og faste opløsninger som f.eks. Cd1-xMnxTe. Indholdet af magnetiske ioner har indflydelse på, hvordan magnetiske egenskaber som antiferromagnetisme og ferromagnetisme kommer til udtryk i stoffer. Halvmagnetiske halvledere er faste magnetiske opløsninger af halvledere, der indeholder magnetiske ioner i en lille koncentration. Sådanne solide løsninger tiltrækker opmærksomhed på grund af deres løfte og store potentiale for mulige anvendelser. I modsætning til ikke-magnetiske halvledere kan de f.eks. opnå en million gange større Faraday-rotation.
De stærke magneto-optiske effekter af magnetiske halvledere gør det muligt at bruge dem til optisk modulation. Perovskites som Mn0, 7Ca0, 3O3, overgår metallet - en halvleder, hvis direkte afhængighed af magnetfeltet resulterer i fænomenet gigantisk magnetoresistens. De bruges i radioteknik, optiske enheder, der styres af et magnetfelt, i bølgeledere af mikrobølgeenheder.
Halvlederferroelektrik
Denne type krystaller er kendetegnet ved tilstedeværelsen af elektriske momenter i dem og forekomsten af spontan polarisering. For eksempel halvledere som blytitanat PbTiO3, bariumtitanat BaTiO3, germanium telluride GeTe, tintelluride SnTe, som ved lave temperaturer har egenskaber ferroelektrisk. Disse materialer bruges i ikke-lineære optiske, hukommelses- og piezosensorer.
Forskellige halvledermaterialer
Ud over ovenståendehalvlederstoffer, er der mange andre, der ikke falder ind under nogen af de anførte typer. Forbindelser af elementer i henhold til formlen 1-3-52 (AgGaS2) og 2-4-52 (ZnSiP2) danner krystaller i chalcopyritstrukturen. Bindingerne af forbindelserne er tetraedriske, svarende til halvledere i gruppe 3-5 og 2-6 med krystalstrukturen af zinkblanding. De forbindelser, der danner grundstofferne i halvledere i gruppe 5 og 6 (som As2Se3) er halvledere i form af en krystal eller et glas. Bismuth- og antimonchalcogenider bruges i termoelektriske halvledergeneratorer. Egenskaberne ved halvledere af denne type er ekstremt interessante, men de har ikke vundet popularitet på grund af deres begrænsede anvendelse. Det faktum, at de eksisterer, bekræfter imidlertid eksistensen af områder inden for halvlederfysik, som endnu ikke er fuldt ud undersøgt.
