Slavenākais pusvadītājs ir silīcijs (Si). Bet bez viņa ir vēl daudzi citi. Kā piemēru var minēt tādus dabiskos pusvadītāju materiālus kā cinka maisījums (ZnS), kuprīts (Cu2O), galēns (PbS) un daudzi citi. Pusvadītāju saime, tostarp laboratorijā sintezētie pusvadītāji, ir viena no daudzpusīgākajām materiālu klasēm, ko cilvēki zina.
Pusvadītāju raksturojums
No 104 periodiskās tabulas elementiem 79 ir metāli, 25 ir nemetāli, no kuriem 13 ķīmiskajiem elementiem ir pusvadītāju īpašības un 12 ir dielektriski. Galvenā atšķirība starp pusvadītājiem ir tā, ka to elektriskā vadītspēja ievērojami palielinās, palielinoties temperatūrai. Zemā temperatūrā tie uzvedas kā dielektriķi, un augstā temperatūrā tie uzvedas kā vadītāji. Ar to pusvadītāji atšķiras no metāliem: metāla pretestība palielinās proporcionāli temperatūras pieaugumam.
Vēl viena atšķirība starp pusvadītāju un metālu ir tā, ka pusvadītāja pretestībanonāk gaismas ietekmē, savukārt pēdējais neietekmē metālu. Pusvadītāju vadītspēja mainās arī tad, ja tiek ievadīts neliels daudzums piemaisījumu.
Pusvadītāji ir sastopami starp ķīmiskiem savienojumiem ar dažādām kristāliskām struktūrām. Tie var būt tādi elementi kā silīcijs un selēns vai bināri savienojumi, piemēram, gallija arsenīds. Daudzi organiskie savienojumi, piemēram, poliacetilēns (CH)n, ir pusvadītāju materiāli. Dažiem pusvadītājiem piemīt magnētiskas (Cd1-xMnxTe) vai feroelektriskās īpašības (SbSI). Citi ar pietiekamu dopingu kļūst par supravadītājiem (GeTe un SrTiO3). Daudziem no nesen atklātajiem augstas temperatūras supravadītājiem ir nemetāla pusvadītāju fāzes. Piemēram, La2CuO4 ir pusvadītājs, bet, sakausējot ar Sr, tas kļūst par supravadītāju (La1-x Srx)2CuO4.
Fizikas mācību grāmatās pusvadītājs ir definēts kā materiāls ar elektrisko pretestību no 10-4 līdz 107 Ohm·m. Ir iespējama arī alternatīva definīcija. Pusvadītāja joslas sprauga ir no 0 līdz 3 eV. Metāli un pusmetāli ir materiāli ar nulles enerģijas spraugu, un vielas, kurās tā pārsniedz 3 eV, sauc par izolatoriem. Ir arī izņēmumi. Piemēram, pusvadītāju dimanta joslas sprauga ir 6 eV, pusizolācijas GaAs - 1,5 eV. GaN, materiāla optoelektroniskām ierīcēm zilajā reģionā, joslas sprauga ir 3,5 eV.
Enerģijas starpība
Atomu valences orbitāles kristāla režģī ir sadalītas divās enerģijas līmeņu grupās - brīvajā zonā, kas atrodas augstākajā līmenī un nosaka pusvadītāju elektrovadītspēju, un valences joslā, kas atrodas zemāk. Šie līmeņi atkarībā no kristāliskā režģa simetrijas un atomu sastāva var krustoties vai atrasties attālumā viens no otra. Pēdējā gadījumā starp zonām parādās enerģijas sprauga vai, citiem vārdiem sakot, aizliegtā zona.
Līmeņu atrašanās vieta un piepildījums nosaka vielas vadītspējas īpašības. Pamatojoties uz to, vielas iedala vadītājos, izolatoros un pusvadītājos. Pusvadītāju joslas spraugas platums svārstās 0,01–3 eV robežās, dielektriķa enerģijas sprauga pārsniedz 3 eV. Metāliem nav enerģijas pārrāvuma līmeņu pārklāšanās dēļ.
Pusvadītājiem un dielektriķiem, atšķirībā no metāliem, valences josla ir piepildīta ar elektroniem, un tuvākā brīvā josla jeb vadītspējas josla ir norobežota no valences joslas ar enerģijas spraugu - aizliegtu elektronu enerģiju apgabalu..
Dielektrikā ar siltumenerģiju vai nenozīmīgu elektrisko lauku nepietiek, lai veiktu lēcienu caur šo spraugu, elektroni neietilpst vadītspējas joslā. Tie nespēj pārvietoties pa kristāla režģi un kļūt par elektriskās strāvas nesējiem.
Lai ierosinātu elektrisko vadītspēju, elektronam valences līmenī ir jāpiešķir enerģija, kas būtu pietiekama enerģijas pārvarēšanaiplaisa. Tikai absorbējot enerģijas daudzumu, kas nav mazāks par enerģijas spraugas vērtību, elektrons pārvietosies no valences līmeņa uz vadīšanas līmeni.
Gadījumā, ja enerģijas spraugas platums pārsniedz 4 eV, pusvadītāju vadītspējas ierosināšana ar apstarošanu vai karsēšanu praktiski nav iespējama - elektronu ierosmes enerģija kušanas temperatūrā ir nepietiekama, lai izlēktu cauri enerģijas spraugas zonai. Sildot, kristāls izkusīs, līdz notiks elektroniskā vadītspēja. Šīs vielas ietver kvarcu (dE=5,2 eV), dimantu (dE=5,1 eV), daudzus sāļus.
Pusvadītāju piemaisījumi un iekšējā vadītspēja
Tīriem pusvadītāju kristāliem ir sava vadītspēja. Šādus pusvadītājus sauc par raksturīgiem. Iekšējā pusvadītājā ir vienāds skaits caurumu un brīvo elektronu. Sildot, pusvadītāju iekšējā vadītspēja palielinās. Pastāvīgā temperatūrā veidojas dinamiska līdzsvara stāvoklis izveidoto elektronu-caurumu pāru skaitā un rekombinējošos elektronu un caurumu skaitā, kas noteiktos apstākļos paliek nemainīgi.
Piemaisījumu klātbūtne būtiski ietekmē pusvadītāju elektrisko vadītspēju. To pievienošana ļauj ievērojami palielināt brīvo elektronu skaitu ar nelielu caurumu skaitu un palielināt caurumu skaitu ar nelielu elektronu skaitu vadītspējas līmenī. Piemaisījumu pusvadītāji ir vadītāji ar piemaisījumu vadītspēju.
Piemaisījumus, kas viegli nodod elektronus, sauc par donoru piemaisījumiem. Donoru piemaisījumi var būt ķīmiskie elementi ar atomiem, kuru valences līmeņi satur vairāk elektronu nekā bāzes vielas atomi. Piemēram, fosfors un bismuts ir silīcija donoru piemaisījumi.
Enerģiju, kas nepieciešama, lai elektronu ielektu vadīšanas zonā, sauc par aktivizācijas enerģiju. Piemaisījumu pusvadītājiem to vajag daudz mazāk nekā pamatmateriālam. Ar nelielu karsēšanu vai apgaismojumu pārsvarā tiek atbrīvoti piemaisījumu pusvadītāju atomu elektroni. Vietu, kur elektrons atstāj atomu, aizņem caurums. Bet elektronu rekombinācija caurumos praktiski nenotiek. Donora cauruma vadītspēja ir niecīga. Tas ir tāpēc, ka nelielais piemaisījumu atomu skaits neļauj brīviem elektroniem bieži tuvoties caurumam un to aizņemt. Elektroni atrodas tuvu caurumiem, taču nespēj tos aizpildīt nepietiekama enerģijas līmeņa dēļ.
Nenozīmīga donora piemaisījuma pievienošana par vairākām kārtām palielina vadītspējas elektronu skaitu salīdzinājumā ar brīvo elektronu skaitu iekšējā pusvadītājā. Elektroni šeit ir galvenie piemaisījumu pusvadītāju atomu lādiņu nesēji. Šīs vielas ir klasificētas kā n tipa pusvadītāji.
Piemaisījumus, kas saista pusvadītāja elektronus, palielinot tajā esošo caurumu skaitu, sauc par akceptoriem. Akceptora piemaisījumi ir ķīmiskie elementi, kuru valences līmenī ir mazāk elektronu nekā bāzes pusvadītājā. Bors, gallijs, indijs - akceptorspiemaisījumi silīcijam.
Pusvadītāju raksturlielumi ir atkarīgi no tā kristāla struktūras defektiem. Tas ir iemesls nepieciešamībai audzēt ārkārtīgi tīrus kristālus. Pusvadītāju vadītspējas parametrus kontrolē, pievienojot piedevas. Silīcija kristāli ir leģēti ar fosforu (V apakšgrupas elements), kas ir donors, lai izveidotu n-veida silīcija kristālu. Lai iegūtu kristālu ar caurumu vadītspēju, silīcijā ievada bora akceptoru. Pusvadītāji ar kompensētu Fermi līmeni, lai to pārvietotu uz joslas spraugas vidu, tiek izveidoti līdzīgi.
Vienšūnas pusvadītāji
Visizplatītākais pusvadītājs, protams, ir silīcijs. Kopā ar germāniju tas kļuva par prototipu plašai pusvadītāju klasei ar līdzīgām kristāla struktūrām.
Si un Ge kristālu struktūra ir tāda pati kā dimantam un α-alvai. Tajā katru atomu ieskauj 4 tuvākie atomi, kas veido tetraedru. Šo koordināciju sauc par četrkāršu. Tetra-saistīti kristāli ir kļuvuši par elektronikas nozares pamatu, un tiem ir galvenā loma mūsdienu tehnoloģijās. Daži periodiskās tabulas V un VI grupas elementi ir arī pusvadītāji. Šāda veida pusvadītāju piemēri ir fosfors (P), sērs (S), selēns (Se) un telūrs (Te). Šajos pusvadītājos atomiem var būt trīskārša (P), divkārša (S, Se, Te) vai četrkārtīga koordinācija. Tā rezultātā līdzīgi elementi var pastāvēt vairākos dažādos veidoskristāla struktūras, kā arī iegūt stikla veidā. Piemēram, Se ir audzēts monoklīniskās un trigonālās kristāla struktūrās vai kā stikls (ko var uzskatīt arī par polimēru).
- Dimantam ir lieliska siltumvadītspēja, izcilas mehāniskās un optiskās īpašības, augsta mehāniskā izturība. Enerģijas spraugas platums - dE=5,47 eV.
- Silīcijs ir pusvadītājs, ko izmanto saules baterijās un amorfā veidā plānslāņa saules baterijās. Tas ir saules baterijās visbiežāk izmantotais pusvadītājs, viegli izgatavojams, un tam ir labas elektriskās un mehāniskās īpašības. dE=1,12 eV.
- Ģermānija ir pusvadītājs, ko izmanto gamma spektroskopijā, augstas veiktspējas fotoelementu šūnās. Izmanto pirmajās diodēs un tranzistoros. Nepieciešama mazāk tīrīšana nekā silīcija. dE=0,67 eV.
- Selēns ir pusvadītājs, ko izmanto selēna taisngriežos, kuriem ir augsta starojuma izturība un pašatjaunošanās spēja.
Divu elementu savienojumi
Periodiskās tabulas 3. un 4. grupas elementu veidoto pusvadītāju īpašības līdzinās 4. grupas vielu īpašībām. Pāreja no 4. grupas elementiem uz savienojumiem 3-4 gr. padara saites daļēji jonas, pateicoties elektronu lādiņa pārnešanai no 3. grupas atoma uz 4. grupas atomu. Joniskums maina pusvadītāju īpašības. Tas ir iemesls Kulona interionu mijiedarbības un enerģijas joslas spraugas enerģijas pieaugumamelektronu struktūras. Šāda veida bināra savienojuma piemērs ir indija antimonīds InSb, gallija arsenīds GaAs, gallija antimonīds GaSb, indija fosfīds InP, alumīnija antimonīds AlSb, gallija fosfīds GaP.
Joniskums palielinās, un tā vērtība vēl vairāk pieaug 2-6 grupas vielu savienojumos, piemēram, kadmija selenīds, cinka sulfīds, kadmija sulfīds, kadmija telurīds, cinka selenīds. Tā rezultātā lielākajai daļai 2.–6. grupas savienojumu joslas sprauga ir platāka par 1 eV, izņemot dzīvsudraba savienojumus. Dzīvsudraba telurīds ir pusvadītājs bez enerģijas spraugas, pusmetāls, piemēram, α-alva.
Lāzeru un displeju ražošanā tiek izmantoti 2-6 grupas pusvadītāji ar lielu enerģijas atstarpi. Infrasarkanajiem uztvērējiem ir piemēroti 2-6 grupu binārie savienojumi ar sašaurinātu enerģijas spraugu. 1.–7. grupas elementu binārajiem savienojumiem (vara bromīds CuBr, sudraba jodīds AgI, vara hlorīds CuCl) to augstās jonitātes dēļ joslas sprauga ir platāka par 3 eV. Tie faktiski nav pusvadītāji, bet gan izolatori. Kristāla noenkurošanās enerģijas pieaugums Kulona interjonu mijiedarbības dēļ veicina akmeņsāls atomu strukturēšanu ar seškārtīgu, nevis kvadrātisku koordināciju. 4.–6. grupas savienojumi - svina sulfīds un telurīds, alvas sulfīds - arī ir pusvadītāji. Šo vielu joniskuma pakāpe arī veicina seškārtīgas koordinācijas veidošanos. Ievērojams joniskums neliedz tiem būt ļoti šaurām joslu spraugām, kas ļauj tos izmantot infrasarkanā starojuma uztveršanai. Gallija nitrīds - 3-5 grupu savienojums ar plašu enerģijas spraugu, ir atradis pielietojumu pusvadītājoslāzeri un gaismas diodes, kas darbojas spektra zilajā daļā.
- GaAs, gallija arsenīds, ir otrs visvairāk izmantotais pusvadītājs aiz silīcija, ko parasti izmanto kā substrātu citiem vadītājiem, piemēram, GaInNAs un InGaAs, IR diodēs, augstfrekvences mikroshēmās un tranzistoros, augstas efektivitātes saules baterijās., lāzerdiodes, detektori kodolārstēšana. dE=1,43 eV, kas ļauj palielināt ierīču jaudu salīdzinājumā ar silīciju. Trausls, satur vairāk piemaisījumu, grūti ražot.
- ZnS, cinka sulfīds - hidrosulfīda skābes cinka sāls ar joslu atstarpi 3,54 un 3,91 eV, izmanto lāzeros un kā fosforu.
- SnS, alvas sulfīds - pusvadītājs, ko izmanto fotorezistoros un fotodiodēs, dE=1, 3 un 10 eV.
Oksīdi
Metālu oksīdi lielākoties ir lieliski izolatori, taču ir arī izņēmumi. Šāda veida pusvadītāju piemēri ir niķeļa oksīds, vara oksīds, kob alta oksīds, vara dioksīds, dzelzs oksīds, eiropija oksīds, cinka oksīds. Tā kā vara dioksīds pastāv kā minerāls kuprīts, tā īpašības ir plaši pētītas. Šāda veida pusvadītāju audzēšanas procedūra vēl nav pilnībā izprotama, tāpēc to pielietojums joprojām ir ierobežots. Izņēmums ir cinka oksīds (ZnO), 2.–6. grupas savienojums, ko izmanto kā pārveidotāju un līmlentu un apmetumu ražošanā.
Situācija krasi mainījās pēc tam, kad daudzos vara un skābekļa savienojumos tika atklāta supravadītspēja. PirmkārtMillera un Bednorca atklātais augstas temperatūras supravadītājs bija savienojums, kura pamatā ir pusvadītājs La2CuO4 ar enerģijas atstarpi 2 eV. Aizvietojot trīsvērtīgo lantānu ar divvērtīgo bāriju vai stronciju, pusvadītājā tiek ievadīti caurumu lādiņu nesēji. Sasniedzot nepieciešamo caurumu koncentrāciju, La2CuO4 pārvēršas par supravadītāju. Šobrīd augstākā pārejas temperatūra supravadītāja stāvoklī pieder savienojumam HgBaCa2Cu3O8. Augstā spiedienā tā vērtība ir 134 K.
ZnO, cinka oksīds, tiek izmantots varistoros, zilās gaismas diodēs, gāzes sensoros, bioloģiskajos sensoros, logu pārklājumos, lai atspoguļotu infrasarkano gaismu, kā vadītājs LCD un saules paneļos. dE=3,37 eV.
Slāņa kristāli
Divkāršajiem savienojumiem, piemēram, svina dijodīdam, gallija selenīdam un molibdēna disulfīdam, ir raksturīga slāņaina kristāla struktūra. Slāņos darbojas ievērojamas stiprības kovalentās saites, kas ir daudz spēcīgākas nekā van der Vālsa saites starp pašiem slāņiem. Šāda veida pusvadītāji ir interesanti ar to, ka elektroni slāņos uzvedas gandrīz divdimensiju veidā. Slāņu mijiedarbību maina svešu atomu ievadīšana - interkalācija.
MoS2, molibdēna disulfīdu izmanto augstfrekvences detektoros, taisngriežos, memristoros, tranzistoros. dE=1,23 un 1,8 eV.
Organiskie pusvadītāji
Pusvadītāju piemēri, kuru pamatā ir organiskie savienojumi - naftalēns, poliacetilēns(CH2) , antracēns, polidiacetilēns, ftalocianīdi, polivinilkarbazols. Organiskajiem pusvadītājiem ir priekšrocības salīdzinājumā ar neorganiskiem: tiem ir viegli piešķirt vēlamās īpašības. Vielām ar konjugētām –С=С–С=tipa saitēm piemīt ievērojama optiskā nelinearitāte, un tādēļ tās tiek izmantotas optoelektronikā. Turklāt organisko pusvadītāju enerģijas pārtraukuma zonas tiek mainītas, mainot savienojuma formulu, kas ir daudz vienkāršāk nekā parastajiem pusvadītājiem. Oglekļa fullerēna, grafēna un nanocauruļu kristāliskie allotropi arī ir pusvadītāji.
- Fullerēna struktūra ir izliekta slēgta daudzskaldnis ar pāra skaitu oglekļa atomu. Un fullerēna C60 dopings ar sārmu metālu pārvērš to par supravadītāju.
- Grafēnu veido monatomisks oglekļa slānis, kas savienots divdimensiju sešstūra režģī. Tam ir rekordaugsta siltumvadītspēja un elektronu mobilitāte, augsta stingrība
- Nanocaurules ir grafīta plāksnes, kas velmētas caurulē, kuras diametrs ir daži nanometri. Šīs oglekļa formas nanoelektronikā sniedz lielu solījumu. Atkarībā no savienojuma var būt metāliskas vai pusvadošas īpašības.
Magnētiskie pusvadītāji
Savienojumiem ar magnētiskajiem eiropija un mangāna joniem ir dīvainas magnētiskās un pusvadītāju īpašības. Šāda veida pusvadītāju piemēri ir eiropija sulfīds, eiropija selenīds un cietie šķīdumi, piemēram,Cd1-xMnxTe. Magnētisko jonu saturs ietekmē to, kā vielās izpaužas magnētiskās īpašības, piemēram, antiferomagnētisms un feromagnētisms. Pusmagnētiskie pusvadītāji ir cieti pusvadītāju magnētiskie šķīdumi, kas satur magnētiskos jonus nelielā koncentrācijā. Šādi stabili risinājumi piesaista uzmanību to solījumu un lielo iespējamo pielietojumu dēļ. Piemēram, atšķirībā no nemagnētiskajiem pusvadītājiem, tie var sasniegt miljons reižu lielāku Faradeja rotāciju.
Magnētisko pusvadītāju spēcīgie magnētiskie optiskie efekti ļauj tos izmantot optiskai modulācijai. Perovskīti, piemēram, Mn0, 7Ca0, 3O3, pārspēj metālu - pusvadītāju, kuru tiešā atkarība no magnētiskā lauka rada milzu magnētiskās pretestības fenomenu. Tos izmanto radiotehnikā, optiskajās ierīcēs, kuras vada magnētiskais lauks, mikroviļņu ierīču viļņvados.
Pusvadītāju feroelektriskie elementi
Šis kristālu veids izceļas ar elektrisko momentu klātbūtni tajos un spontānas polarizācijas rašanos. Piemēram, pusvadītāji, piemēram, svina titanāts PbTiO3, bārija titanāts BaTiO3, germānija telurīds GeTe, alvas telurīds SnTe, kuriem zemā temperatūrā piemīt īpašības feroelektrisks. Šos materiālus izmanto nelineāros optiskajos, atmiņas un pjezo sensoros.
Dažādi pusvadītāju materiāli
Papildus iepriekšminētajampusvadītāju vielas, ir daudzas citas, kas neietilpst nevienā no uzskaitītajiem veidiem. Elementu savienojumi pēc formulas 1-3-52 (AgGaS2) un 2-4-52 (ZnSiP2) veido kristālus halkopirīta struktūrā. Savienojumu saites ir tetraedriskas, līdzīgas 3-5 un 2-6 grupas pusvadītājiem ar cinka maisījuma kristālisko struktūru. Savienojumi, kas veido 5. un 6. grupas pusvadītāju elementus (piemēram, As2Se3), ir pusvadītāji kristāla vai stikla formā.. Bismuta un antimona halkogenīdus izmanto pusvadītāju termoelektriskajos ģeneratoros. Šāda veida pusvadītāju īpašības ir ārkārtīgi interesantas, taču tās nav guvušas popularitāti ierobežotā pielietojuma dēļ. Tomēr fakts, ka tie pastāv, apstiprina, ka pastāv pusvadītāju fizikas jomas, kas vēl nav pilnībā izpētītas.
