El semiconductor més famós és el silici (Si). Però a més d'ell, n'hi ha molts d' altres. Un exemple són materials semiconductors naturals com la blenda de zinc (ZnS), la cuprita (Cu2O), la galena (PbS) i molts altres. La família de semiconductors, inclosos els semiconductors sintetitzats en laboratori, és una de les classes de materials més versàtils conegudes per l'home.
Caracterització de semiconductors
Dels 104 elements de la taula periòdica, 79 són metalls, 25 són no metalls, dels quals 13 elements químics tenen propietats semiconductors i 12 són dielèctrics. La principal diferència entre els semiconductors és que la seva conductivitat elèctrica augmenta significativament amb l'augment de la temperatura. A baixes temperatures es comporten com dielèctrics, i a altes temperatures es comporten com a conductors. Així és com es diferencien els semiconductors dels metalls: la resistència del metall augmenta en proporció a l'augment de la temperatura.
Una altra diferència entre un semiconductor i un metall és que la resistència d'un semiconductorcau sota la influència de la llum, mentre que aquesta no afecta el metall. La conductivitat dels semiconductors també canvia quan s'introdueix una petita quantitat d'impuresa.
Els semiconductors es troben entre els compostos químics amb una varietat d'estructures cristal·lines. Aquests poden ser elements com el silici i el seleni, o compostos binaris com l'arsenur de gal·li. Molts compostos orgànics, com el poliacetilè (CH)n, són materials semiconductors. Alguns semiconductors presenten propietats magnètiques (Cd1-xMnxTe) o ferroelèctriques (SbSI). Altres amb suficient dopatge esdevenen superconductors (GeTe i SrTiO3). Molts dels superconductors d' alta temperatura descoberts recentment tenen fases semiconductores no metàl·liques. Per exemple, La2CuO4 és un semiconductor, però quan s'alia amb Sr es converteix en un superconductor (La1-x Srx)2CuO4.
Els llibres de text de física defineixen un semiconductor com un material amb una resistència elèctrica de 10-4 a 107 Ohm·m. També és possible una definició alternativa. La banda buida d'un semiconductor és de 0 a 3 eV. Els metalls i els semimetalls són materials amb una bretxa d'energia zero, i les substàncies en què supera els 3 eV s'anomenen aïllants. També hi ha excepcions. Per exemple, el diamant semiconductor té un interval de banda de 6 eV, GaAs semiaïllant - 1,5 eV. GaN, un material per a dispositius optoelectrònics a la regió blava, té un interval de banda de 3,5 eV.
Dèficit energètic
Els orbitals de valència dels àtoms de la xarxa cristal·lina es divideixen en dos grups de nivells d'energia: la zona lliure situada al nivell més alt i que determina la conductivitat elèctrica dels semiconductors, i la banda de valència situada a sota. Aquests nivells, en funció de la simetria de la xarxa cristal·lina i de la composició dels àtoms, es poden tallar o situar-se a distància els uns dels altres. En aquest últim cas, entre les zones apareix un buit energètic o, en altres paraules, una zona prohibida.
La ubicació i l'ompliment dels nivells determina les propietats conductores de la substància. Sobre aquesta base, les substàncies es divideixen en conductors, aïllants i semiconductors. L'amplada de banda intermitent dels semiconductors varia entre 0,01 i 3 eV, la bretxa d'energia del dielèctric supera els 3 eV. Els metalls no tenen llacunes energètiques a causa dels nivells superposats.
Els semiconductors i els dielèctrics, a diferència dels metalls, tenen una banda de valència plena d'electrons, i la banda lliure més propera, o banda de conducció, està tancada de la banda de valència per un buit d'energia, una regió d'energies d'electrons prohibides..
En els dielèctrics, l'energia tèrmica o un camp elèctric insignificant no és suficient per fer un s alt a través d'aquest buit, els electrons no entren a la banda de conducció. No es poden moure al llarg de la xarxa cristal·lina i es converteixen en portadors de corrent elèctric.
Per excitar la conductivitat elèctrica, s'ha de donar a un electró al nivell de valència una energia que seria suficient per superar l'energiaescletxa. Només quan s'absorbeix una quantitat d'energia no inferior al valor de la bretxa d'energia, l'electró es mourà del nivell de valència al nivell de conducció.
En el cas que l'amplada de la bretxa d'energia superi els 4 eV, l'excitació de la conductivitat dels semiconductors per irradiació o escalfament és pràcticament impossible: l'energia d'excitació dels electrons a la temperatura de fusió és insuficient per s altar a través de la zona de bretxa d'energia. Quan s'escalfa, el cristall es fon fins que es produeix la conducció electrònica. Aquestes substàncies inclouen el quars (dE=5,2 eV), el diamant (dE=5,1 eV), moltes sals.
Impuresa i conductivitat intrínseca dels semiconductors
Els cristalls semiconductors purs tenen la seva pròpia conductivitat. Aquests semiconductors s'anomenen intrínsecs. Un semiconductor intrínsec conté el mateix nombre de forats i electrons lliures. Quan s'escalfa, augmenta la conductivitat intrínseca dels semiconductors. A temperatura constant, es produeix un estat d'equilibri dinàmic en el nombre de parells d'electró-forat formats i en el nombre d'electrons i forats que es recombinen, que romanen constants en condicions determinades.
La presència d'impureses té un impacte important en la conductivitat elèctrica dels semiconductors. Afegir-los fa possible augmentar molt el nombre d'electrons lliures amb un nombre reduït de forats i augmentar el nombre de forats amb un nombre reduït d'electrons a nivell de conducció. Els semiconductors d'impureses són conductors amb conductivitat per impureses.
Les impureses que donen electrons fàcilment s'anomenen impureses donants. Les impureses donants poden ser elements químics amb àtoms els nivells de valència dels quals contenen més electrons que els àtoms de la substància base. Per exemple, el fòsfor i el bismut són impureses donants de silici.
L'energia necessària per s altar un electró a la regió de conducció s'anomena energia d'activació. Els semiconductors d'impuresa en necessiten molt menys que el material base. Amb un lleuger escalfament o il·luminació, són predominantment els electrons dels àtoms dels semiconductors d'impureses els que s'alliberen. El lloc de l'electró que surt de l'àtom està ocupat per un forat. Però la recombinació d'electrons en forats pràcticament no es produeix. La conductivitat del forat del donant és insignificant. Això es deu al fet que el petit nombre d'àtoms d'impuresa no permet que els electrons lliures s'apropin sovint al forat i l'ocupin. Els electrons estan a prop dels forats, però no poden omplir-los a causa d'un nivell d'energia insuficient.
L'addició insignificant d'una impuresa donant en diversos ordres de magnitud augmenta el nombre d'electrons de conducció en comparació amb el nombre d'electrons lliures al semiconductor intrínsec. Els electrons aquí són els principals portadors de càrrega dels àtoms dels semiconductors d'impureses. Aquestes substàncies es classifiquen com a semiconductors de tipus n.
Les impureses que uneixen els electrons d'un semiconductor, augmentant el nombre de forats en ell, s'anomenen acceptors. Les impureses receptores són elements químics amb menys electrons a nivell de valència que el semiconductor base. Bor, gal·li, indi - acceptorimpureses per al silici.
Les característiques d'un semiconductor depenen dels defectes de la seva estructura cristal·lina. Aquesta és la raó de la necessitat de fer créixer cristalls extremadament purs. Els paràmetres de conductivitat dels semiconductors es controlen afegint dopants. Els cristalls de silici es dopen amb fòsfor (element del subgrup V), que és un donant, per crear un cristall de silici de tipus n. Per obtenir un cristall amb conductivitat del forat, s'introdueix un acceptor de bor al silici. Els semiconductors amb un nivell de Fermi compensat per moure'l al centre de la banda intermèdia es creen de manera similar.
Semiconductors d'una cèl·lula
El semiconductor més comú és, per descomptat, el silici. Juntament amb el germani, es va convertir en el prototip d'una àmplia classe de semiconductors amb estructures cristal·lines similars.
L'estructura dels cristalls de Si i Ge és la mateixa que la del diamant i l'α-estany. En ell, cada àtom està envoltat pels 4 àtoms més propers, que formen un tetraedre. Aquesta coordinació s'anomena quàdruple. Els cristalls tetra-enllaçats s'han convertit en la base de la indústria electrònica i tenen un paper clau en la tecnologia moderna. Alguns elements dels grups V i VI de la taula periòdica també són semiconductors. Exemples de semiconductors d'aquest tipus són el fòsfor (P), el sofre (S), el seleni (Se) i el tel·luri (Te). En aquests semiconductors, els àtoms poden tenir una coordinació triple (P), doble (S, Se, Te) o quatre vegades. Com a resultat, poden existir elements similars en diferentsestructures cristal·lines, i també es poden obtenir en forma de vidre. Per exemple, el Se s'ha cultivat en estructures cristal·lines monoclíniques i trigonals o com a vidre (que també es pot considerar un polímer).
- El diamant té una excel·lent conductivitat tèrmica, excel·lents característiques mecàniques i òptiques, una gran resistència mecànica. Amplada del buit d'energia - dE=5,47 eV.
- El silici és un semiconductor utilitzat en cèl·lules solars i en forma amorfa en cèl·lules solars de pel·lícula prima. És el semiconductor més utilitzat en cèl·lules solars, fàcil de fabricar i té bones propietats elèctriques i mecàniques. dE=1,12 eV.
- El germani és un semiconductor utilitzat en espectroscòpia gamma, cèl·lules fotovoltaiques d' alt rendiment. S'utilitza en els primers díodes i transistors. Requereix menys neteja que el silici. dE=0,67 eV.
- El seleni és un semiconductor que s'utilitza en rectificadors de seleni, que tenen una alta resistència a la radiació i una capacitat d'autocuració.
Compostos de dos elements
Les propietats dels semiconductors formats per elements del 3r i 4t grup de la taula periòdica s'assemblen a les propietats de les substàncies del 4t grup. Transició d'elements del grup 4 a compostos 3–4 gr. fa que els enllaços siguin parcialment iònics a causa de la transferència de càrrega electrònica de l'àtom del grup 3 a l'àtom del grup 4. La ionitat modifica les propietats dels semiconductors. És la raó de l'augment de la interacció de l'interió de Coulomb i l'energia de la banda buida d'energiaestructures d'electrons. Un exemple d'un compost binari d'aquest tipus és l'antimonur d'indi InSb, l'arsenur de gal·li GaAs, l'antimonur de gal·li GaSb, el fosfur d'indi InP, l'antimonur d'alumini AlSb, el fosfur de gal·li GaP.
La ionitat augmenta, i el seu valor creix encara més en compostos de substàncies dels grups 2-6, com ara el selenur de cadmi, el sulfur de zinc, el sulfur de cadmi, el telurur de cadmi, el selenur de zinc. Com a resultat, la majoria dels compostos dels grups 2-6 tenen un interval de banda més ample que 1 eV, excepte els compostos de mercuri. El telurur de mercuri és un semiconductor sense bretxa d'energia, un semimetall, com l'α-estany.
Els semiconductors del grup 2-6 amb una gran bretxa d'energia s'utilitzen en la producció de làsers i pantalles. Les connexions binàries de 2-6 grups amb una bretxa d'energia reduïda són adequades per a receptors d'infrarojos. Els compostos binaris d'elements dels grups 1-7 (bromur de coure CuBr, iodur de plata AgI, clorur de coure CuCl) a causa de la seva alta ionitat tenen un interval de banda més ample que 3 eV. En realitat no són semiconductors, sinó aïllants. L'augment de l'energia d'ancoratge del cristall a causa de la interacció interiònica de Coulomb contribueix a l'estructuració dels àtoms de sal de roca amb una coordinació sis vegades més que quadràtica. Els compostos dels grups 4-6 (sulfur i tel·lur de plom, sulfur d'estany) també són semiconductors. El grau d'ionicitat d'aquestes substàncies també contribueix a la formació d'una coordinació sis vegades. La ionitat important no impedeix que tinguin bandes buides molt estretes, la qual cosa els permet utilitzar-los per rebre radiació infraroja. El nitrur de gal·li: un compost de 3-5 grups amb una gran bretxa energètica, ha trobat aplicació en semiconductorslàsers i LED que funcionen a la part blava de l'espectre.
- GaAs, arsenur de gal·li, és el segon semiconductor més utilitzat després del silici, utilitzat habitualment com a substrat per a altres conductors com GaInNAs i InGaAs, en díodes IR, microcircuits i transistors d' alta freqüència, cèl·lules solars d' alta eficiència., díodes làser, detectors de cura nuclear. dE=1,43 eV, que permet augmentar la potència dels dispositius en comparació amb el silici. Fràgil, conté més impureses, difícil de fabricar.
- ZnS, sulfur de zinc: sal de zinc d'àcid hidrosulfur amb una banda intercalada de 3,54 i 3,91 eV, utilitzat en làsers i com a fòsfor.
- SnS, sulfur d'estany: un semiconductor utilitzat en fotoresistències i fotodíodes, dE=1, 3 i 10 eV.
Òxids
Els òxids metàl·lics són majoritàriament excel·lents aïllants, però hi ha excepcions. Exemples de semiconductors d'aquest tipus són òxid de níquel, òxid de coure, òxid de cob alt, diòxid de coure, òxid de ferro, òxid d'europi, òxid de zinc. Com que el diòxid de coure existeix com a cuprita mineral, les seves propietats s'han investigat àmpliament. El procediment per cultivar semiconductors d'aquest tipus encara no s'entén completament, per la qual cosa la seva aplicació encara és limitada. L'excepció és l'òxid de zinc (ZnO), un compost del grup 2-6 utilitzat com a convertidor i en la producció de cintes adhesives i guix.
La situació va canviar dràsticament després que es descobrís la superconductivitat en molts compostos de coure amb oxigen. PrimerEl superconductor d' alta temperatura descobert per Müller i Bednorz era un compost basat en el semiconductor La2CuO4 amb una bretxa d'energia de 2 eV. En substituir el lantà trivalent per bari o estronci divalent, s'introdueixen portadors de càrrega de forats al semiconductor. Arribar a la concentració requerida de forats converteix La2CuO4 en un superconductor. Actualment, la temperatura de transició més alta a l'estat superconductor pertany al compost HgBaCa2Cu3O8. A alta pressió, el seu valor és de 134 K.
ZnO, òxid de zinc, s'utilitza en varistors, LED blaus, sensors de gas, sensors biològics, revestiments de finestres per reflectir la llum infraroja, com a conductor en LCD i panells solars. dE=3,37 eV.
Capa de cristalls
Els compostos dobles com el diiodur de plom, el seleniur de gal i el disulfur de molibdè es caracteritzen per una estructura cristal·lina en capes. En les capes actuen enllaços covalents de força important, molt més forts que els enllaços de van der Waals entre les capes. Els semiconductors d'aquest tipus són interessants perquè els electrons es comporten de manera quasi bidimensional en capes. La interacció de les capes es modifica per la introducció d'àtoms estrangers - intercalació.
El disulfur de molibdè s'utilitza
MoS2, en detectors d' alta freqüència, rectificadors, memristors i transistors. dE=1,23 i 1,8 eV.
Semiconductors orgànics
Exemples de semiconductors basats en compostos orgànics: naftalè, poliacetilè(CH2) , antracè, polidiacetilè, ftalocianurs, polivinilcarbazol. Els semiconductors orgànics tenen un avantatge respecte als inorgànics: és fàcil impartir-los les qualitats desitjades. Les substàncies amb enllaços conjugats del tipus –С=С–С=tenen una no linealitat òptica important i, per això, s'utilitzen en optoelectrònica. A més, les zones de discontinuïtat energètica dels semiconductors orgànics es modifiquen canviant la fórmula composta, que és molt més fàcil que la dels semiconductors convencionals. Els al·lòtrops cristal·lins del fulerè de carboni, el grafè i els nanotubs també són semiconductors.
- El fullereno té una estructura en forma de poliedre tancat convex d'un nombre parell d'àtoms de carboni. I dopar el fullerè C60 amb un metall alcalí el converteix en un superconductor.
- El grafè està format per una capa monoatòmica de carboni connectada en una xarxa hexagonal bidimensional. Té un rècord de conductivitat tèrmica i mobilitat d'electrons, alta rigidesa
- Els nanotubs són plaques de grafit enrotllades en un tub, amb uns pocs nanòmetres de diàmetre. Aquestes formes de carboni són molt prometedores en nanoelectrònica. Pot presentar qualitats metàl·liques o semiconductores segons l'acoblament.
Semiconductors magnètics
Els compostos amb ions magnètics d'europi i manganès tenen propietats magnètiques i semiconductors curioses. Exemples de semiconductors d'aquest tipus són el sulfur d'europi, el selenur d'europi i les solucions sòlides com araCd1-xMnxTe. El contingut d'ions magnètics influeix en com les propietats magnètiques com l'antiferromagnetisme i el ferromagnetisme es manifesten en les substàncies. Els semiconductors semimagnètics són solucions magnètiques sòlides de semiconductors que contenen ions magnètics en una concentració petita. Aquestes solucions sòlides criden l'atenció per la seva promesa i gran potencial per a possibles aplicacions. Per exemple, a diferència dels semiconductors no magnètics, poden aconseguir una rotació de Faraday un milió de vegades més gran.
Els forts efectes magnetoòptics dels semiconductors magnètics permeten utilitzar-los per a la modulació òptica. Perovskites com Mn0, 7Ca0, 3O3, superen el metall, un semiconductor, la dependència directa del qual del camp magnètic dóna lloc al fenomen de la magnetoresistència gegant. S'utilitzen en enginyeria de ràdio, dispositius òptics que estan controlats per un camp magnètic, en guies d'ones de dispositius de microones.
Semiconductors ferroelèctrics
Aquest tipus de cristalls es distingeix per la presència de moments elèctrics en ells i l'aparició de polarització espontània. Per exemple, semiconductors com el titanat de plom PbTiO3, el titanat de bari BaTiO3, el telurur de germani GeTe, el telurur d'estany SnTe, que a baixes temperatures tenen propietats ferroelèctric. Aquests materials s'utilitzen en sensors òptics, de memòria i piezoelèctrics no lineals.
Varietat de materials semiconductors
A més de l'anteriorsubstàncies semiconductors, n'hi ha moltes altres que no entren en cap dels tipus enumerats. Connexions d'elements segons la fórmula 1-3-52 (AgGaS2) i 2-4-52 (ZnSiP2) formen cristalls a l'estructura de calcopirita. Els enllaços dels compostos són tetraèdrics, similars als semiconductors dels grups 3-5 i 2-6 amb l'estructura cristal·lina de la blenda de zinc. Els compostos que formen els elements dels semiconductors dels grups 5 i 6 (com As2Se3) són semiconductors en forma de cristall o vidre.. Els calcogenurs de bismut i antimoni s'utilitzen en generadors termoelèctrics de semiconductors. Les propietats dels semiconductors d'aquest tipus són extremadament interessants, però no han guanyat popularitat a causa de la seva aplicació limitada. Tanmateix, el fet que existeixin confirma l'existència d'àrees de la física dels semiconductors que encara no s'han explorat del tot.
