Il semiconduttore più famoso è il silicio (Si). Ma oltre a lui, ce ne sono molti altri. Un esempio sono i materiali semiconduttori naturali come la miscela di zinco (ZnS), la cuprite (Cu2O), la galena (PbS) e molti altri. La famiglia dei semiconduttori, compresi i semiconduttori sintetizzati in laboratorio, è una delle classi di materiali più versatili conosciute dall'uomo.
Caratterizzazione dei semiconduttori
Dei 104 elementi della tavola periodica, 79 sono metalli, 25 sono non metalli, di cui 13 elementi chimici hanno proprietà semiconduttori e 12 sono dielettrici. La principale differenza tra i semiconduttori è che la loro conduttività elettrica aumenta significativamente con l'aumentare della temperatura. Alle basse temperature si comportano come dielettrici e alle alte temperature si comportano come conduttori. Ecco come si differenziano i semiconduttori dai metalli: la resistenza del metallo aumenta in proporzione all'aumento della temperatura.
Un' altra differenza tra un semiconduttore e un metallo è che la resistenza di un semiconduttorecade sotto l'influenza della luce, mentre quest'ultima non intacca il metallo. Anche la conduttività dei semiconduttori cambia quando viene introdotta una piccola quantità di impurità.
I semiconduttori si trovano tra i composti chimici con una varietà di strutture cristalline. Questi possono essere elementi come silicio e selenio, o composti binari come l'arseniuro di gallio. Molti composti organici, come il poliacetilene (CH)n, sono materiali semiconduttori. Alcuni semiconduttori presentano proprietà magnetiche (Cd1-xMnxTe) o ferroelettriche (SbSI). Altri con doping sufficiente diventano superconduttori (GeTe e SrTiO3). Molti dei superconduttori ad alta temperatura scoperti di recente hanno fasi semiconduttive non metalliche. Ad esempio, La2CuO4 è un semiconduttore, ma quando legato con Sr diventa un superconduttore (La1-x Srx)2CuO4.
I libri di testo di fisica definiscono un semiconduttore come un materiale con una resistenza elettrica da 10-4 a 107 Ohm·m. È anche possibile una definizione alternativa. Il gap di banda di un semiconduttore è compreso tra 0 e 3 eV. Metalli e semimetalli sono materiali con un gap energetico zero e le sostanze in cui supera i 3 eV sono dette isolanti. Ci sono anche delle eccezioni. Ad esempio, il diamante semiconduttore ha un gap di banda di 6 eV, GaAs semiisolante - 1,5 eV. GaN, un materiale per dispositivi optoelettronici nella regione blu, ha un gap di banda di 3,5 eV.
Divario energetico
Gli orbitali di valenza degli atomi nel reticolo cristallino sono divisi in due gruppi di livelli energetici: la zona libera situata al livello più alto e che determina la conduttività elettrica dei semiconduttori, e la banda di valenza situata al di sotto. Questi livelli, a seconda della simmetria del reticolo cristallino e della composizione degli atomi, possono intersecarsi o trovarsi a distanza l'uno dall' altro. In quest'ultimo caso, tra le zone compare un gap energetico o, in altre parole, una zona proibita.
La posizione e il riempimento dei livelli determina le proprietà conduttive della sostanza. Su questa base, le sostanze sono suddivise in conduttori, isolanti e semiconduttori. La larghezza del gap di banda del semiconduttore varia entro 0,01–3 eV, il gap di energia del dielettrico supera 3 eV. I metalli non hanno gap energetici dovuti alla sovrapposizione dei livelli.
Semiconduttori e dielettrici, a differenza dei metalli, hanno una banda di valenza piena di elettroni e la banda libera più vicina, o banda di conduzione, è recintata dalla banda di valenza da un gap energetico, una regione di energie elettroniche proibite.
Nei dielettrici, l'energia termica o un campo elettrico insignificante non sono sufficienti per fare un s alto attraverso questo spazio vuoto, gli elettroni non entrano nella banda di conduzione. Non sono in grado di muoversi lungo il reticolo cristallino e diventare portatori di corrente elettrica.
Per eccitare la conduttività elettrica, un elettrone a livello di valenza deve ricevere energia sufficiente a superare l'energiaspacco. Solo assorbendo una quantità di energia non inferiore al valore del gap energetico, l'elettrone si sposterà dal livello di valenza al livello di conduzione.
Nel caso in cui l'ampiezza del gap energetico superi 4 eV, l'eccitazione della conduttività del semiconduttore mediante irraggiamento o riscaldamento è praticamente impossibile: l'energia di eccitazione degli elettroni alla temperatura di fusione è insufficiente per s altare attraverso la zona del gap energetico. Una volta riscaldato, il cristallo si scioglierà fino a quando non si verifica la conduzione elettronica. Queste sostanze includono quarzo (dE=5,2 eV), diamante (dE=5,1 eV), molti sali.
Impurità e conducibilità intrinseca dei semiconduttori
I cristalli semiconduttori puri hanno una propria conduttività. Tali semiconduttori sono detti intrinseci. Un semiconduttore intrinseco contiene un numero uguale di lacune ed elettroni liberi. Quando riscaldato, la conduttività intrinseca dei semiconduttori aumenta. A temperatura costante, si crea uno stato di equilibrio dinamico nel numero di coppie elettrone-lacuna formate e nel numero di elettroni e lacune che si ricombinano, che rimangono costanti in determinate condizioni.
La presenza di impurità ha un impatto significativo sulla conducibilità elettrica dei semiconduttori. La loro somma consente di aumentare notevolmente il numero di elettroni liberi con un numero ridotto di lacune e di aumentare il numero di lacune con un numero ridotto di elettroni a livello di conduzione. I semiconduttori di impurità sono conduttori con conduttività di impurità.
Le impurità che donano facilmente elettroni sono chiamate impurità del donatore. Le impurità del donatore possono essere elementi chimici con atomi i cui livelli di valenza contengono più elettroni degli atomi della sostanza base. Ad esempio, fosforo e bismuto sono impurità di donatori di silicio.
L'energia necessaria per far s altare un elettrone nella regione di conduzione è chiamata energia di attivazione. I semiconduttori di impurità ne richiedono molto meno rispetto al materiale di base. Con un leggero riscaldamento o illuminazione, vengono rilasciati principalmente gli elettroni degli atomi dei semiconduttori di impurità. Il posto dell'elettrone che lascia l'atomo è occupato da un buco. Ma la ricombinazione degli elettroni in buchi praticamente non si verifica. La conduttività del foro del donatore è trascurabile. Questo perché il piccolo numero di atomi di impurità non consente agli elettroni liberi di avvicinarsi spesso alla lacuna e di occuparla. Gli elettroni sono vicini ai buchi, ma non sono in grado di riempirli a causa di un livello di energia insufficiente.
L'aggiunta insignificante di un'impurità di un donatore di diversi ordini di grandezza aumenta il numero di elettroni di conduzione rispetto al numero di elettroni liberi nel semiconduttore intrinseco. Gli elettroni qui sono i principali portatori di carica degli atomi dei semiconduttori di impurità. Queste sostanze sono classificate come semiconduttori di tipo n.
Le impurità che legano gli elettroni di un semiconduttore, aumentando il numero di buchi in esso, sono dette accettore. Le impurità accettori sono elementi chimici con meno elettroni a livello di valenza rispetto al semiconduttore di base. Boro, gallio, indio - accettoreimpurità per il silicio.
Le caratteristiche di un semiconduttore dipendono dai difetti nella sua struttura cristallina. Questo è il motivo della necessità di coltivare cristalli estremamente puri. I parametri di conducibilità del semiconduttore sono controllati mediante l'aggiunta di droganti. I cristalli di silicio sono drogati con fosforo (elemento del sottogruppo V), che è un donatore, per creare un cristallo di silicio di tipo n. Per ottenere un cristallo con conducibilità del foro, nel silicio viene introdotto un accettore di boro. I semiconduttori con un livello di Fermi compensato per spostarlo al centro del gap di banda vengono creati in modo simile.
Semiconduttori a cella singola
Il semiconduttore più comune è, ovviamente, il silicio. Insieme al germanio, è diventato il prototipo di un'ampia classe di semiconduttori con strutture cristalline simili.
La struttura dei cristalli di Si e Ge è la stessa di quella del diamante e dell'α-stagno. In esso, ogni atomo è circondato da 4 atomi più vicini, che formano un tetraedro. Questa coordinazione è chiamata quadrupla. I cristalli tetra-legati sono diventati la base dell'industria elettronica e svolgono un ruolo chiave nella tecnologia moderna. Alcuni elementi dei gruppi V e VI della tavola periodica sono anche semiconduttori. Esempi di semiconduttori di questo tipo sono fosforo (P), zolfo (S), selenio (Se) e tellurio (Te). In questi semiconduttori, gli atomi possono avere una coordinazione tripla (P), doppia (S, Se, Te) o quadrupla. Di conseguenza, elementi simili possono esistere in diversistrutture cristalline, ed essere ottenuti anche sotto forma di vetro. Ad esempio, Se è stato coltivato in strutture cristalline monocline e trigonali o come vetro (che può anche essere considerato un polimero).
- Il diamante ha un'eccellente conduttività termica, eccellenti caratteristiche meccaniche e ottiche, elevata resistenza meccanica. Larghezza del gap energetico - dE=5,47 eV.
- Il silicio è un semiconduttore utilizzato nelle celle solari e in forma amorfa nelle celle solari a film sottile. È il semiconduttore più utilizzato nelle celle solari, di facile fabbricazione e ha buone proprietà elettriche e meccaniche. dE=1,12 eV.
- Il germanio è un semiconduttore utilizzato nella spettroscopia gamma, celle fotovoltaiche ad alte prestazioni. Utilizzato nei primi diodi e transistor. Richiede meno pulizia del silicone. dE=0,67 eV.
- Il selenio è un semiconduttore utilizzato nei raddrizzatori al selenio, che hanno un'elevata resistenza alle radiazioni e capacità di autorigenerazione.
Composti a due elementi
Le proprietà dei semiconduttori formati dagli elementi del 3° e 4° gruppo della tavola periodica assomigliano alle proprietà delle sostanze del 4° gruppo. Passaggio dagli elementi del gruppo 4 ai composti 3–4 gr. rende i legami parzialmente ionici a causa del trasferimento di carica elettronica dall'atomo del gruppo 3 all'atomo del gruppo 4. La ionicità cambia le proprietà dei semiconduttori. È la ragione dell'aumento dell'interazione dell'interione di Coulomb e dell'energia del gap di banda energeticastrutture elettroniche. Un esempio di un composto binario di questo tipo è l'antimonide di indio InSb, l'arseniuro di gallio GaAs, l'antimonide di gallio GaSb, il fosfuro di indio InP, l'antimonide di alluminio AlSb, il fosfuro di gallio GaP.
La ionizzazione aumenta e il suo valore cresce ancora di più nei composti di sostanze dei gruppi 2-6, come seleniuro di cadmio, solfuro di zinco, solfuro di cadmio, tellururo di cadmio, seleniuro di zinco. Di conseguenza, la maggior parte dei composti dei gruppi 2-6 ha un gap di banda più ampio di 1 eV, ad eccezione dei composti del mercurio. Il tellururo di mercurio è un semiconduttore senza gap energetico, un semimetallo, come l'α-stagno.
I semiconduttori del gruppo 2-6 con un grande gap energetico sono utilizzati nella produzione di laser e display. Le connessioni binarie di 2-6 gruppi con un gap energetico ridotto sono adatte per ricevitori a infrarossi. I composti binari degli elementi dei gruppi 1–7 (bromuro di rame CuBr, ioduro d'argento AgI, cloruro di rame CuCl) a causa della loro elevata ionicità hanno un intervallo di banda più ampio di 3 eV. In re altà non sono semiconduttori, ma isolanti. L'aumento dell'energia di ancoraggio del cristallo dovuto all'interazione interionica di Coulomb contribuisce alla strutturazione degli atomi di salgemma con coordinazione sei volte piuttosto che quadratica. Anche i composti dei gruppi 4–6 - solfuro di piombo e tellururo, solfuro di stagno - sono semiconduttori. Il grado di ionicità di queste sostanze contribuisce anche alla formazione di una coordinazione di sei volte. La ionicità significativa non impedisce loro di avere gap di banda molto stretti, il che consente loro di essere utilizzati per ricevere radiazioni infrarosse. Il nitruro di gallio - un composto di 3-5 gruppi con un ampio gap energetico, ha trovato applicazione nei semiconduttorilaser e LED operanti nella parte blu dello spettro.
- Il GaAs, arseniuro di gallio, è il secondo semiconduttore più utilizzato dopo il silicio, comunemente usato come substrato per altri conduttori come GaInNA e InGaAs, in diodi IR, microcircuiti e transistor ad alta frequenza, celle solari ad alta efficienza, diodi laser, rivelatori a cura nucleare. dE=1,43 eV, che consente di aumentare la potenza dei dispositivi rispetto al silicio. Fragile, contiene più impurità, difficile da produrre.
- ZnS, solfuro di zinco - sale di zinco dell'acido idrosolfuro con un intervallo di banda di 3,54 e 3,91 eV, utilizzato nei laser e come fosforo.
- SnS, solfuro di stagno - un semiconduttore utilizzato nei fotoresistenze e nei fotodiodi, dE=1, 3 e 10 eV.
Ossidi
Gli ossidi metallici sono per lo più ottimi isolanti, ma ci sono delle eccezioni. Esempi di semiconduttori di questo tipo sono ossido di nichel, ossido di rame, ossido di cob alto, biossido di rame, ossido di ferro, ossido di europio, ossido di zinco. Poiché il biossido di rame esiste come minerale cuprite, le sue proprietà sono state ampiamente studiate. La procedura per la coltivazione di semiconduttori di questo tipo non è ancora completamente compresa, quindi la loro applicazione è ancora limitata. L'eccezione è l'ossido di zinco (ZnO), un composto del gruppo 2-6 utilizzato come convertitore e nella produzione di nastri adesivi e cerotti.
La situazione è cambiata radicalmente dopo che la superconduttività è stata scoperta in molti composti del rame con l'ossigeno. PrimoIl superconduttore ad alta temperatura scoperto da Müller e Bednorz era un composto basato sul semiconduttore La2CuO4 con un gap energetico di 2 eV. Sostituendo il lantanio trivalente con bario bivalente o stronzio, nel semiconduttore vengono introdotti portatori di carica lacustre. Raggiungere la concentrazione richiesta di fori trasforma La2CuO4 in un superconduttore. Attualmente, la più alta temperatura di transizione allo stato superconduttore appartiene al composto HgBaCa2Cu3O8. Ad alta pressione, il suo valore è 134 K.
ZnO, ossido di zinco, viene utilizzato in varistori, LED blu, sensori di gas, sensori biologici, rivestimenti per finestre per riflettere la luce infrarossa, come conduttore in LCD e pannelli solari. dE=3,37 eV.
Strato di cristalli
I composti doppi come il diioduro di piombo, il seleniuro di gallio e il bisolfuro di molibdeno sono caratterizzati da una struttura cristallina a strati. I legami covalenti di forza significativa agiscono negli strati, molto più forti dei legami di van der Waals tra gli strati stessi. I semiconduttori di questo tipo sono interessanti in quanto gli elettroni si comportano in modo quasi bidimensionale negli strati. L'interazione degli strati viene modificata dall'introduzione di atomi estranei - intercalazione.
MoS2, il bisolfuro di molibdeno viene utilizzato in rivelatori ad alta frequenza, raddrizzatori, memristori e transistor. dE=1,23 e 1,8 eV.
Semiconduttori organici
Esempi di semiconduttori a base di composti organici - naftalene, poliacetilene(CH2) , antracene, polidiacetilene, ftalocianuri, polivinilcarbazolo. I semiconduttori organici hanno un vantaggio rispetto a quelli inorganici: è facile conferire loro le qualità desiderate. Le sostanze con legami coniugati del tipo –С=С–С=hanno una non linearità ottica significativa e, per questo motivo, sono utilizzate nell'optoelettronica. Inoltre, le zone di discontinuità energetica dei semiconduttori organici vengono modificate modificando la formula del composto, che è molto più semplice di quella dei semiconduttori convenzionali. Allotropi cristallini di fullerene di carbonio, grafene e nanotubi sono anche semiconduttori.
- Il fullerene ha una struttura a forma di poliedro chiuso convesso di un numero pari di atomi di carbonio. E doping il fullerene C60 con un metallo alcalino lo trasforma in un superconduttore.
- Il grafene è formato da uno strato monoatomico di carbonio collegato in un reticolo esagonale bidimensionale. Ha una conduttività termica record e mobilità elettronica, elevata rigidità
- I nanotubi sono lastre di grafite arrotolate in un tubo, con un diametro di pochi nanometri. Queste forme di carbonio sono molto promettenti nella nanoelettronica. Può presentare qualità metalliche o semiconduttive a seconda dell'accoppiamento.
Semiconduttori magnetici
I composti con europio magnetico e ioni manganese hanno curiose proprietà magnetiche e di semiconduttore. Esempi di semiconduttori di questo tipo sono solfuro di europio, seleniuro di europio e soluzioni solide comeCd1-xMnxTe. Il contenuto di ioni magnetici influenza il modo in cui le proprietà magnetiche come l'antiferromagnetismo e il ferromagnetismo si manifestano nelle sostanze. I semiconduttori semimagnetici sono soluzioni magnetiche solide di semiconduttori che contengono ioni magnetici in una piccola concentrazione. Tali soluzioni solide attirano l'attenzione grazie alla loro promessa e al grande potenziale per possibili applicazioni. Ad esempio, a differenza dei semiconduttori non magnetici, possono raggiungere una rotazione di Faraday un milione di volte maggiore.
I potenti effetti magneto-ottici dei semiconduttori magnetici ne consentono l'utilizzo per la modulazione ottica. Perovskiti come Mn0, 7Ca0, 3O3, superano il metallo, un semiconduttore, la cui diretta dipendenza dal campo magnetico determina il fenomeno della magnetoresistenza gigante. Sono utilizzati nell'ingegneria radio, nei dispositivi ottici controllati da un campo magnetico, nelle guide d'onda dei dispositivi a microonde.
Ferroelettrico a semiconduttore
Questo tipo di cristalli si distingue per la presenza di momenti elettrici in essi e per il verificarsi di polarizzazione spontanea. Ad esempio, semiconduttori come il titanato di piombo PbTiO3, il titanato di bario BaTiO3, il tellururo di germanio GeTe, il tellururo di stagno SnTe, che a basse temperature hanno proprietà ferroelettrico. Questi materiali sono utilizzati in sensori ottici, di memoria e piezoelettrici non lineari.
Varietà di materiali semiconduttori
In aggiunta a quanto soprasostanze semiconduttrici, ce ne sono molte altre che non rientrano in nessuno dei tipi elencati. Connessioni di elementi secondo la formula 1-3-52 (AgGaS2) e 2-4-52 (ZnSiP2) formano cristalli nella struttura della calcopirite. I legami dei composti sono tetraedrici, simili ai semiconduttori dei gruppi 3–5 e 2–6 con la struttura cristallina della miscela di zinco. I composti che formano gli elementi dei semiconduttori dei gruppi 5 e 6 (come As2Se3) sono semiconduttori sotto forma di cristallo o vetro. I calcogenuri di bismuto e antimonio sono utilizzati nei generatori termoelettrici a semiconduttore. Le proprietà dei semiconduttori di questo tipo sono estremamente interessanti, ma non hanno guadagnato popolarità a causa della loro applicazione limitata. Tuttavia, il fatto che esistano conferma l'esistenza di aree della fisica dei semiconduttori che non sono state ancora completamente esplorate.
