Eng mashhur yarimo'tkazgich kremniydir (Si). Ammo undan tashqari yana ko'p odamlar bor. Sink aralashmasi (ZnS), kuprit (Cu2O), galen (PbS) va boshqalar kabi tabiiy yarimo'tkazgichlar bunga misoldir. Yarimo'tkazgichlar oilasi, jumladan, laboratoriyada sintez qilingan yarimo'tkazgichlar insonga ma'lum bo'lgan eng ko'p qirrali materiallar sinflaridan biridir.
Yarim o'tkazgichlarning xarakteristikasi
Davriy sistemaning 104 ta elementidan 79 tasi metallar, 25 tasi nometalllar, shulardan 13 tasi kimyoviy element yarimoʻtkazgich, 12 tasi dielektrikdir. Yarimo'tkazgichlar orasidagi asosiy farq shundaki, ularning elektr o'tkazuvchanligi harorat oshishi bilan sezilarli darajada oshadi. Past haroratlarda ular dielektriklar kabi, yuqori haroratlarda esa o'tkazgichlar kabi harakat qilishadi. Yarimo'tkazgichlar metallardan shunday farq qiladi: metallning qarshiligi harorat oshishiga mutanosib ravishda ortadi.
Yarimo'tkazgichning metalldan yana bir farqi shundaki, yarimo'tkazgichning qarshiligiyorug'lik ta'siriga tushadi, ikkinchisi esa metallga ta'sir qilmaydi. Yarimo'tkazgichlarning o'tkazuvchanligi oz miqdorda nopoklik kiritilganda ham o'zgaradi.
Yarimo'tkazgichlar turli kristall tuzilishga ega kimyoviy birikmalar orasida uchraydi. Bu kremniy va selen kabi elementlar yoki galyum arsenid kabi ikkilik birikmalar bo'lishi mumkin. Ko'pgina organik birikmalar, masalan, poliasetilen (CH)n, yarimo'tkazgichlardir. Ba'zi yarim o'tkazgichlar magnit (Cd1-xMnxTe) yoki ferroelektrik xossalarini (SbSI) namoyon qiladi. Etarli miqdorda dopingga ega bo'lganlar supero'tkazuvchilarga aylanadi (GeTe va SrTiO3). Yaqinda kashf etilgan yuqori haroratli supero'tkazgichlarning ko'pchiligi metall bo'lmagan yarim o'tkazgich fazalariga ega. Masalan, La2CuO4 yarimo'tkazgichdir, lekin Sr bilan qotishganda u o'ta o'tkazgichga aylanadi (La1-x Srx)2CuO4.
Fizika darsliklarida yarimoʻtkazgich 10-4 dan 107 Ohm·m gacha boʻlgan elektr qarshilikka ega material sifatida taʼriflanadi. Muqobil ta'rif ham mumkin. Yarimo'tkazgichning tarmoqli oralig'i 0 dan 3 eV gacha. Metallar va yarim metallar energiya bo'shlig'i nolga teng bo'lgan materiallar va u 3 eV dan oshadigan moddalar izolyatorlar deb ataladi. Istisnolar ham mavjud. Misol uchun, yarimo'tkazgichli olmos 6 eV tarmoqli bo'shlig'iga ega, yarim izolyatsiya qiluvchi GaAs - 1,5 eV. GaN, koʻk mintaqadagi optoelektron qurilmalar uchun material, 3,5 eV diapazonga ega.
Energiyadagi bo'shliq
Kristal panjaradagi atomlarning valentlik orbitallari energiya sathining ikki guruhiga bo'linadi - eng yuqori darajada joylashgan va yarim o'tkazgichlarning elektr o'tkazuvchanligini aniqlaydigan erkin zona va quyida joylashgan valentlik zonasi. Bu darajalar kristall panjaraning simmetriyasiga va atomlar tarkibiga qarab, kesishishi yoki bir-biridan uzoqda joylashgan bo'lishi mumkin. Ikkinchi holda, zonalar orasida energiya bo'shlig'i yoki boshqacha aytganda, taqiqlangan zona paydo bo'ladi.
Darajalarning joylashishi va toʻldirilishi moddaning oʻtkazuvchanlik xususiyatlarini aniqlaydi. Shu asosda moddalar o'tkazgichlar, izolyatorlar va yarim o'tkazgichlarga bo'linadi. Yarimo'tkazgichning tarmoqli kengligi 0,01-3 eV oralig'ida o'zgarib turadi, dielektrikning energiya bo'shlig'i 3 eV dan oshadi. Metalllarda bir-biriga o‘xshash darajalar tufayli energiya bo‘shliqlari yo‘q.
Yarimo'tkazgichlar va dielektriklar metallardan farqli o'laroq, elektronlar bilan to'ldirilgan valentlik zonasiga ega va eng yaqin erkin band yoki o'tkazuvchanlik zonasi valentlik zonasidan energiya bo'shlig'i - taqiqlangan elektron energiyalar hududi bilan o'ralgan..
Dielektriklarda bu bo'shliqdan sakrash uchun issiqlik energiyasi yoki ahamiyatsiz elektr maydoni etarli emas, elektronlar o'tkazuvchanlik zonasiga kirmaydi. Ular kristall panjara bo'ylab harakatlana olmaydi va elektr tokining tashuvchisiga aylanadi.
Elektr oʻtkazuvchanligini qoʻzgʻatish uchun valentlik darajasidagi elektronga energiyani yengish uchun yetarli boʻlgan energiya berilishi kerak.bo'shliq. Faqat energiya bo'shlig'ining qiymatidan kam bo'lmagan energiya miqdorini o'zlashtirganda, elektron valentlik darajasidan o'tkazuvchanlik darajasiga o'tadi.
Agar energiya bo'shlig'ining kengligi 4 eV dan oshsa, yarimo'tkazgich o'tkazuvchanligini nurlanish yoki isitish orqali qo'zg'atish deyarli mumkin emas - erish haroratidagi elektronlarning qo'zg'alish energiyasi energiya bo'shlig'i zonasidan o'tish uchun etarli emas. Qizdirilganda, kristal elektron o'tkazuvchanlik paydo bo'lguncha eriydi. Bu moddalarga kvarts (dE=5,2 eV), olmos (dE=5,1 eV), ko'plab tuzlar kiradi.
Yarimo'tkazgichlarning nopokligi va ichki o'tkazuvchanligi
Sof yarimo'tkazgich kristallari o'ziga xos o'tkazuvchanlikka ega. Bunday yarim o'tkazgichlar ichki deb ataladi. Ichki yarimo'tkazgichda teng miqdordagi teshiklar va erkin elektronlar mavjud. Qizdirilganda yarimo'tkazgichlarning ichki o'tkazuvchanligi ortadi. Doimiy haroratda dinamik muvozanat holati hosil bo'lgan elektron-teshik juftlari soni va berilgan sharoitlarda doimiy bo'lib qoladigan rekombinatsiya qiluvchi elektronlar va teshiklar sonida yuzaga keladi.
Nopoklarning mavjudligi yarimo'tkazgichlarning elektr o'tkazuvchanligiga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Ularning qo'shilishi kam sonli teshiklari bo'lgan erkin elektronlar sonini sezilarli darajada oshirishga va o'tkazuvchanlik darajasida kam sonli elektronli teshiklar sonini oshirishga imkon beradi. Nopok yarim o'tkazgichlar ifloslik o'tkazuvchanligiga ega o'tkazgichlardir.
Elektronlarni oson beradigan aralashmalar donor aralashmalar deb ataladi. Donor aralashmalari valentlik darajasi asosiy moddaning atomlariga qaraganda ko'proq elektronni o'z ichiga olgan atomlarga ega kimyoviy elementlar bo'lishi mumkin. Masalan, fosfor va vismut kremniy donor aralashmalaridir.
Elektronni oʻtkazuvchanlik hududiga sakrash uchun zarur boʻlgan energiya aktivlanish energiyasi deb ataladi. Nopok yarim o'tkazgichlar asosiy materialga qaraganda kamroq talab qiladi. Engil isitish yoki yorug'lik bilan, asosan, nopoklik yarimo'tkazgichlari atomlarining elektronlari chiqariladi. Atomdan chiqib ketayotgan elektronning joyini teshik egallaydi. Ammo elektronlarning teshiklarga rekombinatsiyasi deyarli sodir bo'lmaydi. Donorning teshik o'tkazuvchanligi ahamiyatsiz. Buning sababi shundaki, kam miqdordagi nopoklik atomlari erkin elektronlarning ko'pincha teshikka yaqinlashib, uni egallashiga imkon bermaydi. Elektronlar teshiklarga yaqin, lekin energiya darajasi yetarli emasligi sababli ularni toʻldira olmaydi.
Donor nopokligining bir necha darajali arzimas qo’shilishi o’tkazuvchanlik elektronlari sonini ichki yarimo’tkazgichdagi erkin elektronlar soniga nisbatan oshiradi. Bu erda elektronlar nopok yarim o'tkazgichlar atomlarining asosiy zaryad tashuvchilari hisoblanadi. Bu moddalar n-tipli yarimo‘tkazgichlar sifatida tasniflanadi.
Yarimo’tkazgichning elektronlarini bog’laydigan, undagi teshiklar sonini ko’paytiruvchi aralashmalar akseptor deyiladi. Qabul qiluvchi aralashmalar - bu asosiy yarimo'tkazgichga qaraganda valentlik darajasida kamroq elektronga ega kimyoviy elementlar. Bor, galiy, indiy - qabul qiluvchikremniy uchun aralashmalar.
Yarimo'tkazgichning xarakteristikalari uning kristall tuzilishidagi nuqsonlarga bog'liq. Bu juda toza kristallarni etishtirish zaruratining sababidir. Yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanlik parametrlari qo'shimcha moddalarni qo'shish orqali nazorat qilinadi. Kremniy kristallari n-tipli kremniy kristalini yaratish uchun donor bo'lgan fosfor (V kichik guruh elementi) bilan qo'shiladi. Teshik o'tkazuvchanligi bo'lgan kristallni olish uchun kremniyga bor qabul qiluvchisi kiritiladi. Tarmoq oralig'ining o'rtasiga ko'chirish uchun kompensatsiyalangan Fermi darajasiga ega yarimo'tkazgichlar xuddi shunday tarzda yaratilgan.
Bir hujayrali yarimo'tkazgichlar
Eng keng tarqalgan yarimo'tkazgich, albatta, kremniydir. U germaniy bilan birgalikda kristall tuzilmalari oʻxshash boʻlgan keng toifadagi yarimoʻtkazgichlar prototipiga aylandi.
Si va Ge kristallarining tuzilishi olmos va a-qalayniki bilan bir xil. Unda har bir atom eng yaqin 4 ta atom bilan o'ralgan bo'lib, ular tetraedr hosil qiladi. Ushbu muvofiqlashtirish to'rtlik deb ataladi. Tetra bog'langan kristallar elektronika sanoatining asosiga aylandi va zamonaviy texnologiyalarda asosiy rol o'ynaydi. Davriy sistemaning V va VI guruhlarining ba'zi elementlari ham yarim o'tkazgichlardir. Bu turdagi yarim o'tkazgichlarga fosfor (P), oltingugurt (S), selen (Se) va tellur (Te) misol bo'ladi. Ushbu yarim o'tkazgichlarda atomlar uch marta (P), ikki marta (S, Se, Te) yoki to'rt marta koordinatsiyaga ega bo'lishi mumkin. Natijada, o'xshash elementlar bir nechta turli xil bo'lishi mumkinkristall tuzilmalar, shuningdek, shisha shaklida olinadi. Misol uchun, Se monoklinik va trigonal kristall tuzilmalarda yoki shisha shaklida o'stirilgan (uni polimer deb ham hisoblash mumkin).
- Olmos mukammal issiqlik o'tkazuvchanligiga, mukammal mexanik va optik xususiyatlarga ega, yuqori mexanik kuchga ega. Energiya bo'shlig'i kengligi - dE=5,47 eV.
- Kremniy quyosh batareyalarida va amorf shaklda yupqa plyonkali quyosh kameralarida ishlatiladigan yarimo'tkazgichdir. Bu quyosh batareyalarida eng ko'p ishlatiladigan yarimo'tkazgich bo'lib, ishlab chiqarish oson va yaxshi elektr va mexanik xususiyatlarga ega. dE=1,12 eV.
- Germanium gamma-spektroskopiya, yuqori samarali fotovoltaik hujayralarda ishlatiladigan yarimo'tkazgichdir. Birinchi diodlar va tranzistorlarda qo'llaniladi. Silikonga qaraganda kamroq tozalashni talab qiladi. dE=0,67 eV.
- Selen yarimoʻtkazgich boʻlib, selenli rektifikatorlarda qoʻllaniladi, ular yuqori nurlanishga chidamliligi va oʻz-oʻzini davolash qobiliyatiga ega.
Ikki elementli birikmalar
Davriy sistemaning 3- va 4-guruhlari elementlaridan hosil boʻlgan yarimoʻtkazgichlarning xossalari 4-guruh moddalarining xossalariga oʻxshaydi. 4-guruh elementlaridan birikmalarga o'tish 3-4 gr. elektron zaryadining 3-guruh atomidan 4-guruh atomiga oʻtishi hisobiga bogʻlanishlarni qisman ionli qiladi. Ionlik yarim o'tkazgichlarning xususiyatlarini o'zgartiradi. Bu Kulon interionlarining o'zaro ta'siri va energiya tasmasi bo'shlig'ining energiyasining oshishiga sababdirelektron tuzilmalar. Bu turdagi binar birikmalarga misol qilib, indiy antimonid InSb, galliy arsenid GaAs, galiy antimonid GaSb, indiy fosfidi InP, alyuminiy antimonidi AlSb, galliy fosfidi GaP.
Kadmiy selenid, rux sulfid, kadmiy sulfid, kadmiy tellurid, rux selenid kabi 2-6-guruh moddalarining birikmalarida ionlilik kuchayadi va uning qiymati yanada oshadi. Natijada, 2-6-guruhlarning aksariyat birikmalari simob birikmalaridan tashqari, 1 eV dan kengroq tarmoqli bo'shlig'iga ega. Simob telluridi energiya bo'shlig'i bo'lmagan yarim o'tkazgich, a-qalay kabi yarim metalldir.
Lazerlar va displeylar ishlab chiqarishda energiya boʻshligʻi katta boʻlgan 2-6-guruh yarimoʻtkazgichlardan foydalaniladi. Infraqizil qabul qiluvchilar uchun toraygan energiya bo'shlig'iga ega 2-6 guruhning ikkilik ulanishlari mos keladi. 1-7 guruh elementlarining ikkilik birikmalari (mis bromidi CuBr, kumush yodid AgI, mis xlorid CuCl) yuqori ionliligi tufayli 3 eV dan kengroq tarmoqli bo'shlig'iga ega. Ular aslida yarimo'tkazgichlar emas, balki izolyatorlardir. Kulonlararo o'zaro ta'sir tufayli kristalning ankraj energiyasining ortishi tosh tuzi atomlarining kvadratik koordinatsiyadan ko'ra olti barobar ko'p tuzilishiga yordam beradi. 4-6 guruh birikmalari - qo'rg'oshin sulfid va tellurid, qalay sulfid - ham yarim o'tkazgichlardir. Ushbu moddalarning ionlik darajasi ham olti marta koordinatsiyaning shakllanishiga yordam beradi. Muhim ionlik ularning juda tor tarmoqli bo'shliqlariga ega bo'lishiga to'sqinlik qilmaydi, bu ularni infraqizil nurlanishni olish uchun ishlatishga imkon beradi. Galliy nitridi - keng energiya bo'shlig'iga ega 3-5 guruhli birikma, yarimo'tkazgichlarda qo'llanilishini topdi.spektrning ko'k qismida ishlaydigan lazerlar va LEDlar.
- GaAs, galyum arsenid kremniydan keyin ikkinchi eng koʻp ishlatiladigan yarimoʻtkazgich boʻlib, odatda GaInNAs va InGaAs kabi boshqa oʻtkazgichlar uchun substrat sifatida ishlatiladi, IR diodlarda, yuqori chastotali mikrosxemalarda va tranzistorlarda, yuqori samarali quyosh batareyalarida., lazerli diodlar, yadroviy davolovchi detektorlar. dE=1,43 eV, bu kremniy bilan solishtirganda qurilmalarning kuchini oshirish imkonini beradi. Mo'rt, tarkibida ko'proq aralashmalar mavjud, ishlab chiqarish qiyin.
- ZnS, rux sulfid - 3,54 va 3,91 eV diapazonli gidrosulfid kislotaning sink tuzi, lazerlarda va fosfor sifatida ishlatiladi.
- SnS, qalay sulfid - fotorezistorlar va fotodiodlarda ishlatiladigan yarimo'tkazgich, dE=1, 3 va 10 eV.
Oksidlar
Metal oksidlari asosan ajoyib izolyatorlardir, ammo istisnolar mavjud. Ushbu turdagi yarimo'tkazgichlarga nikel oksidi, mis oksidi, kob alt oksidi, mis dioksidi, temir oksidi, evropiy oksidi, sink oksidi misol bo'ladi. Mis dioksidi kuprit minerali sifatida mavjud bo'lganligi sababli, uning xususiyatlari keng ko'lamda o'rganilgan. Ushbu turdagi yarimo'tkazgichlarni etishtirish tartibi hali to'liq tushunilmagan, shuning uchun ularni qo'llash hali ham cheklangan. Rux oksidi (ZnO) bundan mustasno, konvertor sifatida va yopishqoq lentalar va plasterlar ishlab chiqarishda ishlatiladigan 2-6 guruh birikmasidir.
Misning kislorod bilan koʻp birikmalarida oʻta oʻtkazuvchanlik aniqlangandan keyin vaziyat keskin oʻzgardi. BirinchidanMyuller va Bednorz tomonidan kashf etilgan yuqori haroratli oʻta oʻtkazgich La2CuO4 yarimoʻtkazgichga asoslangan birikma boʻlib, energiya boʻshligʻi 2 eV boʻlgan. Uch valentli lantanni ikki valentli bariy yoki stronsiy bilan almashtirish orqali yarimo'tkazgichga teshik zaryad tashuvchilar kiritiladi. Teshiklarning kerakli konsentratsiyasiga erishish La2CuO4 supero'tkazgichga aylanadi. Hozirgi vaqtda o'ta o'tkazuvchanlik holatiga eng yuqori o'tish harorati HgBaCa2Cu3O8 birikmasiga tegishli.. Yuqori bosimda uning qiymati 134 K.
ZnO, sink oksidi varistorlar, koʻk rangli LEDlar, gaz datchiklari, biologik datchiklar, oyna qoplamalarida infraqizil nurni aks ettirish uchun, LCD displeylar va quyosh panellarida oʻtkazgich sifatida ishlatiladi. dE=3,37 eV.
Qatlam kristallari
Qoʻrgʻoshin diiodidi, galiy selenid va molibden disulfidi kabi qoʻsh birikmalar qatlamli kristall strukturasi bilan ajralib turadi. Qatlamlarda sezilarli kuchga ega bo'lgan kovalent bog'lanishlar ta'sir qiladi, bu qatlamlarning o'zlari orasidagi van der Waals bog'lanishlaridan ancha kuchliroqdir. Ushbu turdagi yarimo'tkazgichlar elektronlar qatlamlarda kvazi-ikki o'lchovli harakat qilishlari bilan qiziq. Qatlamlarning o'zaro ta'siri begona atomlarning kiritilishi bilan o'zgaradi - interkalatsiya.
MoS2, molibden disulfidi yuqori chastotali detektorlarda, rektifikatorlarda, memristorlarda, tranzistorlarda ishlatiladi. dE=1,23 va 1,8 eV.
Organik yarimo'tkazgichlar
Organik birikmalarga asoslangan yarimo'tkazgichlarga misollar - naftalin, poliasetilen(CH2) , antrasen, polidiatsetilen, ftalosiyanidlar, polivinilkarbazol. Organik yarimo'tkazgichlar noorganiklarga nisbatan afzalliklarga ega: ularga kerakli sifatlarni berish oson. –S=S=tipidagi konjugatsiyalangan bog‘lanishga ega bo‘lgan moddalar sezilarli optik nochiziqlikka ega va shu sababli optoelektronikada qo‘llaniladi. Bundan tashqari, organik yarim o'tkazgichlarning energiya uzilish zonalari birikma formulasini o'zgartirish orqali o'zgartiriladi, bu an'anaviy yarim o'tkazgichlarga qaraganda ancha oson. Uglerod fulleren, grafen, nanotubalarning kristalli allotroplari ham yarimo‘tkazgichlardir.
- Fulleren juft sonli uglerod atomlaridan iborat qavariq yopiq koʻpburchak shaklida tuzilishga ega. Fulleren C60 ishqoriy metall bilan doping esa uni oʻta oʻtkazgichga aylantiradi.
- Grafen ikki oʻlchovli olti burchakli panjaraga ulangan uglerodning monotomik qatlamidan hosil boʻladi. U rekord darajadagi issiqlik o'tkazuvchanligi va elektron harakatchanligiga ega, yuqori qattiqlikka ega
- Nanotubalar bir necha nanometr diametrga ega bo'lgan naychaga o'ralgan grafit plitalari. Uglerodning bu shakllari nanoelektronikada katta istiqbolga ega. Ulanishga qarab metall yoki yarim o‘tkazuvchanlik xususiyatiga ega bo‘lishi mumkin.
Magnit yarimo'tkazgichlar
Magnit evropiy va marganets ionlari bo'lgan birikmalar qiziq magnit va yarim o'tkazgich xususiyatlarga ega. Bu turdagi yarimo'tkazgichlarga evropiy sulfid, evropiy selenid va qattiq eritmalar misol bo'la oladi. Cd1-xMnxTe. Magnit ionlarning tarkibi moddalarda antiferromagnetizm va ferromagnetizm kabi magnit xususiyatlarning namoyon bo'lishiga ta'sir qiladi. Yarimmagnit yarimo'tkazgichlar - kichik konsentratsiyada magnit ionlarini o'z ichiga olgan yarimo'tkazgichlarning qattiq magnit eritmalari. Bunday mustahkam echimlar o'zlarining va'dalari va mumkin bo'lgan ilovalar uchun katta imkoniyatlar tufayli e'tiborni tortadi. Masalan, magnit bo'lmagan yarimo'tkazgichlardan farqli o'laroq, ular Faraday aylanishini million marta oshirishi mumkin.
Magnit yarimo'tkazgichlarning kuchli magnit-optik effektlari ularni optik modulyatsiya uchun ishlatish imkonini beradi. Mn0, 7Ca0, 3O3, kabi perovskitlar yarimo'tkazgich metalidan oshib ketadi, magnit maydoniga bevosita bog'liqligi ulkan magnit qarshilik hodisasini keltirib chiqaradi. Ular radiotexnikada, magnit maydon tomonidan boshqariladigan optik qurilmalarda, mikroto'lqinli qurilmalarning to'lqin o'tkazgichlarida qo'llaniladi.
Yarim oʻtkazgichli ferroelektriklar
Bu turdagi kristallar ularda elektr momentlarining mavjudligi va o'z-o'zidan qutblanishning paydo bo'lishi bilan ajralib turadi. Masalan, past haroratlarda xossalarga ega boʻlgan qoʻrgʻoshin titanati PbTiO3, bariy titanati BaTiO3, germaniy telluridi GeTe, qalay telluridi SnTe kabi yarimoʻtkazgichlar. ferroelektrik. Bu materiallar chiziqli bo'lmagan optik, xotira va piezo sensorlarda qo'llaniladi.
Har xil yarimo'tkazgichlar
Yuqoridagilardan tashqariyarimo'tkazgichli moddalar, sanab o'tilgan turlarning hech biriga kirmaydigan ko'plab boshqa moddalar mavjud. 1-3-52 (AgGaS2) va 2-4-52 formula boʻyicha elementlarning ulanishlari (ZnSiP2) xalkopirit tarkibida kristall hosil qiladi. Aralashmalarning aloqalari tetraedral bo'lib, sink aralashmasining kristalli tuzilishi bilan 3-5 va 2-6 guruhlarning yarimo'tkazgichlariga o'xshaydi. 5 va 6-guruhlarning yarim o'tkazgichlar elementlarini tashkil etuvchi birikmalar (masalan, As2Se3) kristall yoki shisha shaklida yarimo'tkazgichdir.. Yarimoʻtkazgichli termoelektr generatorlarida vismut va surma xalkogenidlari qoʻllaniladi. Ushbu turdagi yarimo'tkazgichlarning xususiyatlari juda qiziq, ammo ular cheklangan qo'llanilishi tufayli mashhurlikka erisha olmadi. Biroq, ularning mavjudligi yarimo'tkazgichlar fizikasining hali to'liq o'rganilmagan sohalari mavjudligini tasdiqlaydi.
