Ang pinakatanyag na semiconductor ay silicon (Si). Pero bukod sa kanya, marami pang iba. Ang isang halimbawa ay ang mga natural na semiconductor na materyales gaya ng zinc blende (ZnS), cuprite (Cu2O), galena (PbS) at marami pang iba. Ang semiconductor family, kabilang ang laboratory-synthesized semiconductors, ay isa sa mga pinaka-versatile na klase ng mga materyales na kilala ng tao.
Characterization ng semiconductors
Sa 104 na elemento ng periodic table, 79 ay metal, 25 ay non-metal, kung saan 13 elemento ng kemikal ay may mga katangian ng semiconductor at 12 ay dielectric. Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mga semiconductor ay ang kanilang electrical conductivity ay tumataas nang malaki sa pagtaas ng temperatura. Sa mababang temperatura kumikilos sila tulad ng mga dielectric, at sa mataas na temperatura kumikilos sila tulad ng mga conductor. Ganito ang pagkakaiba ng semiconductor sa mga metal: ang resistensya ng metal ay tumataas ayon sa proporsyon ng pagtaas ng temperatura.
Ang isa pang pagkakaiba sa pagitan ng semiconductor at metal ay ang resistensya ng semiconductornahuhulog sa ilalim ng impluwensya ng liwanag, habang ang huli ay hindi nakakaapekto sa metal. Nagbabago din ang conductivity ng semiconductors kapag may maliit na halaga ng karumihan.
Ang mga semiconductor ay matatagpuan sa mga kemikal na compound na may iba't ibang istrukturang kristal. Ang mga ito ay maaaring mga elemento tulad ng silicon at selenium, o mga binary compound tulad ng gallium arsenide. Maraming mga organikong compound, tulad ng polyacetylene (CH)n, ay mga semiconductor material. Ang ilang semiconductors ay nagpapakita ng magnetic (Cd1-xMnxTe) o ferroelectric properties (SbSI). Ang iba na may sapat na doping ay nagiging superconductor (GeTe at SrTiO3). Marami sa mga kamakailang natuklasang mataas na temperatura na superconductors ay may non-metallic semiconducting phase. Halimbawa, ang La2CuO4 ay isang semiconductor, ngunit kapag pinaghalo sa Sr ito ay nagiging superconductor (La1-x Srx)2CuO4.
Ang
Physics textbooks ay tumutukoy sa semiconductor bilang isang materyal na may electrical resistance mula 10-4 hanggang 107 Ohm·m. Posible rin ang alternatibong kahulugan. Ang band gap ng isang semiconductor ay mula 0 hanggang 3 eV. Ang mga metal at semimetal ay mga materyales na may zero energy gap, at ang mga substance kung saan ito ay lumampas sa 3 eV ay tinatawag na insulators. Mayroon ding mga pagbubukod. Halimbawa, ang semiconductor diamond ay may band gap na 6 eV, semi-insulating GaAs - 1.5 eV. Ang GaN, isang materyal para sa mga optoelectronic na device sa asul na rehiyon, ay may band gap na 3.5 eV.
Energy gap
Ang mga valence orbital ng mga atom sa crystal lattice ay nahahati sa dalawang pangkat ng mga antas ng enerhiya - ang free zone na matatagpuan sa pinakamataas na antas at tinutukoy ang electrical conductivity ng semiconductors, at ang valence band na matatagpuan sa ibaba. Ang mga antas na ito, depende sa simetrya ng kristal na sala-sala at ang komposisyon ng mga atomo, ay maaaring magsalubong o matatagpuan sa isang distansya mula sa isa't isa. Sa huling kaso, lumilitaw ang isang energy gap o, sa madaling salita, isang ipinagbabawal na zone sa pagitan ng mga zone.
Ang lokasyon at pagpuno ng mga antas ay tumutukoy sa conductive properties ng substance. Sa batayan na ito, ang mga sangkap ay nahahati sa mga conductor, insulators at semiconductors. Ang lapad ng bandgap ng semiconductor ay nag-iiba sa loob ng 0.01–3 eV, ang energy gap ng dielectric ay lumampas sa 3 eV. Ang mga metal ay walang energy gaps dahil sa magkakapatong na antas.
Ang mga semiconductor at dielectric, sa kaibahan sa mga metal, ay may valence band na puno ng mga electron, at ang pinakamalapit na free band, o conduction band, ay nababakuran mula sa valence band ng isang energy gap - isang rehiyon ng ipinagbabawal na electron energies.
Sa dielectrics, thermal energy o isang maliit na electric field ay hindi sapat upang tumalon sa gap na ito, ang mga electron ay hindi pumapasok sa conduction band. Hindi sila makagalaw sa kahabaan ng kristal na sala-sala at nagiging mga carrier ng electric current.
Upang pukawin ang electrical conductivity, ang isang electron sa valence level ay dapat bigyan ng enerhiya na magiging sapat upang madaig ang enerhiyagap. Kapag sumisipsip lamang ng dami ng enerhiya na hindi bababa sa halaga ng energy gap, lilipat ang electron mula sa valence level patungo sa conduction level.
Kung ang lapad ng energy gap ay lumampas sa 4 eV, ang excitation ng semiconductor conductivity sa pamamagitan ng irradiation o heating ay halos imposible - ang excitation energy ng mga electron sa temperatura ng pagkatunaw ay hindi sapat upang tumalon sa energy gap zone. Kapag pinainit, matutunaw ang kristal hanggang sa mangyari ang electronic conduction. Kasama sa mga sangkap na ito ang quartz (dE=5.2 eV), brilyante (dE=5.1 eV), maraming asin.
Impurity at intrinsic conductivity ng semiconductors
Ang mga purong semiconductor crystal ay may sariling conductivity. Ang ganitong mga semiconductor ay tinatawag na intrinsic. Ang isang intrinsic semiconductor ay naglalaman ng pantay na bilang ng mga butas at libreng electron. Kapag pinainit, tumataas ang intrinsic conductivity ng semiconductors. Sa pare-parehong temperatura, lumilitaw ang isang estado ng dynamic na equilibrium sa bilang ng mga pares ng electron-hole na nabuo at ang bilang ng mga muling pinagsamang electron at butas, na nananatiling pare-pareho sa ilalim ng mga partikular na kondisyon.
Ang pagkakaroon ng mga impurities ay may malaking epekto sa electrical conductivity ng semiconductors. Ang pagdaragdag ng mga ito ay ginagawang posible upang lubos na madagdagan ang bilang ng mga libreng electron na may maliit na bilang ng mga butas at upang madagdagan ang bilang ng mga butas na may maliit na bilang ng mga electron sa antas ng pagpapadaloy. Ang impurity semiconductors ay mga conductor na may impurity conductivity.
Ang mga impurities na madaling mag-donate ng mga electron ay tinatawag na donor impurities. Ang mga donor impurities ay maaaring mga kemikal na elemento na may mga atomo na ang mga antas ng valence ay naglalaman ng mas maraming electron kaysa sa mga atomo ng base substance. Halimbawa, ang phosphorus at bismuth ay mga silicon donor impurities.
Ang enerhiya na kailangan para tumalon ang isang electron sa conduction region ay tinatawag na activation energy. Ang impurity semiconductors ay nangangailangan ng mas kaunti nito kaysa sa batayang materyal. Sa isang bahagyang pag-init o pag-iilaw, nakararami ang mga electron ng mga atomo ng mga semiconductor ng karumihan na pinakawalan. Ang lugar ng electron na umaalis sa atom ay inookupahan ng isang butas. Ngunit ang recombination ng mga electron sa mga butas ay halos hindi nangyayari. Ang kondaktibiti ng butas ng donor ay bale-wala. Ito ay dahil ang maliit na bilang ng mga atomo ng karumihan ay hindi nagpapahintulot ng mga libreng electron na madalas na lumapit sa butas at sakupin ito. Ang mga electron ay malapit sa mga butas, ngunit hindi nila napupunan dahil sa hindi sapat na antas ng enerhiya.
Ang hindi gaanong pagdaragdag ng isang donor impurity sa pamamagitan ng ilang mga order ng magnitude ay nagpapataas sa bilang ng mga conduction electron kumpara sa bilang ng mga libreng electron sa intrinsic semiconductor. Ang mga electron dito ay ang pangunahing tagadala ng singil ng mga atomo ng mga semiconductor ng karumihan. Ang mga substance na ito ay inuri bilang n-type semiconductors.
Ang mga dumi na nagbubuklod sa mga electron ng isang semiconductor, na nagpapataas ng bilang ng mga butas dito, ay tinatawag na acceptor. Ang mga impurities ng acceptor ay mga elemento ng kemikal na may mas kaunting mga electron sa antas ng valence kaysa sa base semiconductor. Boron, gallium, indium - acceptormga dumi para sa silicon.
Ang mga katangian ng isang semiconductor ay nakasalalay sa mga depekto sa istrukturang kristal nito. Ito ang dahilan para sa pangangailangan na lumago ang napakadalisay na mga kristal. Ang mga parameter ng kondaktibiti ng semiconductor ay kinokontrol sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga dopant. Ang mga silikon na kristal ay nilagyan ng phosphorus (subgroup V na elemento), na isang donor, upang lumikha ng isang n-type na silikon na kristal. Upang makakuha ng isang kristal na may butas na conductivity, isang boron acceptor ay ipinakilala sa silikon. Ang mga semiconductor na may bayad na antas ng Fermi upang ilipat ito sa gitna ng banda gap ay ginawa sa katulad na paraan.
Single cell semiconductors
Ang pinakakaraniwang semiconductor ay, siyempre, silicon. Kasama ang germanium, naging prototype ito para sa malawak na klase ng mga semiconductors na may katulad na mga istrukturang kristal.
Ang istraktura ng Si at Ge na mga kristal ay kapareho ng diyamante at α-tin. Sa loob nito, ang bawat atom ay napapalibutan ng 4 na pinakamalapit na atomo, na bumubuo ng isang tetrahedron. Ang koordinasyong ito ay tinatawag na quadruple. Ang mga kristal na nakagapos ng Tetra ay naging batayan ng industriya ng electronics at may mahalagang papel sa modernong teknolohiya. Ang ilang elemento ng pangkat V at VI ng periodic table ay mga semiconductor din. Ang mga halimbawa ng mga semiconductor ng ganitong uri ay phosphorus (P), sulfur (S), selenium (Se) at tellurium (Te). Sa mga semiconductor na ito, ang mga atom ay maaaring magkaroon ng tatlong-tiklop (P), dalawang-tiklop (S, Se, Te) o apat na-tiklop na koordinasyon. Bilang isang resulta, ang mga katulad na elemento ay maaaring umiral sa maraming iba't ibangmga istrukturang kristal, at makukuha rin sa anyo ng salamin. Halimbawa, ang Se ay lumaki sa monoclinic at trigonal na mga istrukturang kristal o bilang salamin (na maaari ding ituring na polymer).
- Ang brilyante ay may mahusay na thermal conductivity, mahusay na mekanikal at optical na katangian, mataas na mekanikal na lakas. Lapad ng energy gap - dE=5.47 eV.
- Ang Silicon ay isang semiconductor na ginagamit sa mga solar cell at sa amorphous form sa thin-film solar cells. Ito ang pinakaginagamit na semiconductor sa mga solar cell, madaling gawin, at may magandang electrical at mechanical properties. dE=1.12 eV.
- Ang Germanium ay isang semiconductor na ginagamit sa gamma spectroscopy, mga high-performance na photovoltaic cells. Ginamit sa mga unang diode at transistor. Nangangailangan ng mas kaunting paglilinis kaysa sa silikon. dE=0.67 eV.
- Ang Selenium ay isang semiconductor na ginagamit sa mga selenium rectifier, na may mataas na radiation resistance at self-healing ability.
Two-element compound
Ang mga katangian ng semiconductors na nabuo ng mga elemento ng ika-3 at ika-4 na pangkat ng periodic table ay kahawig ng mga katangian ng mga sangkap ng ika-4 na pangkat. Ang paglipat mula sa pangkat 4 na elemento hanggang sa mga compound na 3-4 gr. ginagawang bahagyang ionic ang mga bono dahil sa paglipat ng singil ng elektron mula sa atom ng pangkat 3 patungo sa atom ng pangkat 4. Binabago ng ionicity ang mga katangian ng semiconductors. Ito ang dahilan ng pagtaas ng interaksyon ng Coulomb at ang enerhiya ng energy band gapmga istruktura ng elektron. Ang isang halimbawa ng binary compound ng ganitong uri ay indium antimonide InSb, gallium arsenide GaAs, gallium antimonide GaSb, indium phosphide InP, aluminum antimonide AlSb, gallium phosphide GaP.
Ang ionicity ay tumataas, at ang halaga nito ay mas lumalaki sa mga compound ng mga sangkap ng mga pangkat 2-6, tulad ng cadmium selenide, zinc sulfide, cadmium sulfide, cadmium telluride, zinc selenide. Bilang resulta, karamihan sa mga compound ng mga grupo 2-6 ay may band gap na mas malawak kaysa sa 1 eV, maliban sa mga mercury compound. Ang Mercury telluride ay isang semiconductor na walang energy gap, isang semimetal, tulad ng α-tin.
Group 2-6 semiconductors na may malaking energy gap ay ginagamit sa paggawa ng mga laser at display. Ang mga binary na koneksyon ng 2-6 na grupo na may isang makitid na puwang ng enerhiya ay angkop para sa mga infrared na receiver. Ang mga binary compound ng mga elemento ng mga pangkat 1–7 (copper bromide CuBr, silver iodide AgI, copper chloride CuCl) dahil sa kanilang mataas na ionicity ay may band gap na mas malawak sa 3 eV. Ang mga ito ay talagang hindi semiconductor, ngunit insulator. Ang pagtaas ng enerhiyang naka-angkla ng kristal dahil sa interionic na interaksyon ng Coulomb ay nag-aambag sa pag-istruktura ng mga atomo ng asin sa bato na may anim na beses kaysa sa quadratic na koordinasyon. Ang mga compound ng mga pangkat 4–6 - lead sulfide at telluride, tin sulfide - ay mga semiconductor din. Ang antas ng ionicity ng mga sangkap na ito ay nag-aambag din sa pagbuo ng anim na beses na koordinasyon. Ang makabuluhang ionicity ay hindi pumipigil sa kanila na magkaroon ng napakakitid na banda gaps, na nagpapahintulot sa kanila na magamit upang makatanggap ng infrared radiation. Gallium nitride - isang tambalan ng 3-5 na grupo na may malawak na puwang ng enerhiya, ay natagpuan ang aplikasyon sa semiconductormga laser at LED na gumagana sa asul na bahagi ng spectrum.
- Ang GaAs, gallium arsenide, ay ang pangalawang pinakaginagamit na semiconductor pagkatapos ng silicon, na karaniwang ginagamit bilang substrate para sa iba pang conductor gaya ng GaInNAs at InGaAs, sa IR diodes, high-frequency microcircuits at transistors, high-efficiency solar cells, laser diodes, detector nuclear cure. dE=1.43 eV, na ginagawang posible upang madagdagan ang kapangyarihan ng mga aparato kumpara sa silikon. Marupok, naglalaman ng mas maraming dumi, mahirap gawin.
- ZnS, zinc sulfide - zinc s alt ng hydrosulfide acid na may band gap na 3.54 at 3.91 eV, na ginagamit sa mga laser at bilang isang phosphor.
- SnS, tin sulfide - isang semiconductor na ginagamit sa mga photoresistor at photodiode, dE=1, 3 at 10 eV.
Oxides
Ang mga metal oxide ay kadalasang mahuhusay na insulator, ngunit may mga pagbubukod. Ang mga halimbawa ng semiconductors ng ganitong uri ay nickel oxide, copper oxide, cob alt oxide, copper dioxide, iron oxide, europium oxide, zinc oxide. Dahil ang copper dioxide ay umiiral bilang mineral cuprite, ang mga katangian nito ay malawakang sinaliksik. Ang pamamaraan para sa lumalaking semiconductors ng ganitong uri ay hindi pa ganap na nauunawaan, kaya ang kanilang aplikasyon ay limitado pa rin. Ang pagbubukod ay zinc oxide (ZnO), isang pangkat 2-6 na tambalan na ginagamit bilang isang converter at sa paggawa ng mga adhesive tape at plaster.
Ang sitwasyon ay kapansin-pansing nagbago pagkatapos matuklasan ang superconductivity sa maraming compound ng tanso na may oxygen. UnaAng high-temperature superconductor na natuklasan nina Müller at Bednorz ay isang compound batay sa semiconductor na La2CuO4 na may energy gap na 2 eV. Sa pamamagitan ng pagpapalit ng trivalent lanthanum ng divalent barium o strontium, ang mga hole charge carrier ay ipinapasok sa semiconductor. Ang pag-abot sa kinakailangang konsentrasyon ng mga butas ay ginagawang superconductor ang La2CuO4 . Sa kasalukuyan, ang pinakamataas na temperatura ng paglipat sa superconducting state ay kabilang sa tambalang HgBaCa2Cu3O8. Sa mataas na presyon, ang halaga nito ay 134 K.
Ang
ZnO, zinc oxide, ay ginagamit sa mga varistor, asul na LED, gas sensor, biological sensor, window coatings upang ipakita ang infrared na ilaw, bilang conductor sa mga LCD at solar panel. dE=3.37 eV.
Mga layer na kristal
Double compound tulad ng lead diiodide, gallium selenide at molybdenum disulfide ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang layered crystal structure. Ang mga covalent bond na may makabuluhang lakas ay kumikilos sa mga layer, na mas malakas kaysa sa mga bono ng van der Waals sa pagitan ng mga layer mismo. Ang mga semiconductor ng ganitong uri ay kawili-wili dahil ang mga electron ay kumikilos nang quasi-two-dimensionally sa mga layer. Binago ang pakikipag-ugnayan ng mga layer sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga dayuhang atomo - intercalation.
MoS2, molybdenum disulfide ay ginagamit sa mga high-frequency detector, rectifier, memristor, transistor. dE=1.23 at 1.8 eV.
Mga organikong semiconductors
Mga halimbawa ng semiconductors batay sa mga organic compound - naphthalene, polyacetylene(CH2) , anthracene, polydiacetylene, phthalocyanides, polyvinylcarbazole. Ang mga organikong semiconductor ay may kalamangan sa mga hindi organiko: madaling ibigay sa kanila ang ninanais na mga katangian. Ang mga sangkap na may conjugated na mga bono ng uri ng –С=іє ay may makabuluhang optical nonlinearity at, dahil dito, ay ginagamit sa optoelectronics. Bilang karagdagan, ang mga discontinuity zone ng enerhiya ng mga organic semiconductors ay binago sa pamamagitan ng pagpapalit ng compound formula, na mas madali kaysa sa conventional semiconductors. Ang mga kristal na allotrope ng carbon fullerene, graphene, nanotubes ay mga semiconductor din.
- Ang Fullerene ay may istraktura sa anyo ng isang convex closed polyhedron ng kahit na bilang ng mga carbon atoms. At ang doping fullerene C60 na may alkali metal ay ginagawa itong superconductor.
- Ang graphene ay nabuo ng isang monatomic na layer ng carbon na konektado sa isang two-dimensional na hexagonal na sala-sala. Mayroon itong record na thermal conductivity at electron mobility, mataas na rigidity
- Ang mga nanotube ay mga graphite plate na pinagsama sa isang tubo, na may ilang nanometer ang diyametro. Ang mga anyo ng carbon ay may malaking pangako sa nanoelectronics. Maaaring magpakita ng mga katangiang metal o semi-conductive depende sa pagkakabit.
Magnetic semiconductors
Ang mga compound na may magnetic europium at manganese ions ay may kakaibang magnetic at semiconductor na katangian. Ang mga halimbawa ng semiconductors ng ganitong uri ay europium sulfide, europium selenide, at solidong solusyon tulad ngCd1-xMnxTe. Ang nilalaman ng mga magnetic ions ay nakakaimpluwensya kung paano ipinapakita ang mga magnetic na katangian tulad ng antiferromagnetism at ferromagnetism sa mga sangkap. Ang semimagnetic semiconductors ay mga solidong magnetic solution ng semiconductors na naglalaman ng mga magnetic ions sa isang maliit na konsentrasyon. Ang ganitong mga solid na solusyon ay nakakaakit ng pansin dahil sa kanilang pangako at malaking potensyal para sa mga posibleng aplikasyon. Halimbawa, hindi tulad ng non-magnetic semiconductors, makakamit nila ang isang milyong beses na mas mataas na Faraday rotation.
Ang malakas na magneto-optical effect ng magnetic semiconductors ay ginagawang posible na gamitin ang mga ito para sa optical modulation. Ang mga perovskite tulad ng Mn0, 7Ca0, 3O3, ay higit sa metal- isang semiconductor, ang direktang pag-asa kung saan sa magnetic field ay nagreresulta sa hindi pangkaraniwang bagay ng higanteng magnetoresistance. Ginagamit ang mga ito sa radio engineering, optical device na kinokontrol ng magnetic field, sa waveguides ng microwave device.
Semiconductor ferroelectrics
Ang ganitong uri ng mga kristal ay nakikilala sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga electric moment sa mga ito at ang paglitaw ng spontaneous polarization. Halimbawa, ang mga semiconductor gaya ng lead titanate PbTiO3, barium titanate BaTiO3, germanium telluride GeTe, tin telluride SnTe, na sa mababang temperatura ay may mga katangian ferroelectric. Ginagamit ang mga materyales na ito sa mga non-linear na optical, memory at piezo sensor.
Iba-ibang materyales ng semiconductor
Bukod pa sa nabanggitmga sangkap ng semiconductor, marami pang iba na hindi nasa ilalim ng alinman sa mga nakalistang uri. Mga koneksyon ng mga elemento ayon sa formula 1-3-52 (AgGaS2) at 2-4-52 Ang (ZnSiP2) ay bumubuo ng mga kristal sa istraktura ng chalcopyrite. Ang mga bono ng mga compound ay tetrahedral, katulad ng mga semiconductor ng mga pangkat 3-5 at 2-6 na may kristal na istraktura ng zinc blende. Ang mga compound na bumubuo sa mga elemento ng semiconductors ng mga pangkat 5 at 6 (tulad ng As2Se3) ay semiconductor sa anyo ng isang kristal o salamin. Ang bismuth at antimony chalcogenides ay ginagamit sa mga semiconductor thermoelectric generator. Ang mga katangian ng semiconductors ng ganitong uri ay lubhang kawili-wili, ngunit hindi sila nakakuha ng katanyagan dahil sa kanilang limitadong aplikasyon. Gayunpaman, ang katotohanang umiiral ang mga ito ay nagpapatunay sa pagkakaroon ng mga lugar ng semiconductor physics na hindi pa ganap na na-explore.
