De meest bekende halfgeleider is silicium (Si). Maar naast hem zijn er nog vele anderen. Een voorbeeld zijn natuurlijke halfgeleidermaterialen als zinkblend (ZnS), cupriet (Cu2O), galena (PbS) en vele andere. De halfgeleiderfamilie, inclusief in het laboratorium gesynthetiseerde halfgeleiders, is een van de meest veelzijdige klassen van materialen die de mens kent.
Karakterisering van halfgeleiders
Van de 104 elementen van het periodiek systeem zijn 79 metalen, 25 niet-metalen, waarvan 13 chemische elementen halfgeleidereigenschappen hebben en 12 diëlektrisch. Het belangrijkste verschil tussen halfgeleiders is dat hun elektrische geleidbaarheid aanzienlijk toeneemt met toenemende temperatuur. Bij lage temperaturen gedragen ze zich als diëlektrica en bij hoge temperaturen gedragen ze zich als geleiders. Zo verschillen halfgeleiders van metalen: de weerstand van het metaal neemt evenredig toe met de temperatuurstijging.
Een ander verschil tussen een halfgeleider en een metaal is dat de weerstand van een halfgeleiderv alt onder invloed van licht, terwijl dit laatste het metaal niet aantast. De geleidbaarheid van halfgeleiders verandert ook wanneer een kleine hoeveelheid onzuiverheid wordt geïntroduceerd.
Halfgeleiders worden gevonden in chemische verbindingen met verschillende kristalstructuren. Dit kunnen elementen zijn zoals silicium en selenium, of binaire verbindingen zoals galliumarsenide. Veel organische verbindingen, zoals polyacetyleen (CH)n, zijn halfgeleidermaterialen. Sommige halfgeleiders vertonen magnetische (Cd1-xMnxTe) of ferro-elektrische eigenschappen (SbSI). Anderen met voldoende doping worden supergeleiders (GeTe en SrTiO3). Veel van de recent ontdekte supergeleiders voor hoge temperaturen hebben niet-metalen halfgeleidende fasen. La2CuO4 is bijvoorbeeld een halfgeleider, maar wanneer gelegeerd met Sr wordt het een supergeleider (La1-x Srx)2CuO4.
Natuurkundeboeken definiëren een halfgeleider als een materiaal met een elektrische weerstand van 10-4 tot 107 Ohm·m. Een alternatieve definitie is ook mogelijk. De band gap van een halfgeleider is van 0 tot 3 eV. Metalen en halfmetalen zijn materialen met een energieverschil van nul, en stoffen waarin het meer dan 3 eV bedraagt, worden isolatoren genoemd. Er zijn ook uitzonderingen. Halfgeleiderdiamant heeft bijvoorbeeld een bandafstand van 6 eV, semi-isolerend GaAs - 1,5 eV. GaN, een materiaal voor opto-elektronische apparaten in het blauwe gebied, heeft een band gap van 3,5 eV.
Energiekloof
De valentie-orbitalen van atomen in het kristalrooster zijn verdeeld in twee groepen van energieniveaus: de vrije zone op het hoogste niveau en die de elektrische geleidbaarheid van halfgeleiders bepa alt, en de valentieband eronder. Deze niveaus kunnen, afhankelijk van de symmetrie van het kristalrooster en de samenstelling van atomen, elkaar kruisen of op afstand van elkaar liggen. In het laatste geval ontstaat er een energiekloof of, met andere woorden, een verboden zone tussen de zones.
De locatie en vulling van de niveaus bepa alt de geleidende eigenschappen van de stof. Op basis hiervan worden stoffen onderverdeeld in geleiders, isolatoren en halfgeleiders. De bandbreedte van de halfgeleiderbandbreedte varieert binnen 0,01-3 eV, de energiekloof van het diëlektricum is groter dan 3 eV. Metalen hebben geen energiekloven vanwege overlappende niveaus.
Halfgeleiders en diëlektrica hebben, in tegenstelling tot metalen, een valentieband gevuld met elektronen, en de dichtstbijzijnde vrije band, of geleidingsband, is afgeschermd van de valentieband door een energiekloof - een gebied met verboden elektronenenergieën.
In diëlektrica is thermische energie of een onbeduidend elektrisch veld niet voldoende om een sprong door deze kloof te maken, elektronen komen niet in de geleidingsband. Ze kunnen niet langs het kristalrooster bewegen en dragers van elektrische stroom worden.
Om elektrische geleidbaarheid op te wekken, moet een elektron op het valentieniveau energie krijgen die voldoende is om de energie te overwinnengat. Alleen wanneer een hoeveelheid energie wordt geabsorbeerd die niet minder is dan de waarde van de energiekloof, zal het elektron van het valentieniveau naar het geleidingsniveau gaan.
In het geval dat de breedte van de energiekloof groter is dan 4 eV, is excitatie van de geleidbaarheid van halfgeleiders door bestraling of verwarming praktisch onmogelijk - de excitatie-energie van elektronen bij de smelttemperatuur is onvoldoende om door de energiekloofzone te springen. Bij verhitting zal het kristal smelten totdat elektronische geleiding optreedt. Deze stoffen omvatten kwarts (dE=5,2 eV), diamant (dE=5,1 eV), veel zouten.
Onzuiverheid en intrinsieke geleidbaarheid van halfgeleiders
Pure halfgeleiderkristallen hebben hun eigen geleidbaarheid. Dergelijke halfgeleiders worden intrinsiek genoemd. Een intrinsieke halfgeleider bevat evenveel gaten als vrije elektronen. Bij verhitting neemt de intrinsieke geleidbaarheid van halfgeleiders toe. Bij een constante temperatuur ontstaat een toestand van dynamisch evenwicht in het aantal gevormde elektron-gat-paren en het aantal recombinerende elektronen en gaten, die onder gegeven omstandigheden constant blijven.
De aanwezigheid van onzuiverheden heeft een aanzienlijke invloed op de elektrische geleidbaarheid van halfgeleiders. Door ze toe te voegen is het mogelijk om het aantal vrije elektronen met een klein aantal gaten sterk te vergroten en het aantal gaten met een klein aantal elektronen op geleidingsniveau te vergroten. Onzuiverheidshalfgeleiders zijn geleiders met onzuiverheidsgeleiding.
Onzuiverheden die gemakkelijk elektronen afstaan, worden donoronzuiverheden genoemd. Donoronzuiverheden kunnen chemische elementen zijn met atomen waarvan de valentieniveaus meer elektronen bevatten dan de atomen van de basissubstantie. Fosfor en bismut zijn bijvoorbeeld siliciumdonoronzuiverheden.
De energie die nodig is om een elektron in het geleidingsgebied te laten springen, wordt de activeringsenergie genoemd. Onzuivere halfgeleiders hebben er veel minder van nodig dan het basismateriaal. Bij een lichte verwarming of verlichting zijn het vooral de elektronen van de atomen van de onzuivere halfgeleiders die vrijkomen. De plaats van het elektron dat het atoom verlaat, wordt ingenomen door een gat. Maar de recombinatie van elektronen in gaten komt praktisch niet voor. De geleidbaarheid van het gat van de donor is verwaarloosbaar. Dit komt omdat het kleine aantal onzuivere atomen niet toestaat dat vrije elektronen vaak het gat naderen en het bezetten. Elektronen bevinden zich in de buurt van gaten, maar kunnen ze niet vullen vanwege een onvoldoende energieniveau.
Onbeduidende toevoeging van een donoronzuiverheid met enkele ordes van grootte verhoogt het aantal geleidingselektronen in vergelijking met het aantal vrije elektronen in de intrinsieke halfgeleider. Elektronen zijn hier de belangrijkste ladingsdragers van atomen van onzuivere halfgeleiders. Deze stoffen zijn geclassificeerd als n-type halfgeleiders.
Onzuiverheden die de elektronen van een halfgeleider binden, waardoor het aantal gaten erin toeneemt, worden acceptor genoemd. Acceptoronzuiverheden zijn chemische elementen met minder elektronen op het valentieniveau dan de basishalfgeleider. Boor, gallium, indium - acceptoronzuiverheden voor silicium.
De kenmerken van een halfgeleider hangen af van de defecten in zijn kristalstructuur. Dit is de reden voor de noodzaak om extreem zuivere kristallen te kweken. De parameters voor het geleidingsvermogen van de halfgeleiders worden geregeld door doteringen toe te voegen. Siliciumkristallen worden gedoteerd met fosfor (subgroep V-element), dat een donor is, om een n-type siliciumkristal te creëren. Om een kristal met gatengeleidbaarheid te verkrijgen, wordt een booracceptor in silicium ingebracht. Halfgeleiders met een gecompenseerd Fermi-niveau om het naar het midden van de band gap te verplaatsen, worden op een vergelijkbare manier gemaakt.
Eencellige halfgeleiders
De meest voorkomende halfgeleider is natuurlijk silicium. Samen met germanium werd het het prototype voor een brede klasse van halfgeleiders met vergelijkbare kristalstructuren.
De structuur van Si- en Ge-kristallen is dezelfde als die van diamant en α-tin. Daarin is elk atoom omgeven door 4 dichtstbijzijnde atomen, die een tetraëder vormen. Deze coördinatie wordt viervoudig genoemd. Tetra-gebonden kristallen zijn de basis geworden van de elektronica-industrie en spelen een sleutelrol in de moderne technologie. Sommige elementen van groepen V en VI van het periodiek systeem zijn ook halfgeleiders. Voorbeelden van dergelijke halfgeleiders zijn fosfor (P), zwavel (S), selenium (Se) en tellurium (Te). In deze halfgeleiders kunnen atomen een drievoudige (P), tweevoudige (S, Se, Te) of viervoudige coördinatie hebben. Als gevolg hiervan kunnen vergelijkbare elementen in verschillendekristalstructuren, en ook worden verkregen in de vorm van glas. Se is bijvoorbeeld gegroeid in monokliene en trigonale kristalstructuren of als glas (dat ook als een polymeer kan worden beschouwd).
- Diamant heeft uitstekende thermische geleidbaarheid, uitstekende mechanische en optische eigenschappen, hoge mechanische sterkte. Breedte energiespleet - dE=5,47 eV.
- Silicium is een halfgeleider die wordt gebruikt in zonnecellen en in amorfe vorm in dunnefilmzonnecellen. Het is de meest gebruikte halfgeleider in zonnecellen, is gemakkelijk te vervaardigen en heeft goede elektrische en mechanische eigenschappen. dE=1,12 eV.
- Germanium is een halfgeleider die wordt gebruikt in gammaspectroscopie, hoogwaardige fotovoltaïsche cellen. Gebruikt in de eerste diodes en transistors. Vereist minder reiniging dan siliconen. dE=0,67 eV.
- Selenium is een halfgeleider die wordt gebruikt in seleniumgelijkrichters, die een hoge stralingsweerstand en zelfherstellend vermogen hebben.
Twee-elementenverbindingen
De eigenschappen van halfgeleiders gevormd door elementen van de 3e en 4e groep van het periodiek systeem lijken op de eigenschappen van stoffen van de 4e groep. Overgang van groep 4 elementen naar verbindingen 3-4 gr. maakt de bindingen gedeeltelijk ionisch vanwege de overdracht van elektronenlading van het atoom van groep 3 naar het atoom van groep 4. Ioniciteit verandert de eigenschappen van halfgeleiders. Het is de reden voor de toename van de Coulomb-interion-interactie en de energie van de energiebandkloofelektronen structuren. Een voorbeeld van een binaire verbinding van dit type is indiumantimonide InSb, galliumarsenide GaAs, galliumantimonide GaSb, indiumfosfide InP, aluminiumantimonide AlSb, galliumfosfide GaP.
Ioniciteit neemt toe en de waarde ervan neemt nog meer toe in verbindingen van stoffen van groep 2-6, zoals cadmiumselenide, zinksulfide, cadmiumsulfide, cadmiumtelluride, zinkselenide. Dientengevolge hebben de meeste verbindingen van groepen 2-6 een bandafstand die groter is dan 1 eV, behalve kwikverbindingen. Kwiktelluride is een halfgeleider zonder energiekloof, een halfmetaal, zoals α-tin.
Groep 2-6 halfgeleiders met een grote energiekloof worden gebruikt bij de productie van lasers en displays. Binaire verbindingen van 2-6 groepen met een verkleinde energiekloof zijn geschikt voor infraroodontvangers. Binaire verbindingen van elementen van groepen 1-7 (koperbromide CuBr, zilverjodide AgI, koperchloride CuCl) hebben vanwege hun hoge ioniciteit een bandafstand groter dan 3 eV. Het zijn eigenlijk geen halfgeleiders, maar isolatoren. De toename van de verankeringsenergie van het kristal als gevolg van de Coulomb-interionische interactie draagt bij aan de structurering van steenzoutatomen met zesvoudige in plaats van kwadratische coördinatie. Verbindingen van groepen 4-6 - loodsulfide en telluride, tinsulfide - zijn ook halfgeleiders. De mate van ioniciteit van deze stoffen draagt ook bij aan de vorming van zesvoudige coördinatie. Aanzienlijke ioniciteit verhindert niet dat ze zeer smalle bandafstanden hebben, waardoor ze kunnen worden gebruikt om infraroodstraling te ontvangen. Galliumnitride - een verbinding van 3-5 groepen met een brede energiekloof, heeft toepassing gevonden in halfgeleiderslasers en LED's die in het blauwe deel van het spectrum werken.
- GaAs, galliumarsenide, is de op één na meest gebruikte halfgeleider na silicium, vaak gebruikt als substraat voor andere geleiders zoals GaInNA's en InGaAs, in IR-diodes, hoogfrequente microschakelingen en transistors, hoogrenderende zonnecellen, laserdiodes, detectoren nucleaire genezing. dE=1,43 eV, wat het mogelijk maakt om het vermogen van apparaten te vergroten in vergelijking met silicium. Breekbaar, bevat meer onzuiverheden, moeilijk te vervaardigen.
- ZnS, zinksulfide - zinkzout van hydrosulfidezuur met een bandafstand van 3,54 en 3,91 eV, gebruikt in lasers en als fosfor.
- SnS, tinsulfide - een halfgeleider die wordt gebruikt in fotoweerstanden en fotodiodes, dE=1, 3 en 10 eV.
Oxiden
Metaaloxiden zijn meestal uitstekende isolatoren, maar er zijn uitzonderingen. Voorbeelden van dergelijke halfgeleiders zijn nikkeloxide, koperoxide, kob altoxide, koperdioxide, ijzeroxide, europiumoxide, zinkoxide. Omdat koperdioxide bestaat als het mineraal cupriet, zijn de eigenschappen ervan uitgebreid onderzocht. De procedure voor het kweken van dit soort halfgeleiders is nog niet volledig begrepen, dus hun toepassing is nog beperkt. De uitzondering is zinkoxide (ZnO), een verbinding van groep 2-6 die wordt gebruikt als converter en bij de productie van plakband en pleisters.
De situatie veranderde drastisch nadat supergeleiding werd ontdekt in veel verbindingen van koper met zuurstof. EersteDe door Müller en Bednorz ontdekte hogetemperatuursupergeleider was een verbinding op basis van de halfgeleider La2CuO4 met een energiekloof van 2 eV. Door driewaardig lanthaan te vervangen door tweewaardig barium of strontium, worden ladingsdragers met gaten in de halfgeleider geïntroduceerd. Het bereiken van de vereiste concentratie gaten verandert La2CuO4 in een supergeleider. Momenteel behoort de hoogste overgangstemperatuur naar de supergeleidende toestand tot de verbinding HgBaCa2Cu3O8. Bij hoge druk is de waarde 134 K.
ZnO, zinkoxide, wordt gebruikt in varistors, blauwe LED's, gassensoren, biologische sensoren, raamcoatings om infrarood licht te reflecteren, als geleider in LCD's en zonnepanelen. dE=3.37 eV.
Laagkristallen
Dubbele verbindingen zoals looddijodide, galliumselenide en molybdeendisulfide worden gekenmerkt door een gelaagde kristalstructuur. Covalente bindingen van aanzienlijke sterkte werken in de lagen, veel sterker dan de van der Waals-bindingen tussen de lagen zelf. Dit soort halfgeleiders is interessant omdat elektronen zich quasi tweedimensionaal in lagen gedragen. De interactie van de lagen wordt veranderd door de introductie van vreemde atomen - intercalatie.
MoS2, molybdeendisulfide wordt gebruikt in hoogfrequente detectoren, gelijkrichters, memristors, transistors. dE=1,23 en 1,8 eV.
Organische halfgeleiders
Voorbeelden van halfgeleiders op basis van organische verbindingen - naftaleen, polyacetyleen(CH2) , antraceen, polydiacetyleen, ftalocyaniden, polyvinylcarbazool. Organische halfgeleiders hebben een voordeel ten opzichte van anorganische: het is gemakkelijk om ze de gewenste eigenschappen te geven. Stoffen met geconjugeerde bindingen van het type –С=С–С=hebben een significante optische niet-lineariteit en worden daarom gebruikt in de opto-elektronica. Bovendien worden de energiediscontinuïteitszones van organische halfgeleiders gewijzigd door de samengestelde formule te wijzigen, wat veel gemakkelijker is dan die van conventionele halfgeleiders. Kristallijne allotropen van koolstoffullereen, grafeen en nanobuisjes zijn ook halfgeleiders.
- Fullereen heeft een structuur in de vorm van een convex gesloten veelvlak van een even aantal koolstofatomen. En doping fullereen C60 met een alkalimetaal verandert het in een supergeleider.
- Grafeen wordt gevormd door een mono-atomaire laag koolstof die is verbonden in een tweedimensionaal hexagonaal rooster. Het heeft een record thermische geleidbaarheid en elektronenmobiliteit, hoge stijfheid
- Nanobuisjes zijn grafietplaten die tot een buis zijn gerold met een diameter van enkele nanometers. Deze vormen van koolstof zijn veelbelovend in nano-elektronica. Kan metallische of halfgeleidende eigenschappen vertonen, afhankelijk van de koppeling.
Magnetische halfgeleiders
Verbindingen met magnetische europium- en mangaanionen hebben merkwaardige magnetische en halfgeleidereigenschappen. Voorbeelden van halfgeleiders van dit type zijn europiumsulfide, europiumselenide en vaste oplossingen zoalsCd1-xMnxTe. Het geh alte aan magnetische ionen beïnvloedt hoe magnetische eigenschappen zoals antiferromagnetisme en ferromagnetisme zich manifesteren in stoffen. Halfmagnetische halfgeleiders zijn vaste magnetische oplossingen van halfgeleiders die magnetische ionen in een kleine concentratie bevatten. Dergelijke solide oplossingen trekken de aandacht vanwege hun belofte en grote potentieel voor mogelijke toepassingen. In tegenstelling tot niet-magnetische halfgeleiders kunnen ze bijvoorbeeld een miljoen keer grotere Faraday-rotatie bereiken.
De sterke magneto-optische effecten van magnetische halfgeleiders maken het mogelijk om ze te gebruiken voor optische modulatie. Perovskieten zoals Mn0, 7Ca0, 3O3, overtreffen het metaal - een halfgeleider, waarvan de directe afhankelijkheid van het magnetische veld resulteert in het fenomeen van gigantische magnetoweerstand. Ze worden gebruikt in radiotechniek, optische apparaten die worden bestuurd door een magnetisch veld, in golfgeleiders van microgolfapparaten.
Halfgeleider ferro-elektriciteit
Dit type kristallen onderscheidt zich door de aanwezigheid van elektrische momenten erin en het optreden van spontane polarisatie. Bijvoorbeeld, halfgeleiders zoals loodtitanaat PbTiO3, bariumtitanaat BaTiO3, germaniumtelluride GeTe, tintelluride SnTe, die bij lage temperaturen eigenschappen hebben ferro-elektrisch. Deze materialen worden gebruikt in niet-lineaire optische, geheugen- en piëzosensoren.
Verscheidenheid aan halfgeleidermaterialen
In aanvulling op het bovenstaandehalfgeleiderstoffen, zijn er vele andere die niet onder een van de vermelde typen vallen. Verbindingen van elementen volgens de formule 1-3-52 (AgGaS2) en 2-4-52 (ZnSiP2) vormen kristallen in de chalcopyrietstructuur. De bindingen van de verbindingen zijn tetraëdrisch, vergelijkbaar met halfgeleiders van groepen 3-5 en 2-6 met de kristalstructuur van zinkblend. De verbindingen die de elementen vormen van halfgeleiders van groepen 5 en 6 (zoals As2Se3) zijn halfgeleiders in de vorm van een kristal of glas. Bismut en antimoon chalcogeniden worden gebruikt in thermo-elektrische halfgeleidergeneratoren. De eigenschappen van dit soort halfgeleiders zijn buitengewoon interessant, maar hebben door hun beperkte toepassing niet aan populariteit gewonnen. Het feit dat ze bestaan, bevestigt echter het bestaan van gebieden van de halfgeleiderfysica die nog niet volledig zijn onderzocht.
