En ünlü yarı iletken silikondur (Si). Ama onun dışında daha niceleri var. Bir örnek, çinko blende (ZnS), kuprit (Cu2O), galen (PbS) ve diğerleri gibi doğal yarı iletken malzemelerdir. Laboratuvarda sentezlenen yarı iletkenler de dahil olmak üzere yarı iletken ailesi, insanoğlunun bildiği en çok yönlü malzeme sınıflarından biridir.
Yarı iletkenlerin karakterizasyonu
Periyodik tablonun 104 elementinden 79'u metal, 25'i metal olmayan, 13'ü yarı iletken özelliklere sahip kimyasal element ve 12'si dielektriktir. Yarı iletkenler arasındaki temel fark, artan sıcaklıkla elektriksel iletkenliklerinin önemli ölçüde artmasıdır. Düşük sıcaklıklarda dielektrik gibi davranırlar ve yüksek sıcaklıklarda iletkenler gibi davranırlar. Yarı iletkenlerin metallerden farkı budur: Metalin direnci sıcaklıktaki artışla orantılı olarak artar.
Yarı iletken ile metal arasındaki diğer bir fark, yarı iletkenin direncidir.ışığın etkisi altına girerken, ikincisi metali etkilemez. Yarı iletkenlerin iletkenliği, az miktarda safsızlık eklendiğinde de değişir.
Yarı iletkenler, çeşitli kristal yapılara sahip kimyasal bileşikler arasında bulunur. Bunlar silikon ve selenyum gibi elementler veya galyum arsenit gibi ikili bileşikler olabilir. Poliasetilen (CH)n, gibi birçok organik bileşik yarı iletken malzemelerdir. Bazı yarı iletkenler manyetik (Cd1-xMnxTe) veya ferroelektrik özellikler (SbSI) sergiler. Yeterli dopinge sahip diğerleri süper iletken olurlar (GeTe ve SrTiO3). Yakın zamanda keşfedilen yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin çoğu, metalik olmayan yarı iletken fazlara sahiptir. Örneğin, La2CuO4 bir yarı iletkendir, ancak Sr ile alaşımlandığında süper iletken olur (La1-x Srx)2CuO4.
Fizik ders kitapları yarı iletkeni 10-4 ile 107 Ohm·m arasında elektrik direnci olan bir malzeme olarak tanımlar. Alternatif bir tanım da mümkündür. Bir yarı iletkenin bant aralığı 0 ila 3 eV arasındadır. Metaller ve yarı metaller sıfır enerji boşluğuna sahip malzemelerdir ve 3 eV'yi aşan maddelere yalıtkan denir. İstisnalar da var. Örneğin, yarı iletken elmas, 6 eV'lik bir bant aralığına, yarı yalıtkan GaAs - 1.5 eV'ye sahiptir. Mavi bölgedeki optoelektronik cihazlar için bir malzeme olan GaN, 3.5 eV'lik bir bant aralığına sahiptir.
Enerji boşluğu
Kristal örgüdeki atomların değerlik orbitalleri, en üst düzeyde bulunan ve yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliğini belirleyen serbest bölge ve aşağıda bulunan değerlik bandı olmak üzere iki enerji düzeyi grubuna ayrılır. Bu seviyeler, kristal kafesin simetrisine ve atomların bileşimine bağlı olarak kesişebilir veya birbirinden uzakta bulunabilir. İkinci durumda, bölgeler arasında bir enerji boşluğu veya başka bir deyişle yasak bir bölge belirir.
Seviyelerin yeri ve doldurulması maddenin iletken özelliklerini belirler. Bu temelde, maddeler iletkenlere, yalıtkanlara ve yarı iletkenlere ayrılır. Yarı iletken bant aralığı genişliği 0,01–3 eV arasında değişir, dielektrik enerji aralığı 3 eV'yi aşar. Metaller, örtüşen seviyeler nedeniyle enerji boşluklarına sahip değildir.
Yarı iletkenler ve dielektrikler, metallerin aksine, elektronlarla dolu bir değerlik bandına sahiptir ve en yakın serbest bant veya iletim bandı, değerlik bandından bir enerji boşluğu ile çevrilidir - yasak elektron enerjilerinin bulunduğu bir bölge.
Dielektriklerde, termal enerji veya önemsiz bir elektrik alanı bu boşluktan atlamak için yeterli değildir, elektronlar iletim bandına girmez. Kristal kafes boyunca hareket edemezler ve elektrik akımının taşıyıcıları haline gelemezler.
Elektriksel iletkenliği uyarmak için değerlik seviyesindeki bir elektrona, enerjinin üstesinden gelmeye yetecek kadar enerji verilmelidir.açıklık. Sadece enerji aralığının değerinden daha az olmayan bir miktarda enerji emildiğinde, elektron değerlik seviyesinden iletim seviyesine hareket edecektir.
Enerji aralığının genişliğinin 4 eV'yi aşması durumunda, yarı iletken iletkenliğinin ışınlama veya ısıtma yoluyla uyarılması pratik olarak imkansızdır - elektronların erime sıcaklığındaki uyarma enerjisi, enerji aralığı bölgesinden atlamak için yetersizdir. Isıtıldığında, kristal elektronik iletim oluşana kadar erir. Bu maddeler kuvars (dE=5.2 eV), elmas (dE=5.1 eV), birçok tuz içerir.
Yarı iletkenlerin safsızlığı ve içsel iletkenliği
Saf yarı iletken kristallerin kendi iletkenlikleri vardır. Bu tür yarı iletkenlere intrinsik denir. Bir içsel yarı iletken, eşit sayıda delik ve serbest elektron içerir. Isıtıldığında, yarı iletkenlerin içsel iletkenliği artar. Sabit bir sıcaklıkta, oluşan elektron-boşluk çiftlerinin sayısında ve belirli koşullar altında sabit kalan yeniden birleşen elektronların ve deliklerin sayısında dinamik bir denge durumu ortaya çıkar.
Yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği üzerinde safsızlıkların varlığı önemli bir etkiye sahiptir. Bunları eklemek, az sayıda delikle serbest elektron sayısını büyük ölçüde artırmayı ve iletim düzeyinde az sayıda elektronla delik sayısını artırmayı mümkün kılar. Kirlilik yarı iletkenleri, safsızlık iletkenliğine sahip iletkenlerdir.
Elektronları kolayca veren safsızlıklara donör safsızlıkları denir. Verici safsızlıklar, değerlik seviyeleri baz maddenin atomlarından daha fazla elektron içeren atomlara sahip kimyasal elementler olabilir. Örneğin, fosfor ve bizmut silikon donör safsızlıklarıdır.
Bir elektronu iletim bölgesine atlamak için gereken enerjiye aktivasyon enerjisi denir. Safsızlık yarı iletkenleri, temel malzemeden çok daha azına ihtiyaç duyar. Hafif bir ısıtma veya aydınlatma ile, ağırlıklı olarak salınan safsızlık yarı iletkenlerinin atomlarının elektronlarıdır. Elektronun atomdan ayrıldığı yeri bir boşluk kaplar. Ancak elektronların deliklere yeniden birleşmesi pratikte gerçekleşmez. Vericinin delik iletkenliği ihmal edilebilir. Bunun nedeni, az sayıdaki safsızlık atomunun, serbest elektronların genellikle deliğe yaklaşmasına ve onu işgal etmesine izin vermemesidir. Elektronlar deliklerin yakınındadır, ancak yetersiz enerji seviyesi nedeniyle onları dolduramazlar.
Bir donör safsızlığının birkaç büyüklük mertebesi kadar önemsiz eklenmesi, içsel yarı iletkendeki serbest elektronların sayısına kıyasla iletim elektronlarının sayısını artırır. Buradaki elektronlar, safsızlık yarı iletkenlerinin atomlarının ana yük taşıyıcılarıdır. Bu maddeler n-tipi yarı iletkenler olarak sınıflandırılır.
Yarı iletkenin elektronlarını bağlayan ve içindeki delik sayısını artıran safsızlıklara alıcı denir. Alıcı safsızlıklar, temel yarı iletkenden değerlik düzeyinde daha az elektrona sahip kimyasal elementlerdir. Bor, galyum, indiyum - alıcısilikon için safsızlıklar.
Yarı iletkenin özellikleri, kristal yapısındaki kusurlara bağlıdır. Son derece saf kristaller yetiştirme ihtiyacının nedeni budur. Yarı iletken iletkenlik parametreleri, katkı maddeleri eklenerek kontrol edilir. Silikon kristalleri, bir donör olan fosforla (alt grup V elementi) katkılanarak n-tipi bir silikon kristali oluşturulur. Delik iletkenliğine sahip bir kristal elde etmek için silikona bir bor alıcısı sokulur. Bant aralığının ortasına taşımak için telafi edilmiş Fermi seviyesine sahip yarı iletkenler benzer şekilde oluşturulur.
Tek hücreli yarı iletkenler
En yaygın yarı iletken elbette silikondur. Germanyum ile birlikte, benzer kristal yapılara sahip geniş bir yarı iletken sınıfının prototipi haline geldi.
Si ve Ge kristallerinin yapısı elmas ve α-kalay ile aynıdır. İçinde her atom, bir tetrahedron oluşturan en yakın 4 atomla çevrilidir. Bu koordinasyona dörtlü denir. Tetra bağlı kristaller elektronik endüstrisinin temeli haline geldi ve modern teknolojide önemli bir rol oynuyor. Periyodik tablonun V ve VI gruplarının bazı elemanları da yarı iletkendir. Bu tip yarı iletkenlere örnek olarak fosfor (P), kükürt (S), selenyum (Se) ve tellür (Te) verilebilir. Bu yarı iletkenlerde atomlar üç katlı (P), iki katlı (S, Se, Te) veya dört katlı koordinasyona sahip olabilir. Sonuç olarak, benzer öğeler birkaç farklı durumda bulunabilir.kristal yapılar ve ayrıca cam şeklinde elde edilebilir. Örneğin Se, monoklinik ve trigonal kristal yapılarda veya cam olarak (polimer olarak da kabul edilebilir) büyütülmüştür.
- Elmas, mükemmel ısı iletkenliğine, mükemmel mekanik ve optik özelliklere, yüksek mekanik mukavemete sahiptir. Enerji aralığı genişliği - dE=5,47 eV.
- Silikon, güneş pillerinde ve ince film güneş pillerinde amorf formda kullanılan bir yarı iletkendir. Güneş pillerinde en çok kullanılan yarı iletkendir, üretimi kolaydır, iyi elektriksel ve mekanik özelliklere sahiptir. dE=1.12 eV.
- Germanyum, gama spektroskopisinde, yüksek performanslı fotovoltaik hücrelerde kullanılan bir yarı iletkendir. İlk diyotlarda ve transistörlerde kullanılır. Silikondan daha az temizlik gerektirir. dE=0,67 eV.
- Selenyum, yüksek radyasyon direncine ve kendi kendini iyileştirme yeteneğine sahip selenyum doğrultucularda kullanılan bir yarı iletkendir.
İki elementli bileşikler
Periyodik tablonun 3. ve 4. gruplarındaki elementlerin oluşturduğu yarı iletkenlerin özellikleri, 4. gruptaki maddelerin özelliklerine benzer. 4. grup elementlerden bileşiklere geçiş 3-4 gr. 3. grup atomundan 4. grup atomuna elektron yükünün aktarılması nedeniyle bağları kısmen iyonik yapar. İyoniklik yarı iletkenlerin özelliklerini değiştirir. Coulomb interion etkileşimindeki artışın ve enerji bant aralığının enerjisinin nedeni budur.elektron yapıları. Bu tip bir ikili bileşiğe bir örnek, indiyum antimonit InSb, galyum arsenit GaAs, galyum antimonid GaSb, indiyum fosfit InP, alüminyum antimonid AlSb, galyum fosfit GaP'dir.
Kadmiyum selenit, çinko sülfür, kadmiyum sülfür, kadmiyum tellür, çinko selenit gibi 2-6 grup maddelerinin bileşiklerinde iyoniklik artar ve değeri daha da artar. Sonuç olarak, cıva bileşikleri hariç, 2-6 gruplarının çoğu bileşiği, 1 eV'den daha geniş bir bant aralığına sahiptir. Cıva tellür, enerji boşluğu olmayan bir yarı iletkendir, α-kalay gibi bir yarı metaldir.
Grup 2-6, büyük bir enerji boşluğuna sahip yarı iletkenler, lazer ve ekran üretiminde kullanılır. Dar altılmış bir enerji aralığına sahip 2-6 grubun ikili bağlantıları kızılötesi alıcılar için uygundur. 1-7 grup elementlerinin ikili bileşikleri (bakır bromür CuBr, gümüş iyodür AgI, bakır klorür CuCl) yüksek iyonikliklerinden dolayı 3 eV'den daha geniş bir bant aralığına sahiptir. Aslında yarı iletken değil, yalıtkandırlar. Coulomb interiyonik etkileşimi nedeniyle kristalin demirleme enerjisindeki artış, kaya tuzu atomlarının kuadratik koordinasyondan ziyade altı kat yapılandırılmasına katkıda bulunur. 4-6 gruplarının bileşikleri - kurşun sülfür ve tellür, kalay sülfür - aynı zamanda yarı iletkenlerdir. Bu maddelerin iyoniklik derecesi de altı katlı koordinasyonun oluşumuna katkıda bulunur. Önemli iyoniklik, kızılötesi radyasyon almak için kullanılmalarına izin veren çok dar bant boşluklarına sahip olmalarını engellemez. Galyum nitrür - geniş bir enerji aralığına sahip 3-5 gruptan oluşan bir bileşik, yarı iletkende uygulama bulmuştur.spektrumun mavi kısmında çalışan lazerler ve LED'ler.
- GaAs, galyum arsenit, silisyumdan sonra en çok kullanılan ikinci yarı iletkendir ve GaInNA'lar ve InGaAs gibi diğer iletkenler için IR diyotlarda, yüksek frekanslı mikro devrelerde ve transistörlerde, yüksek verimli güneş pillerinde yaygın olarak bir substrat olarak kullanılır, lazer diyotlar, dedektörler nükleer tedavi. dE=1.43 eV, bu da cihazların gücünü silikona göre artırmayı mümkün kılıyor. Kırılgandır, daha fazla safsızlık içerir, üretimi zordur.
- ZnS, çinko sülfür - lazerlerde ve fosfor olarak kullanılan, 3.54 ve 3.91 eV bant aralığına sahip hidrosülfit asidin çinko tuzu.
- SnS, kalay sülfür - fotodirençlerde ve fotodiyotlarda kullanılan bir yarı iletken, dE=1, 3 ve 10 eV.
Oksitler
Metal oksitler çoğunlukla mükemmel yalıtkanlardır, ancak istisnalar da vardır. Bu tip yarı iletkenlerin örnekleri nikel oksit, bakır oksit, kob alt oksit, bakır dioksit, demir oksit, öropyum oksit, çinko oksittir. Bakır dioksit mineral kuprit olarak bulunduğundan, özellikleri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Bu tip yarı iletkenleri büyütme prosedürü henüz tam olarak anlaşılmamıştır, bu nedenle uygulamaları hala sınırlıdır. Bunun istisnası çinko oksittir (ZnO), dönüştürücü olarak ve yapışkan bant ve sıva üretiminde kullanılan 2-6 grubu bir bileşiktir.
Bakırın oksijenli birçok bileşiğinde süperiletkenliğin keşfedilmesinden sonra durum önemli ölçüde değişti. BirinciMüller ve Bednorz tarafından keşfedilen yüksek sıcaklık süper iletkeni, 2 eV enerji boşluğuna sahip La2CuO4 yarı iletkenine dayalı bir bileşikti. Üç değerlikli lantan iki değerli baryum veya stronsiyum ile değiştirilerek, yarı iletkene delik yük taşıyıcıları eklenir. Gerekli delik konsantrasyonuna ulaşmak La2CuO4 'ı bir süper iletkene dönüştürür. Şu anda, süper iletken duruma en yüksek geçiş sıcaklığı, HgBaCa2Cu3O8 bileşiğine aittir.. Yüksek basınçta değeri 134 K'dır.
ZnO, çinko oksit, varistörlerde, mavi LED'lerde, gaz sensörlerinde, biyolojik sensörlerde, kızılötesi ışığı yansıtmak için pencere kaplamalarında, LCD'lerde ve güneş panellerinde iletken olarak kullanılır. dE=3.37 eV.
Katman kristalleri
Kurşun diiyodür, galyum selenit ve molibden disülfür gibi çift bileşikler, katmanlı bir kristal yapı ile karakterize edilir. Katmanlar arasında önemli mukavemete sahip kovalent bağlar, katmanlar arasındaki van der Waals bağlarından çok daha güçlü hareket eder. Bu tip yarı iletkenler, elektronların katmanlar halinde yarı-iki boyutlu olarak davranması bakımından ilginçtir. Katmanların etkileşimi, yabancı atomların eklenmesiyle değiştirilir - interkalasyon.
MoS2, molibden disülfid yüksek frekanslı dedektörlerde, doğrultucularda, memristörlerde, transistörlerde kullanılır. dE=1.23 ve 1.8 eV.
Organik yarı iletkenler
Organik bileşiklere dayalı yarı iletken örnekleri - naftalin, poliasetilen(CH2) , antrasen, polidiasetilen, ftalosiyanit, polivinilkarbazol. Organik yarı iletkenlerin inorganik olanlara göre bir avantajı vardır: onlara istenen nitelikleri vermek kolaydır. –С=С–С=tipi konjuge bağlara sahip maddeler önemli optik doğrusal olmayanlığa sahiptir ve bundan dolayı optoelektronikte kullanılır. Ayrıca organik yarıiletkenlerin enerji süreksizlik bölgeleri, geleneksel yarıiletkenlere göre çok daha kolay olan bileşik formülü değiştirilerek değiştirilir. Karbon fulleren, grafen, nanotüplerin kristal allotropları da yarı iletkenlerdir.
- Fulleren, çift sayıda karbon atomunun dışbükey kapalı çokyüzlü şeklinde bir yapıya sahiptir. Ve fulleren C60 ile bir alkali metalin katkılanması onu bir süper iletkene dönüştürür.
- Grafen, iki boyutlu altıgen bir kafese bağlı monatomik bir karbon tabakasından oluşur. Rekor bir termal iletkenliğe ve elektron hareketliliğine, yüksek sertliğe sahiptir
- Nanotüpler, birkaç nanometre çapında bir tüpe sarılmış grafit plakalardır. Bu karbon formları nanoelektronikte büyük umut vaat ediyor. Bağlantıya bağlı olarak metalik veya yarı iletken nitelikler sergileyebilir.
Manyetik yarı iletkenler
Manyetik öropyum ve manganez iyonları içeren bileşiklerin ilginç manyetik ve yarı iletken özellikleri vardır. Bu tip yarı iletkenlere örnek olarak öropyum sülfür, öropyum selenit ve aşağıdaki gibi katı çözeltiler verilebilir. Cd1-xMnxTe. Manyetik iyonların içeriği, antiferromanyetizma ve ferromanyetizma gibi manyetik özelliklerin maddelerde nasıl ortaya çıktığını etkiler. Yarı manyetik yarı iletkenler, küçük bir konsantrasyonda manyetik iyonlar içeren yarı iletkenlerin katı manyetik çözeltileridir. Bu tür sağlam çözümler vaatleri ve olası uygulamalar için büyük potansiyelleri nedeniyle dikkat çekiyor. Örneğin, manyetik olmayan yarı iletkenlerin aksine, bir milyon kat daha fazla Faraday dönüşü elde edebilirler.
Manyetik yarı iletkenlerin güçlü manyeto-optik etkileri, onları optik modülasyon için kullanmayı mümkün kılar. Mn0, 7Ca0, 3O3, gibi perovskitler metali aşar - bir yarı iletken, manyetik alana doğrudan bağımlılığı, dev manyetodirenç olgusuyla sonuçlanır. Radyo mühendisliğinde, manyetik alan tarafından kontrol edilen optik cihazlarda, mikrodalga cihazların dalga kılavuzlarında kullanılırlar.
Yarı iletken ferroelektrikler
Bu tür kristaller, içlerinde elektrik momentlerinin varlığı ve kendiliğinden polarizasyon oluşumu ile ayırt edilir. Örneğin kurşun titanat PbTiO3, baryum titanat BaTiO3, germanyum tellür GeTe, kalay tellür SnTe gibi düşük sıcaklıklarda özelliklere sahip yarı iletkenler ferroelektrik. Bu malzemeler doğrusal olmayan optik, bellek ve piezo sensörlerde kullanılır.
Çeşitli yarı iletken malzemeler
Yukarıdakilere ek olarakyarı iletken maddeler, listelenen türlerin hiçbirine girmeyen başka birçok madde vardır. 1-3-52 (AgGaS2) ve 2-4-52 formülüne göre elemanların bağlantıları (ZnSiP2) kalkopirit yapısında kristaller oluşturur. Bileşiklerin bağları, çinko blendin kristal yapısına sahip 3-5 ve 2-6 gruplarının yarı iletkenlerine benzer şekilde tetrahedraldir. Grup 5 ve 6'nın yarı iletkenlerinin elemanlarını oluşturan bileşikler (As2Se3 gibi) bir kristal veya cam şeklinde yarı iletkendir.. Yarı iletken termoelektrik jeneratörlerde bizmut ve antimon kalkojenitler kullanılır. Bu tip yarı iletkenlerin özellikleri son derece ilginçtir, ancak sınırlı uygulamaları nedeniyle popülerlik kazanmamışlardır. Bununla birlikte, var olmaları gerçeği, henüz tam olarak keşfedilmemiş yarı iletken fiziği alanlarının varlığını doğrulamaktadır.
