Ən məşhur yarımkeçirici silikondur (Si). Amma ondan başqa bir çoxları da var. Buna misal olaraq sink qarışığı (ZnS), kuprit (Cu2O), qalena (PbS) və bir çox başqaları kimi təbii yarımkeçirici materialları göstərmək olar. Laboratoriyada sintez edilmiş yarımkeçiricilər də daxil olmaqla yarımkeçiricilər ailəsi insana məlum olan ən çoxşaxəli material siniflərindən biridir.
Yarımkeçiricilərin xarakteristikası
Dövri cədvəlin 104 elementindən 79-u metal, 25-i qeyri-metaldır, onlardan 13 kimyəvi element yarımkeçirici, 12-si dielektrikdir. Yarımkeçiricilər arasındakı əsas fərq, temperaturun artması ilə onların elektrik keçiriciliyinin əhəmiyyətli dərəcədə artmasıdır. Aşağı temperaturda onlar dielektriklər kimi, yüksək temperaturda isə keçiricilər kimi davranırlar. Yarımkeçiricilər metallardan belə fərqlənir: metalın müqaviməti temperaturun artmasına mütənasib olaraq artır.
Yarımkeçirici ilə metal arasındakı digər fərq yarımkeçiricinin müqavimətidir.işığın təsiri altına düşür, ikincisi isə metala təsir etmir. Yarımkeçiricilərin keçiriciliyi də az miqdarda çirk daxil olduqda dəyişir.
Yarımkeçiricilərə müxtəlif kristal quruluşlu kimyəvi birləşmələr arasında rast gəlinir. Bunlar silisium və selenium kimi elementlər və ya qalium arsenid kimi ikili birləşmələr ola bilər. Poliasetilen (CH)n, kimi bir çox üzvi birləşmələr yarımkeçirici materiallardır. Bəzi yarımkeçiricilər maqnit (Cd1-xMnxTe) və ya ferroelektrik xassələri (SbSI) nümayiş etdirir. Kifayət qədər dopinqlə digərləri super keçirici olurlar (GeTe və SrTiO3). Bu yaxınlarda kəşf edilmiş yüksək temperaturlu superkeçiricilərin çoxunda qeyri-metal yarımkeçirici fazalar var. Məsələn, La2CuO4 yarımkeçiricidir, lakin Sr ilə ərindikdə superkeçirici olur (La1-x Srx)2CuO4.
Fizika dərsliklərində yarımkeçiricilər 10-4 ilə 107 Ohm·m arasında olan elektrik müqavimətinə malik material kimi müəyyən edilir. Alternativ tərif də mümkündür. Yarımkeçiricinin bant boşluğu 0 ilə 3 eV arasındadır. Metallar və yarımmetallar sıfır enerji boşluğu olan materiallardır və 3 eV-dən çox olan maddələr izolyator adlanır. İstisnalar da var. Məsələn, yarımkeçirici almaz 6 eV, yarıizolyasiya edən GaAs - 1,5 eV bant boşluğuna malikdir. Mavi bölgədə optoelektronik cihazlar üçün material olan GaN 3,5 eV diapazon boşluğuna malikdir.
Enerji boşluğu
Kristal qəfəsdəki atomların valentlik orbitalları enerji səviyyəsinə görə iki qrupa bölünür - ən yüksək səviyyədə yerləşən və yarımkeçiricilərin elektrik keçiriciliyini təyin edən sərbəst zona və aşağıda yerləşən valentlik zolağı. Bu səviyyələr, kristal qəfəsin simmetriyasından və atomların tərkibindən asılı olaraq, kəsişə bilər və ya bir-birindən uzaqda yerləşə bilər. Sonuncu halda, zonalar arasında enerji boşluğu və ya başqa sözlə, qadağan zona görünür.
Səviyələrin yeri və doldurulması maddənin keçirici xüsusiyyətlərini müəyyən edir. Bu əsasda maddələr keçiricilərə, izolyatorlara və yarımkeçiricilərə bölünür. Yarımkeçirici bant genişliyi 0,01-3 eV arasında dəyişir, dielektrik enerji boşluğu 3 eV-dən çoxdur. Metallarda üst-üstə düşən səviyyələrə görə enerji boşluqları yoxdur.
Yarımkeçiricilər və dielektriklər metallardan fərqli olaraq elektronlarla dolu valentlik zolağına malikdirlər və ən yaxın sərbəst zolaq və ya keçiricilik zolağı valentlik zolağından enerji boşluğu - qadağan olunmuş elektron enerjiləri bölgəsi ilə hasarlanıb..
Dielektriklərdə bu boşluqdan sıçrayış etmək üçün istilik enerjisi və ya əhəmiyyətsiz elektrik sahəsi kifayət etmir, elektronlar keçiricilik zolağına daxil olmur. Onlar kristal qəfəs boyunca hərəkət edə və elektrik cərəyanının daşıyıcısına çevrilə bilmirlər.
Elektrik keçiriciliyini həyəcanlandırmaq üçün valentlik səviyyəsindəki elektrona enerjinin öhdəsindən gəlməyə kifayət edəcək enerji verilməlidir.boşluq. Yalnız enerji boşluğunun dəyərindən az olmayan enerji miqdarını udduqda elektron valentlik səviyyəsindən keçiricilik səviyyəsinə keçəcək.
Enerji boşluğunun eni 4 eV-dən çox olarsa, yarımkeçirici keçiriciliyin şüalanma və ya qızdırma ilə həyəcanlanması praktiki olaraq mümkün deyil - ərimə temperaturunda elektronların həyəcanlanma enerjisi enerji boşluğu zonasından keçmək üçün kifayət deyil. Qızdırıldıqda, kristal elektron keçiricilik meydana gələnə qədər əriyəcəkdir. Bu maddələrə kvars (dE=5,2 eV), almaz (dE=5,1 eV), bir çox duzlar daxildir.
Yarımkeçiricilərin çirkləri və öz keçiriciliyi
Saf yarımkeçirici kristalların öz keçiriciliyi var. Belə yarımkeçiricilərə daxili deyilir. Daxili yarımkeçiricidə bərabər sayda dəlik və sərbəst elektron var. Qızdırıldıqda yarımkeçiricilərin daxili keçiriciliyi artır. Sabit temperaturda əmələ gələn elektron-deşik cütlərinin sayında və verilmiş şəraitdə sabit qalan rekombinasiya edən elektronların və dəliklərin sayında dinamik tarazlıq vəziyyəti yaranır.
Çirklərin olması yarımkeçiricilərin elektrik keçiriciliyinə əhəmiyyətli təsir göstərir. Onların əlavə edilməsi az sayda deşikli sərbəst elektronların sayını xeyli artırmağa və keçiricilik səviyyəsində az sayda elektrona malik dəliklərin sayını artırmağa imkan verir. Çirkli yarımkeçiricilər çirkli keçiriciliyə malik keçiricilərdir.
Asanlıqla elektron verən çirklərə donor çirkləri deyilir. Donor çirkləri valentlik səviyyələrində əsas maddənin atomlarından daha çox elektron ehtiva edən atomları olan kimyəvi elementlər ola bilər. Məsələn, fosfor və vismut silikon donor çirkləridir.
Bir elektronun keçiricilik bölgəsinə keçməsi üçün lazım olan enerjiyə aktivləşmə enerjisi deyilir. Çirkli yarımkeçiricilərə əsas materialdan daha az ehtiyac var. Yüngül bir istilik və ya işıqlandırma ilə, əsasən çirkli yarımkeçiricilərin atomlarının elektronları buraxılır. Atomdan çıxan elektronun yerini bir dəlik tutur. Lakin elektronların deşiklərə rekombinasiyası praktiki olaraq baş vermir. Donorun deşik keçiriciliyi əhəmiyyətsizdir. Bunun səbəbi, az sayda çirkli atomların sərbəst elektronların tez-tez dəliyə yaxınlaşmasına və onu tutmasına imkan vermir. Elektronlar dəliklərin yaxınlığındadır, lakin enerji səviyyəsinin qeyri-kafi olması səbəbindən onları doldura bilmir.
Donor çirkinin bir neçə böyüklükdə cüzi əlavə edilməsi daxili yarımkeçiricidəki sərbəst elektronların sayı ilə müqayisədə keçirici elektronların sayını artırır. Buradakı elektronlar çirkli yarımkeçiricilərin atomlarının əsas yük daşıyıcılarıdır. Bu maddələr n tipli yarımkeçiricilər kimi təsnif edilir.
Yarımkeçiricinin elektronlarını bağlayan, onun içindəki dəliklərin sayını artıran çirklərə akseptor deyilir. Akseptor çirkləri valentlik səviyyəsində əsas yarımkeçiricidən daha az elektrona malik kimyəvi elementlərdir. Bor, qallium, indium - qəbuledicisilisium üçün çirklər.
Yarımkeçiricinin xüsusiyyətləri onun kristal strukturunda olan qüsurlardan asılıdır. Son dərəcə saf kristalların yetişdirilməsi ehtiyacının səbəbi budur. Yarımkeçirici keçiricilik parametrləri əlavə maddələr əlavə etməklə idarə olunur. Silikon kristalları n-tipli silisium kristalını yaratmaq üçün donor olan fosforla (V alt qrup elementi) aşqarlanır. Delik keçiriciliyi olan bir kristal əldə etmək üçün silikona bor qəbuledicisi daxil edilir. Onu bant boşluğunun ortasına köçürmək üçün kompensasiya edilmiş Fermi səviyyəsinə malik yarımkeçiricilər də oxşar şəkildə yaradılmışdır.
Tək hüceyrəli yarımkeçiricilər
Ən çox yayılmış yarımkeçirici, təbii ki, silikondur. O, germanium ilə birlikdə oxşar kristal quruluşlu yarımkeçiricilərin geniş sinfi üçün prototip oldu.
Si və Ge kristallarının quruluşu almaz və α-qalayla eynidir. Burada hər bir atom tetraedr təşkil edən 4 ən yaxın atomla əhatə olunmuşdur. Bu koordinasiya dördlü adlanır. Tetra bağlı kristallar elektronika sənayesinin əsasına çevrilib və müasir texnologiyada əsas rol oynayır. Dövri cədvəlin V və VI qruplarının bəzi elementləri də yarımkeçiricilərdir. Bu tip yarımkeçiricilərə misal olaraq fosfor (P), kükürd (S), selenium (Se) və tellur (Te) ola bilər. Bu yarımkeçiricilərdə atomlar üçqat (P), ikiqat (S, Se, Te) və ya dördqat koordinasiyaya malik ola bilər. Nəticədə, oxşar elementlər bir neçə fərqli ola bilərkristal quruluşlar və şüşə şəklində də əldə edilə bilər. Məsələn, Se monoklinik və triqonal kristal strukturlarda və ya şüşə şəklində yetişdirilmişdir (bu da polimer hesab edilə bilər).
- Almaz əla istilik keçiriciliyinə, əla mexaniki və optik xüsusiyyətlərə, yüksək mexaniki gücə malikdir. Enerji boşluğunun eni - dE=5,47 eV.
- Silikon günəş batareyalarında və nazik təbəqəli günəş hüceyrələrində amorf formada istifadə olunan yarımkeçiricidir. Günəş batareyalarında ən çox istifadə edilən yarımkeçiricidir, istehsalı asan və yaxşı elektrik və mexaniki xüsusiyyətlərə malikdir. dE=1,12 eV.
- Germanium qamma spektroskopiyasında, yüksək performanslı fotovoltaik hüceyrələrdə istifadə olunan yarımkeçiricidir. İlk diodlarda və tranzistorlarda istifadə olunur. Silikondan daha az təmizləmə tələb edir. dE=0,67 eV.
- Selenium yüksək radiasiya müqavimətinə və özünü sağ altma qabiliyyətinə malik selen rektifikatorlarında istifadə edilən yarımkeçiricidir.
İki elementli birləşmələr
Dövri cədvəlin 3-cü və 4-cü qrup elementlərinin əmələ gətirdiyi yarımkeçiricilərin xassələri 4-cü qrup maddələrinin xassələrinə bənzəyir. 4-cü qrup elementdən birləşmələrə keçid 3-4 qr. elektron yükünün 3-cü qrupun atomundan 4-cü qrupun atomuna ötürülməsi hesabına bağları qismən ion edir. İonluq yarımkeçiricilərin xassələrini dəyişir. Bu, Coulomb interion qarşılıqlı təsirinin və enerji bandı boşluğunun enerjisinin artmasının səbəbidirelektron strukturları. Bu tip ikili birləşməyə misal olaraq indium antimonid InSb, qallium arsenid GaAs, qallium antimonid GaSb, indium fosfid InP, alüminium antimonid AlSb, qallium fosfid GaP ola bilər.
Kadmium selenid, sink sulfid, kadmium sulfid, kadmium tellurid, sink selenid kimi 2-6 qrup maddələrin birləşmələrində ionluq artır və onun dəyəri daha da artır. Nəticədə, civə birləşmələri istisna olmaqla, 2-6 qruplarının əksər birləşmələri 1 eV-dən daha geniş bir zolaq boşluğuna malikdir. Merkuri telluridi enerji boşluğu olmayan yarımkeçiricidir, α-tin kimi yarımmetaldır.
Lazer və displeylərin istehsalında böyük enerji boşluğu olan 2-6-cı qrup yarımkeçiricilərdən istifadə olunur. İnfraqırmızı qəbuledicilər üçün daralmış enerji boşluğu ilə 2-6 qrupun ikili əlaqələri uyğun gəlir. 1-7 qrup elementlərinin ikili birləşmələri (mis bromid CuBr, gümüş yodid AgI, mis xlorid CuCl) yüksək ionluq qabiliyyətinə görə 3 eV-dən daha geniş zolaq boşluğuna malikdir. Onlar əslində yarımkeçiricilər deyil, izolyatorlardır. Coulomb interionik qarşılıqlı təsir nəticəsində kristalın lövbər enerjisindəki artım, daş duz atomlarının kvadratik koordinasiyadan daha çox altı dəfə strukturlaşmasına kömək edir. 4-6 qruplarının birləşmələri - qurğuşun sulfid və tellurid, qalay sulfid - həm də yarımkeçiricilərdir. Bu maddələrin ionluq dərəcəsi də altı qat koordinasiyanın formalaşmasına kömək edir. Əhəmiyyətli ionluq onlara infraqırmızı radiasiya almaq üçün istifadə etməyə imkan verən çox dar bant boşluqlarına mane olmur. Qallium nitridi - geniş enerji boşluğu olan 3-5 qrupdan ibarət birləşmə, yarımkeçiricilərdə tətbiq tapmışdır.spektrin mavi hissəsində işləyən lazerlər və LEDlər.
- GaAs, qallium arsenid, silisiumdan sonra ən çox istifadə edilən ikinci yarımkeçiricidir, adətən GaInNAs və InGaAs kimi digər keçiricilər üçün substrat kimi IR diodlarında, yüksək tezlikli mikrosxemlərdə və tranzistorlarda, yüksək səmərəli günəş elementlərində istifadə olunur., lazer diodlar, detektorlar nüvə müalicəsi. dE=1,43 eV, bu, silikonla müqayisədə cihazların gücünü artırmağa imkan verir. Kövrək, daha çox çirkləri ehtiva edir, istehsalı çətindir.
- ZnS, sink sulfid - lazerlərdə və fosfor kimi istifadə edilən 3,54 və 3,91 eV zolaq boşluğuna malik hidrosulfid turşusunun sink duzu.
- SnS, qalay sulfid - fotorezistorlar və fotodiodlarda istifadə olunan yarımkeçirici, dE=1, 3 və 10 eV.
Oksidlər
Metal oksidləri əsasən əla izolyatorlardır, lakin istisnalar var. Bu tip yarımkeçiricilərə misal olaraq nikel oksidi, mis oksidi, kob alt oksidi, mis dioksidi, dəmir oksidi, europium oksidi, sink oksidi göstərmək olar. Mis dioksid kuprit mineralı kimi mövcud olduğundan onun xassələri geniş şəkildə tədqiq edilmişdir. Bu tip yarımkeçiricilərin yetişdirilməsi proseduru hələ tam başa düşülməmişdir, ona görə də onların tətbiqi hələ də məhduddur. İstisna sink oksiddir (ZnO), konvertor kimi və yapışan lentlər və plasterlərin istehsalında istifadə edilən 2-6-cı qrup birləşmədir.
Misın oksigenlə bir çox birləşmələrində superkeçiricilik aşkar edildikdən sonra vəziyyət kəskin şəkildə dəyişdi. BirinciMüller və Bednorz tərəfindən kəşf edilmiş yüksək temperaturlu superkeçirici, enerji boşluğu 2 eV olan La2CuO4 yarımkeçiricisinə əsaslanan birləşmə idi. Üçvalentli lantanı ikivalentli barium və ya stronsium ilə əvəz etməklə yarımkeçiricilərə deşik yük daşıyıcıları daxil edilir. Tələb olunan deşik konsentrasiyasına çatmaq La2CuO4 -ni superkeçiriciyə çevirir. Hazırda superkeçirici vəziyyətə ən yüksək keçid temperaturu HgBaCa2Cu3O8 birləşməsinə aiddir.. Yüksək təzyiqdə onun dəyəri 134 K-dir.
ZnO, sink oksidi varistorlarda, mavi LED-lərdə, qaz sensorlarında, bioloji sensorlarda, infraqırmızı işığı əks etdirmək üçün pəncərə örtüklərində LCD və günəş panellərində keçirici kimi istifadə olunur. dE=3,37 eV.
Layer kristalları
Qurğuşun diiodid, qallium selenid və molibden disulfidi kimi ikiqat birləşmələr laylı kristal quruluşu ilə xarakterizə olunur. Əhəmiyyətli güclü kovalent bağlar təbəqələrdə hərəkət edir, təbəqələrin özləri arasındakı van der Waals bağlarından daha güclüdür. Bu tip yarımkeçiricilər maraqlıdır ki, elektronlar təbəqələrdə kvazi ikiölçülü davranırlar. Qatların qarşılıqlı təsiri yad atomların daxil olması ilə dəyişdirilir - interkalasiya.
MoS2, molibden disulfidi yüksək tezlikli detektorlarda, rektifikatorlarda, memristorlarda, tranzistorlarda istifadə olunur. dE=1,23 və 1,8 eV.
Üzvi yarımkeçiricilər
Üzvi birləşmələrə əsaslanan yarımkeçiricilərə nümunələr - naftalin, poliasetilen(CH2) , antrasen, polidiasetilen, ftalosiyanidlər, polivinilkarbazol. Üzvi yarımkeçiricilərin qeyri-üzvi olanlardan üstünlüyü var: onlara istənilən keyfiyyətləri vermək asandır. –С=С=tipli birləşmiş bağları olan maddələr əhəmiyyətli optik qeyri-xəttiliyə malikdir və buna görə optoelektronikada istifadə olunur. Bundan əlavə, üzvi yarımkeçiricilərin enerji kəsilmə zonaları mürəkkəb düsturun dəyişdirilməsi ilə dəyişdirilir ki, bu da adi yarımkeçiricilərə nisbətən daha asandır. Karbon fulleren, qrafen və nanoboruların kristal allotropları da yarımkeçiricilərdir.
- Fulleren cüt sayda karbon atomundan ibarət qabarıq qapalı polihedron şəklində bir quruluşa malikdir. Və fulleren C60-ni qələvi metal ilə doping onu superkeçiriciyə çevirir.
- Qrafen iki ölçülü altıbucaqlı qəfəsə birləşdirilən monotomik karbon təbəqəsindən əmələ gəlir. O, rekord istilik keçiriciliyinə və elektron hərəkətliliyinə, yüksək sərtliyə malikdir
- Nanoborular bir neçə nanometr diametrə malik boruya yuvarlanan qrafit lövhələrdir. Karbonun bu formaları nanoelektronikada böyük vəd verir. Birləşmədən asılı olaraq metal və ya yarımkeçirici keyfiyyətlər nümayiş etdirə bilər.
Maqnetik yarımkeçiricilər
Maqnit europium və manqan ionları olan birləşmələr maraqlı maqnit və yarımkeçirici xüsusiyyətlərə malikdir. Bu tip yarımkeçiricilərə misal olaraq europium sulfid, europium selenid və bərk məhlulları göstərmək olar. Cd1-xMnxTe. Maqnit ionlarının tərkibi antiferromaqnetizm və ferromaqnetizm kimi maqnit xüsusiyyətlərinin maddələrdə necə təzahür etdiyinə təsir göstərir. Yarımmaqnit yarımkeçiricilər kiçik konsentrasiyada maqnit ionlarını ehtiva edən yarımkeçiricilərin bərk maqnit məhlullarıdır. Bu cür möhkəm həllər vədləri və mümkün tətbiqlər üçün böyük potensialı ilə diqqəti cəlb edir. Məsələn, qeyri-maqnit yarımkeçiricilərdən fərqli olaraq, onlar bir milyon dəfə daha çox Faraday fırlanmasına nail ola bilərlər.
Maqnit yarımkeçiricilərin güclü maqnito-optik effektləri onlardan optik modulyasiya üçün istifadə etməyə imkan verir. Mn0, 7Ca0, 3O3, kimi perovskitlər metalı üstələyir - yarımkeçirici, maqnit sahəsindən birbaşa asılılığı nəhəng maqnit müqaviməti fenomeni ilə nəticələnir. Onlar radiotexnikada, maqnit sahəsi ilə idarə olunan optik cihazlarda, mikrodalğalı cihazların dalğa ötürücülərində istifadə olunur.
Yarımkeçirici ferroelektrik
Bu tip kristallar onlarda elektrik momentlərinin olması və spontan qütbləşmənin baş verməsi ilə seçilir. Məsələn, aşağı temperaturda xassələrə malik olan qurğuşun titanat PbTiO3, barium titanat BaTiO3, germanium telluridi GeTe, qalay telluridi SnTe kimi yarımkeçiricilər. ferroelektrik. Bu materiallar qeyri-xətti optik, yaddaş və piezo sensorlarda istifadə olunur.
Yarımkeçirici materialların müxtəlifliyi
Yuxarıdakılara əlavə olaraqyarımkeçirici maddələr, sadalanan növlərin heç birinə aid olmayan bir çox başqaları var. 1-3-52 (AgGaS2) və 2-4-52 düsturuna uyğun elementlərin birləşmələri (ZnSiP2) xalkopirit strukturunda kristallar əmələ gətirir. Birləşmələrin bağları tetraedraldır, sink qarışığının kristal quruluşu ilə 3-5 və 2-6 qruplarının yarımkeçiricilərinə bənzəyir. 5 və 6-cı qrupların yarımkeçiricilərinin elementlərini meydana gətirən birləşmələr (As2Se3 kimi) kristal və ya şüşə şəklində yarımkeçiricilərdir.. Yarımkeçirici termoelektrik generatorlarda vismut və sürmə xalkogenidlərindən istifadə olunur. Bu tip yarımkeçiricilərin xassələri son dərəcə maraqlıdır, lakin onların məhdud tətbiqi səbəbindən populyarlıq qazanmamışdır. Lakin onların mövcud olması yarımkeçiricilər fizikasının hələ tam tədqiq edilməmiş sahələrinin mövcudluğunu təsdiqləyir.
