Сімейство напівпровідників, включаючи синтезовані в лабораторіях, являє собою один з найбільш різнобічних класів матеріалів. Цей клас має широке застосування в промисловості. Одна з відмінних властивостей напівпровідників полягає в тому, що при низьких температурах вони ведуть себе як діелектрики, а при високих - як провідники.
Найвідомішим напівпровідником є кремній (Si). Але, крім нього, сьогодні відомо багато природних напівпровідникових матеріалів: куприт (Cu2O), цинкова обманка (ZnS), галеніт (PbS) та ін.
Характеристика і визначення напівпровідників
У таблиці Менделєєва 25 хімічних елементів є неметаллами, з яких 13 елементів мають напівпровідникові властивості. Основна відмінність напівпровідників від інших елементів полягає в тому, що їх електропровідність істотно зростає при підвищенні температури.
Іншою особливістю напівпровідника є те, що його опір падає під впливом світла. Причому електропровідність напівпровідників змінюється при додаванні до складу незначної кількості домішки.
Напівпровідники можна зустріти серед хімічних сполук з різноманітними кристалічними структурами. Наприклад, такі елементи, як кремній і селен, або подвійні з 'єднання на зразок арсенід галію.
До напівпровідникових матеріалів можуть відноситися і багато органічних сполук, наприклад поліацетилен (CH) n. Напівпровідники можуть виявляти магнітні (Cd1-xMnxTe) або сегнетоелектричні властивості (SbSI). При достатньому легуванні деякі стають надпровідниками (SrTiO3 і GeTe).
Напівпровідник можна визначити як матеріал з електричним опором від 10-4 до 107 Ом · м. Можливо і таке визначення: ширина забороненої зони напівпровідника повинна становити від 0 до 3 еВ.
Властивості напівпровідників: примісна і власна провідність
Чисті напівпровідникові матеріали мають власну провідність. Такі напівпровідники і називаються власними, вони містять рівну кількість дірок і вільних електронів. Власна провідність напівпровідників зростає при нагріванні. При постійній температурі кількість рекомбінуючих електронів і дірок залишається незмінною.
Наявність домішок у напівпровідниках суттєво впливає на їх електропровідність. Це дозволяє збільшити кількість вільних електронів при невеликому числі дірок і навпаки. Примісні напівпровідники володіють домішкою провідністю.
Домішки, які з легкістю віддають напівпровіднику електрони, називаються донорними. Донорними домішками можуть бути, наприклад, фосфор і вісмут.
Домішки, які пов 'язують електрони напівпровідника і збільшують тим самим у ньому кількість дірок, називають акцепторними. Акцепторні домішки: бір, галій, індій.
Характеристики напівпровідника залежать від дефектів його кристалічної структури. Це є основною причиною необхідності вирощування в штучних умовах гранично чистих кристалів.
Параметрами провідності напівпровідника при цьому можна керувати шляхом додавання легуючих присадок. Кристали кремнію легуються фосфором, який в даному випадку є донором для створення кристала кремнію n-типу. Для отримання кристала з дірочною провідністю в напівпровідник кремній додають акцептор бір.
Типи напівпровідників: одноелементні та дволементні з "єднання
Найпоширенішим одноелементним напівпровідником є кремній. Разом з німеччиною (Ge) кремній вважається прототипом широкого класу напівпровідників, що володіють аналогічними структурами кристала.
Структура кристалів Si і Ge така ж, що у алмаза і лід-олова з чотириразовою координація, де кожен атом оточують 4 найближчих атома. Кристали з тетрадричним зв 'язком вважаються базовими для промисловості і відіграють ключову роль у сучасній технології.
Властивості та застосування одноелементних напівпровідників:
- Кремній - напівпровідник, що активно застосовується в сонячних батареях, а в аморфній формі його можна використовувати в тонкоплівкових сонячних батареях. Також він є найбільш часто використовуваним напівпровідником у фотоелементах. Він простий у виробництві і володіє хорошими механічними і електричними та якостями.
- Алмаз - напівпровідник, що володіє відмінною термічною провідністю, чудовими оптичними і механічними характеристиками, високою міцністю.
- Германій використовується в гамма-спектроскопії, високоефективних фотоелементах. Елемент застосовувався при створенні перших діодів і транзисторів. Йому потрібно менше очищення, ніж кремнію.
- Селен - напівпровідник, що застосовується в селенових випрямниках, він володіє високою радіаційною стійкістю і здатністю до самовстановлення.
Зростання іонності елементів змінює властивості напівпровідників і дозволяє утворювати дволементні з 'єднання:
- Арсенід галію (GaAs) - другий за частотою застосування після кремнію напівпровідник, зазвичай він використовується як підкладка для інших провідників, наприклад, в ІК-сетодіодах, високочастотних мікросхемах і транзисторах, фотоелементах, лазерних діодах, детекторах ядерного лікування. Однак він тендітний, містить більше домішок і складний у виготовленні.
- Сульфід цинку (ZnS) - цинкова сіль сірководневої кислоти використовується в лазерах і в якості люмінофору.
- Сульфід олова (SnS) - напівпровідник, який використовують у фотодіодах і фоторезисторах.
Приклади напівпровідників
Оксиди є чудовими ізоляторами. Приклади напівпровідників цього типу - оксид міді, оксид нікелю, двоокис міді, оксид кобальту, оксид європія, оксид заліза, оксид цинку.
Процедура вирощування напівпровідників даного типу не зовсім вивчена, тому їх застосування поки обмежене за винятком оксиду цинку (ZnO), що використовується в якості перетворювача і у виробництві клеїчних стрічок і пластирів.
Крім цього оксид цинку застосовується у варисторах, датчиках газу, блакитних світлодіодах, біологічних сенсорах. Використовується напівпровідник і для покриття віконних скла з метою відбиття інфрачервоного світла, його можна зустріти в ЖК-дисплеях і сонячних батареях.
Шарковиті кристали - це подвійні сполуки, подібні дііодиду свинцю, дисульфіду молібдену і селеніду галію. Вони відрізняються слоїстою будовою кристала, де діють ковалентні зв 'язки значної сили. Напівпровідники такого типу цікаві тим, що електрони поводяться в шарах квазі-^ ерно. Взаємодія шарів змінюється введенням до складу сторонніх атомів. Дисульфід молібдену (MoS2) застосовується у високочастотних випрямлювачах, детекторах, транзисторах, мемристорах.
Органічні напівпровідники являють собою широкий клас речовин: нафталін, антрацен, полідіацетилен, фталоціаніди, полівінілкарбазол. У них є перевага перед неорганічними: їм легко надати потрібні якості. Вони мають значну оптичну нелінійність і тому широко використовуються оптоелектроніці.
Кристалічні аллотропи вуглецю теж належать до напівпровідників:
- Фуллерен зі структурою у вигляді випуклого замкнутого багатогранника.
- Графен з одноатомним шаром вуглецю володіє рекордною теплопровідністю і рухливістю електронів, підвищеною жорсткістю.
- Нанотрубки - згорнуті в трубку пластини графіту в нанометрів у діаметрі. Залежно від зчеплення можуть проявляти металеві або напівпровідникові якості.
Приклади магнітних напівпровідників: сульфід європія, селенид європія і тверді розчини. Вміст магнітних іонів впливає на магнітні властивості, антиферромагнетизм і ферромагнетизм. Сильні магнітооптичні ефекти магнітних напівпровідників дозволяють використовувати їх для оптичної модуляції. Застосовуються вони в радіотехнічних, оптичних приладах, у хвилеводах СВЧ-пристроїв.
Напівпровідникові сегнетоелектрики відрізняються наявністю в них електричних моментів і виникненням спонтанної поляризації. Приклад напівпровідників: титанат свинцю (PbTiO3), телурід німеччина (GeTe), титанат барію BaTiO3, телурід олова SnTe. При низьких температурах мають властивості сегнетоелектрика. Ці матеріали застосовуються в запам 'ятовуючих, нелінійно-оптичних пристроях і п' єзодатчиках.