Der bekannteste Halbleiter ist Silizium (Si). Aber neben ihm gibt es noch viele andere. Ein Beispiel sind solche natürlichen Halbleitermaterialien wie Zinkblende (ZnS), Cuprit (Cu2O), Galenit (PbS) und viele andere. Die Halbleiterfamilie, einschließlich der im Labor synthetisierten Halbleiter, ist eine der vielseitigsten Materialklassen, die der Menschheit bekannt sind.
Charakterisierung von Halbleitern
Von den 104 Elementen des Periodensystems sind 79 Metalle, 25 Nichtmetalle, davon haben 13 chemische Elemente Halbleitereigenschaften und 12 sind Dielektrika. Der Hauptunterschied zwischen Halbleitern besteht darin, dass ihre elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur deutlich zunimmt. Bei niedrigen Temperaturen verh alten sie sich wie Dielektrika und bei hohen Temperaturen wie Leiter. So unterscheiden sich Halbleiter von Metallen: Der Widerstand des Metalls steigt proportional zur Temperaturerhöhung.
Ein weiterer Unterschied zwischen einem Halbleiter und einem Metall ist der Widerstand eines Halbleitersfällt unter Lichteinfluss, während letzteres das Metall nicht angreift. Die Leitfähigkeit von Halbleitern ändert sich auch, wenn eine kleine Menge an Verunreinigungen eingeführt wird.
Halbleiter findet man unter chemischen Verbindungen mit einer Vielzahl von Kristallstrukturen. Dies können Elemente wie Silizium und Selen oder binäre Verbindungen wie Galliumarsenid sein. Viele organische Verbindungen wie Polyacetylen (CH)n, sind Halbleitermaterialien. Einige Halbleiter weisen magnetische (Cd1-xMnxTe) oder ferroelektrische Eigenschaften (SbSI) auf. Andere mit ausreichender Dotierung werden zu Supraleitern (GeTe und SrTiO3). Viele der kürzlich entdeckten Hochtemperatursupraleiter haben nichtmetallische halbleitende Phasen. Zum Beispiel ist La2CuO4 ein Halbleiter, aber wenn es mit Sr legiert wird, wird es ein Supraleiter (La1-x Srx)2CuO4.
Physiklehrbücher definieren einen Halbleiter als ein Material mit einem elektrischen Widerstand von 10-4 bis 107 Ohm·m. Eine alternative Definition ist ebenfalls möglich. Die Bandlücke eines Halbleiters beträgt 0 bis 3 eV. Metalle und Halbmetalle sind Materialien mit einer Energielücke von Null, und Substanzen, in denen sie 3 eV überschreitet, werden Isolatoren genannt. Es gibt auch Ausnahmen. Beispielsweise hat Halbleiterdiamant eine Bandlücke von 6 eV, halbisolierendes GaAs - 1,5 eV. GaN, ein Material für optoelektronische Bauelemente im blauen Bereich, hat eine Bandlücke von 3,5 eV.
Energielücke
Die Valenzorbitale von Atomen im Kristallgitter werden in zwei Gruppen von Energieniveaus unterteilt - die freie Zone, die sich auf der höchsten Ebene befindet und die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern bestimmt, und das darunter liegende Valenzband. Diese Ebenen können sich je nach Symmetrie des Kristallgitters und Atomzusammensetzung schneiden oder voneinander beabstandet sein. Im letzteren Fall entsteht zwischen den Zonen eine Energielücke oder mit anderen Worten eine verbotene Zone.
Die Lage und Füllung der Ebenen bestimmt die Leitfähigkeit des Stoffes. Auf dieser Grundlage werden Stoffe in Leiter, Isolatoren und Halbleiter eingeteilt. Die Bandlückenbreite des Halbleiters variiert zwischen 0,01–3 eV, die Energielücke des Dielektrikums übersteigt 3 eV. Metalle haben keine Energielücken aufgrund überlappender Niveaus.
Halbleiter und Dielektrika haben im Gegensatz zu Metallen ein mit Elektronen gefülltes Valenzband, und das nächste freie Band oder Leitungsband ist vom Valenzband durch eine Energielücke abgegrenzt - ein Bereich verbotener Elektronenenergien.
In Dielektrika reicht thermische Energie oder ein unbedeutendes elektrisches Feld nicht aus, um durch diese Lücke zu springen, Elektronen gelangen nicht in das Leitungsband. Sie können sich nicht entlang des Kristallgitters bewegen und werden zu Stromträgern.
Um die elektrische Leitfähigkeit anzuregen, muss einem Elektron auf der Valenzstufe Energie zugeführt werden, die ausreicht, um die Energie zu überwindenLücke. Nur wenn eine Energiemenge absorbiert wird, die nicht kleiner ist als der Wert der Energielücke, bewegt sich das Elektron von der Valenzebene auf die Leitungsebene.
Für den Fall, dass die Breite der Energielücke 4 eV überschreitet, ist eine Anregung der Halbleiterleitfähigkeit durch Bestrahlung oder Erwärmung praktisch unmöglich - die Anregungsenergie von Elektronen bei Schmelztemperatur reicht nicht aus, um durch die Energielückenzone zu springen. Beim Erhitzen schmilzt der Kristall, bis eine elektronische Leitung auftritt. Zu diesen Substanzen gehören Quarz (dE=5,2 eV), Diamant (dE=5,1 eV), viele Salze.
Verunreinigungen und Eigenleitfähigkeit von Halbleitern
Reine Halbleiterkristalle haben eine eigene Leitfähigkeit. Solche Halbleiter werden als intrinsisch bezeichnet. Ein intrinsischer Halbleiter enthält eine gleiche Anzahl von Löchern und freien Elektronen. Bei Erwärmung erhöht sich die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern. Bei konstanter Temperatur entsteht ein dynamischer Gleichgewichtszustand in der Zahl der gebildeten Elektron-Loch-Paare und der Zahl der rekombinierenden Elektronen und Löcher, die unter gegebenen Bedingungen konstant bleiben.
Das Vorhandensein von Verunreinigungen hat einen erheblichen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern. Ihre Zugabe ermöglicht es, die Anzahl freier Elektronen mit einer geringen Anzahl an Löchern stark zu erhöhen und die Anzahl an Löchern mit einer geringen Anzahl an Elektronen auf der Leitungsebene zu erhöhen. Verunreinigungshalbleiter sind Leiter mit Verunreinigungsleitfähigkeit.
Verunreinigungen, die leicht Elektronen abgeben, werden als Donatorverunreinigungen bezeichnet. Spenderverunreinigungen können chemische Elemente mit Atomen sein, deren Wertigkeitsstufen mehr Elektronen enth alten als die Atome der Grundsubstanz. Zum Beispiel sind Phosphor und Wismut Silizium-Donor-Verunreinigungen.
Die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron in den Leitungsbereich zu springen, wird als Aktivierungsenergie bezeichnet. Verunreinigungshalbleiter benötigen viel weniger davon als das Grundmaterial. Bei leichter Erwärmung oder Beleuchtung werden überwiegend die Elektronen der Atome der Fremdhalbleiter freigesetzt. Die Stelle des aus dem Atom austretenden Elektrons wird von einem Loch besetzt. Aber die Rekombination von Elektronen zu Löchern findet praktisch nicht statt. Die Lochleitfähigkeit des Donors ist vernachlässigbar. Dies liegt daran, dass die geringe Anzahl von Fremdatomen es freien Elektronen nicht erlaubt, sich häufig dem Loch zu nähern und es zu besetzen. Elektronen sind in der Nähe von Löchern, können diese aber aufgrund eines unzureichenden Energieniveaus nicht füllen.
Unwesentliche Hinzufügung einer Donatorverunreinigung um mehrere Größenordnungen erhöht die Anzahl der Leitungselektronen im Vergleich zur Anzahl freier Elektronen im intrinsischen Halbleiter. Elektronen sind hier die Hauptladungsträger von Atomen von Fremdhalbleitern. Diese Substanzen werden als Halbleiter vom n-Typ klassifiziert.
Verunreinigungen, die die Elektronen eines Halbleiters binden und die Anzahl der Löcher darin erhöhen, werden Akzeptoren genannt. Akzeptorverunreinigungen sind chemische Elemente mit weniger Elektronen auf der Valenzebene als der Basishalbleiter. Bor, Gallium, Indium - AkzeptorVerunreinigungen für Silizium.
Die Eigenschaften eines Halbleiters hängen von den Defekten in seiner Kristallstruktur ab. Dies ist der Grund für die Notwendigkeit, extrem reine Kristalle zu züchten. Die Halbleiterleitfähigkeitsparameter werden durch Zugabe von Dotierstoffen gesteuert. Siliziumkristalle werden mit Phosphor (Element der Nebengruppe V), das ein Donor ist, dotiert, um einen Siliziumkristall vom n-Typ zu erzeugen. Um einen Kristall mit Lochleitfähigkeit zu erh alten, wird ein Borakzeptor in Silizium eingebracht. Halbleiter mit einem kompensierten Fermi-Niveau, um es in die Mitte der Bandlücke zu verschieben, werden auf ähnliche Weise hergestellt.
Einzelzellige Halbleiter
Der häufigste Halbleiter ist natürlich Silizium. Zusammen mit Germanium wurde es zum Prototyp für eine breite Klasse von Halbleitern mit ähnlichen Kristallstrukturen.
Die Struktur von Si- und Ge-Kristallen ist die gleiche wie die von Diamant und α-Zinn. Darin ist jedes Atom von 4 nächsten Atomen umgeben, die einen Tetraeder bilden. Diese Koordination wird vierfach genannt. Tetra-gebundene Kristalle sind zur Grundlage der Elektronikindustrie geworden und spielen eine Schlüsselrolle in der modernen Technologie. Einige Elemente der Gruppen V und VI des Periodensystems sind ebenfalls Halbleiter. Beispiele für Halbleiter dieser Art sind Phosphor (P), Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te). In diesen Halbleitern können Atome dreifach (P), zweifach (S, Se, Te) oder vierfach koordiniert sein. Infolgedessen können ähnliche Elemente in mehreren verschiedenen vorhanden seinKristallstrukturen, und auch in Form von Glas erh alten werden. Beispielsweise wurde Se in monoklinen und trigonalen Kristallstrukturen oder als Glas (das auch als Polymer betrachtet werden kann) gezüchtet.
- Diamant hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichnete mechanische und optische Eigenschaften und eine hohe mechanische Festigkeit. Breite der Energielücke - dE=5,47 eV.
- Silizium ist ein Halbleiter, der in Solarzellen und in amorpher Form in Dünnschicht-Solarzellen verwendet wird. Es ist der meistverwendete Halbleiter in Solarzellen, einfach herzustellen und hat gute elektrische und mechanische Eigenschaften. dE=1,12 eV.
- Germanium ist ein Halbleiter, der in der Gammaspektroskopie, Hochleistungs-Photovoltaikzellen verwendet wird. Verwendet in den ersten Dioden und Transistoren. Erfordert weniger Reinigung als Silikon. dE=0,67 eV.
- Selen ist ein Halbleiter, der in Selengleichrichtern verwendet wird, die eine hohe Strahlungsbeständigkeit und Selbstheilungsfähigkeit aufweisen.
Zwei-Element-Verbindungen
Die Eigenschaften von Halbleitern, die aus Elementen der 3. und 4. Gruppe des Periodensystems bestehen, ähneln den Eigenschaften von Stoffen der 4. Gruppe. Übergang von Elementen der Gruppe 4 zu Verbindungen 3–4 gr. macht die Bindungen aufgrund der Übertragung der Elektronenladung vom Atom der Gruppe 3 auf das Atom der Gruppe 4 teilweise ionisch. Ionizität verändert die Eigenschaften von Halbleitern. Dies ist der Grund für die Zunahme der Coulomb-Interion-Wechselwirkung und der Energie der EnergiebandlückeElektronenstrukturen. Ein Beispiel für eine derartige binäre Verbindung ist Indiumantimonid InSb, Galliumarsenid GaAs, Galliumantimonid GaSb, Indiumphosphid InP, Aluminiumantimonid AlSb, Galliumphosphid GaP.
Die Ionizität nimmt zu, und ihr Wert wächst noch mehr in Verbindungen von Stoffen der Gruppen 2-6, wie Cadmiumselenid, Zinksulfid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid, Zinkselenid. Infolgedessen haben die meisten Verbindungen der Gruppen 2-6 eine Bandlücke, die breiter als 1 eV ist, mit Ausnahme von Quecksilberverbindungen. Quecksilbertellurid ist ein Halbleiter ohne Energielücke, ein Halbmetall, wie α-Zinn.
Halbleiter der Gruppe 2-6 mit großer Energielücke werden bei der Herstellung von Lasern und Displays verwendet. Für Infrarot-Empfänger sind binäre Verbindungen von 2-6 Gruppen mit eingeengter Energielücke geeignet. Binäre Verbindungen der Elemente der Gruppen 1–7 (Kupferbromid CuBr, Silberiodid AgI, Kupferchlorid CuCl) haben aufgrund ihrer hohen Ionizität eine Bandlücke von mehr als 3 eV. Sie sind eigentlich keine Halbleiter, sondern Isolatoren. Die Erhöhung der Verankerungsenergie des Kristalls aufgrund der interionischen Coulomb-Wechselwirkung trägt zur Strukturierung von Steinsalzatomen mit sechsfacher statt quadratischer Koordination bei. Verbindungen der Gruppen 4–6 - Bleisulfid und Tellurid, Zinnsulfid - sind ebenfalls Halbleiter. Der Grad der Ionizität dieser Substanzen trägt auch zur Bildung einer sechsfachen Koordination bei. Eine signifikante Ionizität hindert sie nicht daran, sehr schmale Bandlücken zu haben, wodurch sie zum Empfang von Infrarotstrahlung verwendet werden können. Galliumnitrid – eine Verbindung aus 3–5 Gruppen mit einer breiten Energielücke, hat Anwendung in Halbleitern gefundenLaser und LEDs, die im blauen Teil des Spektrums arbeiten.
- GaAs, Galliumarsenid, ist nach Silizium der am zweithäufigsten verwendete Halbleiter, der üblicherweise als Substrat für andere Leiter wie GaInNAs und InGaAs, in IR-Dioden, Hochfrequenz-Mikrosch altkreisen und Transistoren sowie hocheffizienten Solarzellen verwendet wird, Laserdioden, Detektoren Kernheilung. dE=1,43 eV, was es ermöglicht, die Leistung von Geräten im Vergleich zu Silizium zu erhöhen. Zerbrechlich, enthält mehr Verunreinigungen, schwierig herzustellen.
- ZnS, Zinksulfid - Zinksalz der Schwefelwasserstoffsäure mit einer Bandlücke von 3,54 und 3,91 eV, verwendet in Lasern und als Leuchtstoff.
- SnS, Zinnsulfid - ein Halbleiter, der in Fotowiderständen und Fotodioden verwendet wird, dE=1, 3 und 10 eV.
Oxide
Metalloxide sind meistens ausgezeichnete Isolatoren, aber es gibt Ausnahmen. Beispiele für derartige Halbleiter sind Nickeloxid, Kupferoxid, Kob altoxid, Kupferdioxid, Eisenoxid, Europiumoxid, Zinkoxid. Da Kupferdioxid als Mineral Cuprit existiert, wurden seine Eigenschaften intensiv erforscht. Das Verfahren zum Züchten von Halbleitern dieser Art ist noch nicht vollständig verstanden, sodass ihre Anwendung noch begrenzt ist. Ausnahme ist Zinkoxid (ZnO), eine Verbindung der Gruppe 2-6, die als Konverter und bei der Herstellung von Klebebändern und Pflastern verwendet wird.
Die Situation änderte sich dramatisch, nachdem die Supraleitung in vielen Verbindungen von Kupfer mit Sauerstoff entdeckt wurde. ZuerstDer von Müller und Bednorz entdeckte Hochtemperatursupraleiter war eine Verbindung auf Basis des Halbleiters La2CuO4 mit einer Energielücke von 2 eV. Durch den Ersatz von dreiwertigem Lanthan durch zweiwertiges Barium oder Strontium werden Lochladungsträger in den Halbleiter eingebracht. Das Erreichen der erforderlichen Lochkonzentration verwandelt La2CuO4 in einen Supraleiter. Die derzeit höchste Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand hat die Verbindung HgBaCa2Cu3O8. Bei hohem Druck beträgt sein Wert 134 K.
ZnO, Zinkoxid, wird in Varistoren, blauen LEDs, Gassensoren, biologischen Sensoren, Fensterbeschichtungen zur Reflexion von Infrarotlicht, als Leiter in LCDs und Solarmodulen verwendet. dE=3,37 eV.
Schichtkristalle
Doppelverbindungen wie Bleidiiodid, Galliumselenid und Molybdändisulfid zeichnen sich durch eine geschichtete Kristallstruktur aus. Kovalente Bindungen von beträchtlicher Stärke wirken in den Schichten, viel stärker als die Van-der-Waals-Bindungen zwischen den Schichten selbst. Interessant an Halbleitern dieser Art ist, dass sich Elektronen in Schichten quasi zweidimensional verh alten. Die Wechselwirkung der Schichten wird durch das Einbringen von Fremdatomen verändert - Interkalation.
MoS2, Molybdändisulfid wird in Hochfrequenzdetektoren, Gleichrichtern, Memristoren, Transistoren verwendet. dE=1,23 und 1,8 eV.
Organische Halbleiter
Beispiele für Halbleiter auf Basis organischer Verbindungen - Naphthalin, Polyacetylen(CH2) , Anthracen, Polydiacetylen, Phthalocyanide, Polyvinylcarbazol. Organische Halbleiter haben gegenüber anorganischen einen Vorteil: Es ist einfach, ihnen die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. Substanzen mit konjugierten Bindungen vom Typ –С=С–С=haben eine signifikante optische Nichtlinearität und werden daher in der Optoelektronik verwendet. Außerdem werden die Energiesprungzonen von organischen Halbleitern durch Änderung der Verbindungsformel verändert, was viel einfacher ist als die von konventionellen Halbleitern. Kristalline Allotrope von Kohlenstoff-Fulleren, Graphen, Nanoröhren sind ebenfalls Halbleiter.
- Fulleren hat eine Struktur in Form eines konvexen geschlossenen Polyeders mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen. Und das Dotieren von Fulleren C60 mit einem Alkalimetall macht es zu einem Supraleiter.
- Graphen besteht aus einer einatomigen Kohlenstoffschicht, die zu einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter verbunden ist. Es hat eine Rekordwärmeleitfähigkeit und Elektronenmobilität, hohe Steifigkeit
- Nanoröhren sind zu einer Röhre gerollte Graphitplättchen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern. Diese Formen von Kohlenstoff sind in der Nanoelektronik vielversprechend. Kann je nach Kopplung metallische oder halbleitende Eigenschaften aufweisen.
Magnetische Halbleiter
Verbindungen mit magnetischen Europium- und Manganionen haben merkwürdige magnetische und Halbleitereigenschaften. Beispiele für Halbleiter dieser Art sind Europiumsulfid, Europiumselenid und Mischkristalle wieCd1-xMnxTe. Der Geh alt an magnetischen Ionen beeinflusst, wie sich magnetische Eigenschaften wie Antiferromagnetismus und Ferromagnetismus in Substanzen manifestieren. Halbmagnetische Halbleiter sind feste magnetische Lösungen von Halbleitern, die magnetische Ionen in geringer Konzentration enth alten. Solche soliden Lösungen erregen Aufmerksamkeit aufgrund ihres Versprechens und großen Potenzials für mögliche Anwendungen. Beispielsweise können sie im Gegensatz zu nichtmagnetischen Halbleitern eine millionenfach größere Faraday-Rotation erreichen.
Die starken magneto-optischen Effekte magnetischer Halbleiter ermöglichen deren Nutzung zur optischen Modulation. Perowskite wie Mn0, 7Ca0, 3O3, übertreffen das Metall - einen Halbleiter, dessen direkte Abhängigkeit vom Magnetfeld führt zum Phänomen des Riesenmagnetowiderstands. Sie werden in der Funktechnik verwendet, optische Geräte, die durch ein Magnetfeld gesteuert werden, in Wellenleitern von Mikrowellengeräten.
Halbleiter-Ferroelektrika
Diese Art von Kristallen zeichnet sich durch das Vorhandensein elektrischer Momente in ihnen und das Auftreten spontaner Polarisation aus. Beispielsweise Halbleiter wie Bleititanat PbTiO3, Bariumtitanat BaTiO3, Germaniumtellurid GeTe, Zinntellurid SnTe, die bei niedrigen Temperaturen Eigenschaften haben ferroelektrisch. Diese Materialien werden in nichtlinearen optischen Sensoren, Speicher- und Piezosensoren verwendet.
Verschiedene Halbleitermaterialien
Zusätzlich zu den oben genanntenHalbleitersubstanzen gibt es viele andere, die unter keinen der aufgeführten Typen fallen. Verbindungen von Elementen nach der Formel 1-3-52 (AgGaS2) und 2-4-52 (ZnSiP2) bilden Kristalle in der Chalkopyrit-Struktur. Die Bindungen der Verbindungen sind tetraedrisch, ähnlich wie Halbleiter der Gruppen 3–5 und 2–6 mit der Kristallstruktur von Zinkblende. Die Verbindungen, die die Elemente der Halbleiter der Gruppen 5 und 6 bilden (wie As2Se3), sind Halbleiter in Form eines Kristalls oder Glases. Wismut- und Antimonchalkogenide werden in thermoelektrischen Halbleitergeneratoren verwendet. Die Eigenschaften von Halbleitern dieses Typs sind äußerst interessant, haben sich jedoch aufgrund ihrer begrenzten Anwendung nicht durchgesetzt. Die Tatsache, dass sie existieren, bestätigt jedoch die Existenz von Bereichen der Halbleiterphysik, die noch nicht vollständig erforscht sind.
