Separuh pengalir yang paling terkenal ialah silikon (Si). Tapi selain dia, ramai lagi yang lain. Contohnya ialah bahan semikonduktor semulajadi seperti zink blende (ZnS), cuprite (Cu2O), galena (PbS) dan lain-lain lagi. Keluarga semikonduktor, termasuk semikonduktor sintesis makmal, ialah salah satu kelas bahan yang paling serba boleh yang diketahui manusia.
Pencirian semikonduktor
Daripada 104 unsur jadual berkala, 79 adalah logam, 25 adalah bukan logam, di mana 13 unsur kimia mempunyai sifat semikonduktor dan 12 adalah dielektrik. Perbezaan utama antara semikonduktor ialah kekonduksian elektrik mereka meningkat dengan ketara dengan peningkatan suhu. Pada suhu rendah mereka berkelakuan seperti dielektrik, dan pada suhu tinggi mereka berkelakuan seperti konduktor. Beginilah cara semikonduktor berbeza daripada logam: rintangan logam meningkat mengikut kadar peningkatan suhu.
Perbezaan lain antara semikonduktor dan logam ialah rintangan semikonduktorjatuh di bawah pengaruh cahaya, manakala yang kedua tidak menjejaskan logam. Kekonduksian semikonduktor juga berubah apabila sejumlah kecil kekotoran diperkenalkan.
Semikonduktor ditemui di kalangan sebatian kimia dengan pelbagai struktur kristal. Ini boleh menjadi unsur seperti silikon dan selenium, atau sebatian binari seperti galium arsenide. Banyak sebatian organik, seperti poliasetilena (CH)n, ialah bahan semikonduktor. Sesetengah semikonduktor mempamerkan sifat magnetik (Cd1-xMnxTe) atau sifat feroelektrik (SbSI). Orang lain dengan doping yang mencukupi menjadi superkonduktor (GeTe dan SrTiO3). Kebanyakan superkonduktor suhu tinggi yang ditemui baru-baru ini mempunyai fasa semikonduktor bukan logam. Contohnya, La2CuO4 ialah semikonduktor, tetapi apabila dialoi dengan Sr ia menjadi superkonduktor (La1-x Srx)2CuO4.
Buku teks fizik mentakrifkan semikonduktor sebagai bahan dengan rintangan elektrik daripada 10-4 hingga 107 Ohm·m. Definisi alternatif juga mungkin. Jurang jalur bagi semikonduktor adalah dari 0 hingga 3 eV. Logam dan semilogam ialah bahan dengan jurang tenaga sifar, dan bahan yang melebihi 3 eV dipanggil penebat. Terdapat juga pengecualian. Contohnya, berlian semikonduktor mempunyai jurang jalur 6 eV, GaAs separa penebat - 1.5 eV. GaN, bahan untuk peranti optoelektronik di rantau biru, mempunyai jurang jalur 3.5 eV.
Jurang tenaga
Orbital valens atom dalam kekisi kristal dibahagikan kepada dua kumpulan aras tenaga - zon bebas yang terletak pada tahap tertinggi dan menentukan kekonduksian elektrik semikonduktor, dan jalur valens yang terletak di bawah. Tahap ini, bergantung pada simetri kekisi kristal dan komposisi atom, boleh bersilang atau terletak pada jarak antara satu sama lain. Dalam kes kedua, jurang tenaga atau, dengan kata lain, zon terlarang muncul di antara zon.
Lokasi dan pengisian aras menentukan sifat konduktif bahan. Atas dasar ini, bahan dibahagikan kepada konduktor, penebat dan semikonduktor. Lebar celah jalur semikonduktor berbeza dalam 0.01–3 eV, jurang tenaga dielektrik melebihi 3 eV. Logam tidak mempunyai jurang tenaga kerana tahap bertindih.
Semikonduktor dan dielektrik, berbeza dengan logam, mempunyai jalur valensi yang diisi dengan elektron, dan jalur bebas terdekat, atau jalur konduksi, dipagar dari jalur valensi oleh jurang tenaga - kawasan tenaga elektron terlarang.
Dalam dielektrik, tenaga haba atau medan elektrik yang tidak ketara tidak mencukupi untuk membuat lompatan melalui celah ini, elektron tidak memasuki jalur pengaliran. Mereka tidak dapat bergerak di sepanjang kekisi kristal dan menjadi pembawa arus elektrik.
Untuk merangsang kekonduksian elektrik, elektron pada tahap valens mesti diberi tenaga yang cukup untuk mengatasi tenagajurang. Hanya apabila menyerap sejumlah tenaga tidak kurang daripada nilai jurang tenaga, elektron akan bergerak dari tahap valens ke tahap pengaliran.
Sekiranya lebar jurang tenaga melebihi 4 eV, pengujaan kekonduksian semikonduktor melalui penyinaran atau pemanasan adalah mustahil - tenaga pengujaan elektron pada suhu lebur tidak mencukupi untuk melompat melalui zon jurang tenaga. Apabila dipanaskan, kristal akan cair sehingga pengaliran elektronik berlaku. Bahan ini termasuk kuarza (dE=5.2 eV), berlian (dE=5.1 eV), banyak garam.
Kekotoran dan kekonduksian intrinsik semikonduktor
Hablur semikonduktor tulen mempunyai kekonduksian sendiri. Semikonduktor sedemikian dipanggil intrinsik. Semikonduktor intrinsik mengandungi bilangan lubang dan elektron bebas yang sama. Apabila dipanaskan, kekonduksian intrinsik semikonduktor meningkat. Pada suhu malar, keadaan keseimbangan dinamik timbul dalam bilangan pasangan lubang elektron yang terbentuk dan bilangan elektron dan lubang yang bergabung semula, yang kekal malar dalam keadaan tertentu.
Kehadiran bendasing mempunyai kesan yang ketara terhadap kekonduksian elektrik semikonduktor. Menambahnya memungkinkan untuk meningkatkan bilangan elektron bebas dengan bilangan lubang yang kecil dan menambah bilangan lubang dengan bilangan elektron yang kecil pada tahap pengaliran. Semikonduktor kekotoran ialah konduktor dengan kekonduksian kekotoran.
Kotoran yang mudah menderma elektron dipanggil kekotoran penderma. Kekotoran penderma boleh menjadi unsur kimia dengan atom yang tahap valensnya mengandungi lebih banyak elektron daripada atom bahan asas. Contohnya, fosforus dan bismut ialah kekotoran penderma silikon.
Tenaga yang diperlukan untuk melonjakkan elektron ke dalam kawasan konduksi dipanggil tenaga pengaktifan. Semikonduktor kekotoran memerlukan lebih sedikit daripada bahan asas. Dengan pemanasan atau pencahayaan yang sedikit, kebanyakannya adalah elektron atom-atom semikonduktor kekotoran yang dibebaskan. Tempat elektron meninggalkan atom diduduki oleh lubang. Tetapi penggabungan semula elektron ke dalam lubang secara praktikalnya tidak berlaku. Kekonduksian lubang penderma boleh diabaikan. Ini kerana bilangan atom bendasing yang kecil tidak membenarkan elektron bebas sering mendekati lubang dan mendudukinya. Elektron berada berhampiran lubang, tetapi tidak dapat mengisinya kerana tahap tenaga yang tidak mencukupi.
Tambahan kekotoran penderma yang tidak ketara dengan beberapa tertib magnitud meningkatkan bilangan elektron pengaliran berbanding bilangan elektron bebas dalam semikonduktor intrinsik. Elektron di sini adalah pembawa cas utama atom semikonduktor kekotoran. Bahan ini dikelaskan sebagai semikonduktor jenis-n.
Kekotoran yang mengikat elektron semikonduktor, meningkatkan bilangan lubang di dalamnya, dipanggil penerima. Kotoran penerima ialah unsur kimia dengan elektron yang lebih sedikit pada aras valens daripada semikonduktor asas. Boron, galium, indium - penerimakekotoran untuk silikon.
Ciri-ciri semikonduktor bergantung pada kecacatan pada struktur kristalnya. Ini adalah sebab keperluan untuk mengembangkan kristal yang sangat tulen. Parameter kekonduksian semikonduktor dikawal dengan menambah dopan. Kristal silikon didop dengan fosforus (unsur subkumpulan V), yang merupakan penderma, untuk mencipta kristal silikon jenis-n. Untuk mendapatkan kristal dengan kekonduksian lubang, penerima boron dimasukkan ke dalam silikon. Semikonduktor dengan tahap Fermi pampasan untuk mengalihkannya ke tengah jurang jalur dicipta dengan cara yang sama.
Separa konduktor sel tunggal
Separa konduktor yang paling biasa ialah, sudah tentu, silikon. Bersama germanium, ia menjadi prototaip untuk kelas semikonduktor yang luas dengan struktur kristal yang serupa.
Struktur kristal Si dan Ge adalah sama seperti berlian dan α-tin. Di dalamnya, setiap atom dikelilingi oleh 4 atom terdekat, yang membentuk tetrahedron. Koordinasi ini dipanggil empat kali ganda. Kristal terikat Tetra telah menjadi asas industri elektronik dan memainkan peranan penting dalam teknologi moden. Beberapa unsur kumpulan V dan VI jadual berkala juga merupakan semikonduktor. Contoh semikonduktor jenis ini ialah fosforus (P), sulfur (S), selenium (Se) dan tellurium (Te). Dalam semikonduktor ini, atom boleh mempunyai koordinasi tiga kali ganda (P), dua kali ganda (S, Se, Te) atau empat kali ganda. Akibatnya, elemen yang serupa boleh wujud dalam beberapa yang berbezastruktur kristal, dan juga diperolehi dalam bentuk kaca. Contohnya, Se telah ditanam dalam struktur kristal monoklinik dan trigonal atau sebagai kaca (yang juga boleh dianggap sebagai polimer).
- Berlian mempunyai kekonduksian terma yang sangat baik, ciri mekanikal dan optik yang sangat baik, kekuatan mekanikal yang tinggi. Lebar jurang tenaga - dE=5.47 eV.
- Silikon ialah semikonduktor yang digunakan dalam sel suria dan dalam bentuk amorfus dalam sel suria filem nipis. Ia adalah semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam sel suria, mudah untuk dihasilkan, dan mempunyai sifat elektrik dan mekanikal yang baik. dE=1.12 eV.
- Germanium ialah semikonduktor yang digunakan dalam spektroskopi gamma, sel fotovoltaik berprestasi tinggi. Digunakan dalam diod dan transistor pertama. Memerlukan kurang pembersihan daripada silikon. dE=0.67 eV.
- Selenium ialah semikonduktor yang digunakan dalam penerus selenium, yang mempunyai rintangan sinaran yang tinggi dan keupayaan penyembuhan diri.
Sebatian dua unsur
Sifat semikonduktor yang dibentuk oleh unsur kumpulan ke-3 dan ke-4 dalam jadual berkala menyerupai sifat-sifat bahan kumpulan ke-4. Peralihan daripada unsur kumpulan 4 kepada sebatian 3–4 gr. menjadikan ikatan separa ionik kerana pemindahan cas elektron daripada atom kumpulan 3 kepada atom kumpulan 4. Keionan mengubah sifat semikonduktor. Ia adalah sebab peningkatan dalam interaksi interion Coulomb dan tenaga jurang jalur tenagastruktur elektron. Contoh sebatian binari jenis ini ialah indium antimonide InSb, gallium arsenide GaAs, gallium antimonide GaSb, indium phosphide InP, aluminium antimonide AlSb, gallium phosphide GaP.
Keionisasi meningkat, dan nilainya semakin meningkat dalam sebatian bahan kumpulan 2-6, seperti kadmium selenida, zink sulfida, kadmium sulfida, kadmium telurida, zink selenida. Akibatnya, kebanyakan sebatian kumpulan 2-6 mempunyai jurang jalur lebih lebar daripada 1 eV, kecuali sebatian merkuri. Mercury telluride ialah semikonduktor tanpa jurang tenaga, semilogam, seperti α-tin.
Kumpulan 2-6 semikonduktor dengan jurang tenaga yang besar digunakan dalam penghasilan laser dan paparan. Sambungan binari 2-6 kumpulan dengan jurang tenaga yang sempit sesuai untuk penerima inframerah. Sebatian binari unsur kumpulan 1–7 (kuprum bromida CuBr, perak iodida AgI, kuprum klorida CuCl) kerana keionannya yang tinggi mempunyai jurang jalur lebih lebar daripada 3 eV. Mereka sebenarnya bukan semikonduktor, tetapi penebat. Peningkatan tenaga penambat kristal akibat interaksi interionik Coulomb menyumbang kepada penstrukturan atom garam batu dengan koordinasi enam kali ganda dan bukannya kuadratik. Sebatian kumpulan 4–6 - plumbum sulfida dan telurida, timah sulfida - juga merupakan semikonduktor. Tahap keionisasi bahan-bahan ini juga menyumbang kepada pembentukan koordinasi enam kali ganda. Keionisasi yang ketara tidak menghalangnya daripada mempunyai jurang jalur yang sangat sempit, yang membolehkannya digunakan untuk menerima sinaran inframerah. Gallium nitride - sebatian 3-5 kumpulan dengan jurang tenaga yang luas, telah menemui aplikasi dalam semikonduktorlaser dan LED yang beroperasi di bahagian biru spektrum.
- GaAs, gallium arsenide, ialah semikonduktor kedua paling banyak digunakan selepas silikon, biasanya digunakan sebagai substrat untuk konduktor lain seperti GaInNAs dan InGaAs, dalam diod IR, litar mikro dan transistor frekuensi tinggi, sel suria berkecekapan tinggi, diod laser, pengesan penawar nuklear. dE=1.43 eV, yang memungkinkan untuk meningkatkan kuasa peranti berbanding silikon. Rapuh, mengandungi lebih banyak kekotoran, sukar untuk dihasilkan.
- ZnS, zink sulfida - garam zink asid hidrosulfida dengan jurang jalur 3.54 dan 3.91 eV, digunakan dalam laser dan sebagai fosfor.
- SnS, timah sulfida - semikonduktor yang digunakan dalam fotoperintang dan fotodiod, dE=1, 3 dan 10 eV.
Oxides
Oksid logam kebanyakannya merupakan penebat yang sangat baik, tetapi terdapat pengecualian. Contoh semikonduktor jenis ini ialah nikel oksida, kuprum oksida, kob alt oksida, kuprum dioksida, oksida besi, europium oksida, zink oksida. Oleh kerana kuprum dioksida wujud sebagai mineral cuprite, sifatnya telah dikaji secara meluas. Prosedur untuk mengembangkan semikonduktor jenis ini belum difahami sepenuhnya, jadi penggunaannya masih terhad. Pengecualian ialah zink oksida (ZnO), sebatian kumpulan 2-6 yang digunakan sebagai penukar dan dalam penghasilan pita pelekat dan plaster.
Keadaan berubah secara dramatik selepas superkonduktiviti ditemui dalam banyak sebatian kuprum dengan oksigen. PertamaSuperkonduktor suhu tinggi yang ditemui oleh Müller dan Bednorz ialah sebatian berasaskan semikonduktor La2CuO4 dengan jurang tenaga 2 eV. Dengan menggantikan lanthanum trivalen dengan barium atau strontium divalen, pembawa cas lubang dimasukkan ke dalam semikonduktor. Mencapai kepekatan lubang yang diperlukan menukar La2CuO4 menjadi superkonduktor. Pada masa ini, suhu peralihan tertinggi kepada keadaan superkonduktor tergolong dalam sebatian HgBaCa2Cu3O8. Pada tekanan tinggi, nilainya ialah 134 K.
ZnO, zink oksida, digunakan dalam varistor, LED biru, penderia gas, penderia biologi, salutan tingkap untuk memantulkan cahaya inframerah, sebagai konduktor dalam LCD dan panel solar. dE=3.37 eV.
Lapisan kristal
Sebatian berganda seperti plumbum diiodida, galium selenida dan molibdenum disulfida dicirikan oleh struktur kristal berlapis. Ikatan kovalen dengan kekuatan ketara bertindak dalam lapisan, jauh lebih kuat daripada ikatan van der Waals antara lapisan itu sendiri. Semikonduktor jenis ini menarik kerana elektron berkelakuan separa dua dimensi dalam lapisan. Interaksi lapisan diubah dengan pengenalan atom asing - interkalasi.
MoS2, molibdenum disulfida digunakan dalam pengesan frekuensi tinggi, penerus, memristor, transistor. dE=1.23 dan 1.8 eV.
Separa konduktor organik
Contoh semikonduktor berdasarkan sebatian organik - naftalena, poliasetilena(CH2) , antrasena, polidiacetilena, fthalosianida, polivinilkarbazol. Semikonduktor organik mempunyai kelebihan berbanding bukan organik: mudah untuk menyampaikan kualiti yang diingini kepada mereka. Bahan dengan ikatan terkonjugasi jenis –їїї mempunyai ketaklinear optik yang ketara dan, disebabkan ini, digunakan dalam optoelektronik. Di samping itu, zon ketakselanjaran tenaga semikonduktor organik diubah dengan menukar formula kompaun, yang lebih mudah daripada semikonduktor konvensional. Alotrop hablur karbon fullerene, graphene, tiub nano juga merupakan semikonduktor.
- Fullerene mempunyai struktur dalam bentuk polihedron tertutup cembung bilangan atom karbon genap. Dan doping fullerene C60 dengan logam alkali mengubahnya menjadi superkonduktor.
- Graphene dibentuk oleh lapisan monoatomik karbon yang disambungkan ke dalam kekisi heksagon dua dimensi. Ia mempunyai rekod kekonduksian haba dan mobiliti elektron, ketegaran tinggi
- Tiub nano ialah plat grafit yang digulung ke dalam tiub, mempunyai diameter beberapa nanometer. Bentuk karbon ini sangat menjanjikan dalam nanoelektronik. Mungkin mempamerkan kualiti logam atau separa konduktif bergantung pada gandingan.
Separa konduktor magnetik
Kompaun dengan ion europium magnetik dan mangan mempunyai sifat magnetik dan semikonduktor yang ingin tahu. Contoh semikonduktor jenis ini ialah europium sulfida, europium selenide, dan larutan pepejal sepertiCd1-xMnxTe. Kandungan ion magnetik mempengaruhi bagaimana sifat magnetik seperti antiferromagnetisme dan feromagnetisme ditunjukkan dalam bahan. Semikonduktor semimagnet ialah larutan magnet pepejal semikonduktor yang mengandungi ion magnet dalam kepekatan yang kecil. Penyelesaian pepejal sedemikian menarik perhatian kerana janjinya dan potensi besar untuk aplikasi yang mungkin. Contohnya, tidak seperti semikonduktor bukan magnetik, mereka boleh mencapai putaran Faraday sejuta kali lebih besar.
Kesan magneto-optik yang kuat bagi semikonduktor magnetik memungkinkan untuk menggunakannya untuk modulasi optik. Perovskit seperti Mn0, 7Ca0, 3O3, mengatasi logam- semikonduktor, pergantungan langsung yang mana pada medan magnet mengakibatkan fenomena rintangan magnet gergasi. Ia digunakan dalam kejuruteraan radio, peranti optik yang dikawal oleh medan magnet, dalam pandu gelombang peranti gelombang mikro.
ferroelektrik semikonduktor
Hablur jenis ini dibezakan dengan kehadiran momen elektrik di dalamnya dan berlakunya polarisasi spontan. Contohnya, semikonduktor seperti plumbum titanate PbTiO3, barium titanate BaTiO3, germanium telluride GeTe, tin telluride SnTe, yang pada suhu rendah mempunyai sifat ferroelektrik. Bahan ini digunakan dalam penderia optik, memori dan piezo bukan linear.
Pelbagai bahan semikonduktor
Selain daripada perkara di atasbahan semikonduktor, terdapat banyak lagi yang tidak termasuk di bawah mana-mana jenis yang disenaraikan. Sambungan elemen mengikut formula 1-3-52 (AgGaS2) dan 2-4-52 (ZnSiP2) membentuk kristal dalam struktur kalkopirit. Ikatan sebatian adalah tetrahedral, serupa dengan semikonduktor kumpulan 3-5 dan 2-6 dengan struktur kristal zink campuran. Sebatian yang membentuk unsur semikonduktor kumpulan 5 dan 6 (seperti As2Se3) ialah semikonduktor dalam bentuk kristal atau kaca. Bismut dan antimoni chalcogenides digunakan dalam penjana termoelektrik semikonduktor. Sifat semikonduktor jenis ini sangat menarik, tetapi mereka tidak mendapat populariti kerana aplikasinya yang terhad. Walau bagaimanapun, hakikat bahawa ia wujud mengesahkan kewujudan bidang fizik semikonduktor yang masih belum diterokai sepenuhnya.
