Ең танымал жартылай өткізгіш кремний (Si). Бірақ одан басқа көптеген адамдар бар. Мысалы, мырыш қоспасы (ZnS), куприт (Cu2O), галена (PbS) және т.б. сияқты табиғи жартылай өткізгіш материалдар. Зертханалық синтезделген жартылай өткізгіштерді қоса алғанда, жартылай өткізгіштер тобы адамға белгілі материалдардың ең әмбебап сыныптарының бірі болып табылады.
Жартылай өткізгіштердің сипаттамасы
Периодтық жүйенің 104 элементінің 79-ы металдар, 25-і бейметалдар, оның ішінде 13 химиялық элемент жартылай өткізгіштік, 12-сі диэлектрлік. Жартылай өткізгіштердің негізгі айырмашылығы - олардың электр өткізгіштігі температураның жоғарылауымен айтарлықтай артады. Төмен температурада олар диэлектриктер сияқты, ал жоғары температурада олар өткізгіштер сияқты әрекет етеді. Жартылай өткізгіштердің металдардан айырмашылығы осылайша: металдың кедергісі температураның жоғарылауына пропорционалды түрде артады.
Жартылай өткізгіш пен металдың тағы бір айырмашылығы – жартылай өткізгіштің кедергісіжарықтың әсерінен түседі, ал соңғысы металға әсер етпейді. Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі аз мөлшердегі қоспалар енгізілгенде де өзгереді.
Жартылай өткізгіштер әртүрлі кристалдық құрылымы бар химиялық қосылыстар арасында кездеседі. Бұл кремний және селен сияқты элементтер немесе галлий арсениді сияқты екілік қосылыстар болуы мүмкін. Полиацетилен (CH)n, сияқты көптеген органикалық қосылыстар жартылай өткізгіш материалдар болып табылады. Кейбір жартылай өткізгіштер магниттік (Cd1-xMnxTe) немесе ферроэлектрлік қасиеттерді (SbSI) көрсетеді. Басқалары жеткілікті допингпен суперөткізгіштерге айналады (GeTe және SrTiO3). Жақында ашылған жоғары температуралы асқын өткізгіштердің көпшілігінде металл емес жартылай өткізгіш фазалар бар. Мысалы, La2CuO4 жартылай өткізгіш болып табылады, бірақ Sr-мен легирленгенде ол асқын өткізгішке айналады (La1-x Srx)2CuO4.
Физика оқулықтарында жартылай өткізгішті 10-4 мен 107 Ом·м дейінгі электр кедергісі бар материал ретінде анықтайды. Баламалы анықтама да мүмкін. Жартылай өткізгіштің диапазоны 0-ден 3 эВ-қа дейін. Металдар мен жартылай металдар нөлдік энергия саңылаулары бар материалдар, ал 3 эВ асатын заттар оқшаулағыштар деп аталады. Ерекшеліктер де бар. Мысалы, жартылай өткізгіш алмазда 6 эВ, жартылай оқшаулағыш GaAs - 1,5 эВ диапазон бар. GaN, көгілдір аймақтағы оптоэлектрондық құрылғыларға арналған материалдың диапазон аралығы 3,5 эВ.
Энергия алшақтығы
Кристалдық тордағы атомдардың валенттілік орбитальдары энергетикалық деңгейлердің екі тобына бөлінеді – ең жоғарғы деңгейде орналасқан және жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін анықтайтын бос аймақ және төменде орналасқан валенттік аймақ. Бұл деңгейлер кристалдық тордың симметриясына және атомдардың құрамына байланысты қиылысуы немесе бір-бірінен қашықтықта орналасуы мүмкін. Соңғы жағдайда аймақтар арасында энергетикалық саңылау немесе басқаша айтқанда, тыйым салынған аймақ пайда болады.
Деңгейлердің орналасуы мен толтырылуы заттың өткізгіштік қасиеттерін анықтайды. Осы негізде заттар өткізгіштер, оқшаулағыштар және жартылай өткізгіштер болып бөлінеді. Жартылай өткізгіштің жолақ ені 0,01–3 эВ шегінде өзгереді, диэлектриктің энергетикалық алшақтығы 3 эВ-тен асады. Металдарда деңгейлердің қабаттасуына байланысты энергия саңылаулары болмайды.
Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің металдардан айырмашылығы электрондармен толтырылған валенттік зонасы бар, ал ең жақын бос аймақ немесе өткізгіштік зонасы валенттік аймақтан энергетикалық саңылаумен қоршалған – тыйым салынған электрон энергиялары аймағы..
Диэлектриктерде жылу энергиясы немесе шамалы электр өрісі бұл саңылау арқылы секіру үшін жеткіліксіз, электрондар өткізгіштік аймағына енбейді. Олар кристалдық тор бойымен қозғала алмайды және электр тогының тасымалдаушысы бола алмайды.
Электр өткізгіштігін қоздыру үшін валенттілік деңгейіндегі электронға энергияны жеңуге жеткілікті энергия беру керек.алшақтық. Энергия саңылауының мәнінен кем емес энергия мөлшерін жұтқанда ғана электрон валенттілік деңгейінен өткізгіштік деңгейіне ауысады.
Энергетикалық саңылау ені 4 эВ асатын жағдайда сәулелену немесе қыздыру арқылы жартылай өткізгіш өткізгіштіктің қозуы іс жүзінде мүмкін емес – балқу температурасындағы электрондардың қозу энергиясы энергетикалық саңылау аймағынан өту үшін жеткіліксіз. Қыздырған кезде кристал электронды өткізгіштік пайда болғанша ериді. Бұл заттарға кварц (dE=5,2 эВ), алмаз (dE=5,1 эВ), көптеген тұздар жатады.
Жартылай өткізгіштердің қоспасы және меншікті өткізгіштігі
Таза жартылай өткізгіш кристалдардың өзіндік өткізгіштігі бар. Мұндай жартылай өткізгіштерді меншікті деп атайды. Меншікті жартылай өткізгіште бірдей тесіктер мен бос электрондар бар. Қыздырған кезде жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі артады. Тұрақты температурада динамикалық тепе-теңдік күйі түзілген электрон-тесік жұптарының санында және берілген шарттарда тұрақты болып қалатын рекомбинацияланатын электрондар мен саңылаулардың санында пайда болады.
Қоспалардың болуы жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігіне айтарлықтай әсер етеді. Оларды қосу саңылаулары аз бос электрондардың санын айтарлықтай көбейтуге және өткізгіштік деңгейінде аз электрондары бар саңылаулардың санын көбейтуге мүмкіндік береді. Қоспа жартылай өткізгіштер – қоспа өткізгіштігі бар өткізгіштер.
Электрондарды оңай беретін қоспалар донорлық қоспалар деп аталады. Донорлық қоспалар атомдары бар химиялық элементтер болуы мүмкін, олардың валенттілік деңгейлері негізгі заттың атомдарынан көбірек электрондарды қамтиды. Мысалы, фосфор мен висмут кремний донорлық қоспалар болып табылады.
Электронның өткізгіштік аймағына өтуі үшін қажет энергия активтену энергиясы деп аталады. Қоспа жартылай өткізгіштер оны негізгі материалға қарағанда әлдеқайда аз қажет етеді. Аздап қыздыру немесе жарықтандыру кезінде негізінен жартылай өткізгіш қоспалардың атомдарының электрондары бөлінеді. Атомнан шығатын электронның орнын тесік алады. Бірақ электрондардың тесіктерге рекомбинациялануы іс жүзінде болмайды. Донордың саңылау өткізгіштігі шамалы. Себебі қоспа атомдарының аз саны бос электрондардың жиі тесікке жақындап, оны басып алуына мүмкіндік бермейді. Электрондар саңылауларға жақын, бірақ қуат деңгейі жеткіліксіз болғандықтан оларды толтыра алмайды.
Донорлық қоспаны бірнеше реттік шама бойынша елеусіз қосу, меншікті жартылай өткізгіштегі бос электрондар санымен салыстырғанда өткізгіштік электрондар санын көбейтеді. Мұндағы электрондар қоспа жартылай өткізгіштер атомдарының негізгі заряд тасымалдаушылары болып табылады. Бұл заттар n-типті жартылай өткізгіштерге жатады.
Жартылай өткізгіштің электрондарын байланыстыратын, ондағы саңылаулардың санын көбейтетін қоспалар акцептор деп аталады. Акцепторлық қоспалар - негізгі жартылай өткізгішке қарағанда валенттілік деңгейінде электрондары аз химиялық элементтер. Бор, галлий, индий – акцепторкремнийге арналған қоспалар.
Жартылай өткізгіштің сипаттамалары оның кристалдық құрылымындағы ақауларға байланысты. Бұл өте таза кристалдарды өсіру қажеттілігінің себебі. Жартылай өткізгіштердің өткізгіштік параметрлері қоспаларды қосу арқылы бақыланады. Кремний кристалдары n-типті кремний кристалын жасау үшін донор болып табылатын фосформен (V топша элементі) легирленген. Тесік өткізгіштігі бар кристалды алу үшін кремнийге бор акцепторы енгізіледі. Жолақ саңылауының ортасына жылжыту үшін компенсацияланған Fermi деңгейі бар жартылай өткізгіштер дәл осылай жасалады.
Бір ұялы жартылай өткізгіштер
Ең таралған жартылай өткізгіш, әрине, кремний. Ол германиймен бірге кристалдық құрылымы ұқсас жартылай өткізгіштердің кең класының прототипі болды.
Si және Ge кристалдарының құрылымы алмаз және α-қалайының құрылымымен бірдей. Онда әрбір атом тетраэдр құрайтын ең жақын 4 атоммен қоршалған. Бұл координация төрттік деп аталады. Тетра байланысқан кристалдар электроника өнеркәсібінің негізіне айналды және заманауи технологияда басты рөл атқарады. Периодтық жүйенің V және VI топтарының кейбір элементтері де жартылай өткізгіштерге жатады. Бұл түрдегі жартылай өткізгіштерге мысал ретінде фосфор (P), күкірт (S), селен (Se) және теллур (Te) жатады. Бұл жартылай өткізгіштерде атомдар үш еселік (P), екі еселік (S, Se, Te) немесе төрт еселік координацияға ие болуы мүмкін. Нәтижесінде ұқсас элементтер бірнеше түрлі болуы мүмкінкристалдық құрылымдар, сонымен қатар шыны түрінде алынады. Мысалы, Se моноклиникалық және тригональды кристалдық құрылымдарда немесе әйнек түрінде өсірілді (оны полимер деп те санауға болады).
- Алмаз тамаша жылу өткізгіштікке, тамаша механикалық және оптикалық сипаттамаларға, жоғары механикалық беріктікке ие. Энергия алшақтығы ені - dE=5,47 эВ.
- Кремний – күн батареяларында және жұқа қабықшалы күн элементтерінде аморфты түрде қолданылатын жартылай өткізгіш. Бұл күн батареяларында ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш, өндіруге оңай және жақсы электрлік және механикалық қасиеттерге ие. dE=1,12 эВ.
- Германий – гамма-спектроскопияда, өнімділігі жоғары фотоэлектрлік элементтерде қолданылатын жартылай өткізгіш. Алғашқы диодтар мен транзисторларда қолданылады. Кремнийге қарағанда тазалауды аз талап етеді. dE=0,67 эВ.
- Селен – жоғары сәулеленуге төзімділігі және өзін-өзі емдеу қабілеті бар селен түзеткіштерінде қолданылатын жартылай өткізгіш.
Екі элементті қосылыстар
Периодтық жүйенің 3-ші және 4-ші топтарының элементтері түзетін жартылай өткізгіштердің қасиеттері 4-ші топтағы заттардың қасиеттеріне ұқсайды. 4-топ элементтерінен қосылыстарға өту 3–4 гр. 3-топ атомынан 4-топ атомына электрон зарядының өтуіне байланысты байланыстарды жартылай иондық етеді. Иондылық жартылай өткізгіштердің қасиеттерін өзгертеді. Бұл кулондық өзара әрекеттесу мен энергия диапазонының энергиясының ұлғаюының себебі болып табыладыэлектронды құрылымдар. Бұл түрдегі екілік қосылыстардың мысалы ретінде индий антимониді InSb, галлий арсениді GaAs, галий антимониді GaSb, индий фосфиді InP, алюминий антимониді AlSb, галий фосфиді GaP болып табылады.
Иондылығы жоғарылайды, ал кадмий селениді, мырыш сульфиді, кадмий сульфиді, кадмий теллуриді, мырыш селениді сияқты 2-6 топтағы заттардың қосылыстарында оның мәні одан да артады. Нәтижесінде 2-6 топтағы қосылыстардың көпшілігінде сынап қосылыстарын қоспағанда, 1 эВ-тан кең жолақ саңылаулары бар. Сынап теллуриді – энергетикалық саңылаусыз жартылай өткізгіш, α-қалайы сияқты жартылай металл.
Лазерлер мен дисплейлерді өндіруде үлкен энергия саңылаулары бар 2-6 топ жартылай өткізгіштер қолданылады. Инфрақызыл қабылдағыштар үшін тар энергия саңылаулары бар 2-6 топтың екілік қосылымдары қолайлы. 1–7 топ элементтерінің екілік қосылыстары (мыс бромиді CuBr, күміс йодиді AgI, мыс хлориді CuCl) жоғары иондылығына байланысты 3 эВ-тан кең жолақ саңылауына ие. Олар шын мәнінде жартылай өткізгіштер емес, оқшаулағыштар. Кулон аралық әрекеттесуіне байланысты кристалдың анкерлік энергиясының ұлғаюы квадраттық координациядан гөрі алты еселенген тас тұзының атомдарының құрылымына ықпал етеді. 4–6 топтың қосылыстары – қорғасын сульфиді мен теллурид, қалайы сульфиді – жартылай өткізгіштер. Бұл заттардың иондылық дәрежесі де алты еселік координацияның қалыптасуына ықпал етеді. Елеулі иондылық олардың өте тар жолақ аралықтарының болуына кедергі келтірмейді, бұл оларды инфрақызыл сәулеленуді қабылдау үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Галлий нитриді – 3-5 топтан тұратын, энергетикалық саңылаулары кең, жартылай өткізгіштерде қолданылуын тапты.спектрдің көк бөлігінде жұмыс істейтін лазерлер мен жарықдиодтар.
- GaAs, галлий арсениді, кремнийден кейінгі екінші ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш, әдетте GaInNAs және InGaAs сияқты басқа өткізгіштер үшін субстрат ретінде инфрақызыл диодтарда, жоғары жиілікті микросхемалар мен транзисторларда, жоғары тиімді күн батареяларында қолданылады., лазерлік диодтар, детекторлар ядролық емдеу. dE=1,43 эВ, бұл кремниймен салыстырғанда құрылғылардың қуатын арттыруға мүмкіндік береді. Сынғыш, құрамында қоспалар көп, өндіру қиын.
- ZnS, мырыш сульфиді - лазерлерде және фосфор ретінде қолданылатын 3,54 және 3,91 эВ жолақ саңылаулары бар гидросульфид қышқылының мырыш тұзы.
- SnS, қалайы сульфиді - фоторезисторлар мен фотодиодтарда қолданылатын жартылай өткізгіш, dE=1, 3 және 10 эВ.
Оксидтер
Металл оксидтері негізінен тамаша оқшаулағыштар болып табылады, бірақ ерекше жағдайлар бар. Бұл түрдегі жартылай өткізгіштерге мысал ретінде никель оксиді, мыс оксиді, кобальт оксиді, мыс диоксиді, темір оксиді, европий оксиді, мырыш оксиді жатады. Мыс диоксиді куприт минералы ретінде болғандықтан, оның қасиеттері жан-жақты зерттелді. Бұл түрдегі жартылай өткізгіштерді өсіру тәртібі әлі толық түсінілмеген, сондықтан оларды қолдану әлі де шектеулі. Ерекшелік - мырыш оксиді (ZnO), конвертер ретінде және жабысқақ таспалар мен сылақ өндірісінде қолданылатын 2-6 топ қосылысы.
Мыстың оттегімен көптеген қосылыстарында асқын өткізгіштік табылғаннан кейін жағдай күрт өзгерді. БіріншіМюллер мен Беднорц ашқан жоғары температуралы асқын өткізгіш La2CuO4 жартылай өткізгішіне негізделген қосылыс болды, ол энергия саңылауы 2 эВ болды. Үш валентті лантанды екі валентті бариймен немесе стронциймен алмастыру арқылы жартылай өткізгішке саңылау заряд тасымалдаушылары енгізіледі. Тесіктердің қажетті концентрациясына жету La2CuO4 суперөткізгішке айналдырады. Қазіргі уақытта асқын өткізгіштік күйге ең жоғары өту температурасы HgBaCa2Cu3O8 қосылысына жатады.. Жоғары қысымда оның мәні 134 К.
ZnO, мырыш оксиді, варисторларда, көк жарықдиодтарда, газ датчиктерінде, биологиялық сенсорларда, инфрақызыл сәулелерді көрсету үшін терезе жабындарында, СКД және күн батареяларында өткізгіш ретінде қолданылады. dE=3,37 эВ.
Қабат кристалдары
Қорғасын диодиді, галлий селениді және молибден дисульфиді сияқты қос қосылыстар қабатты кристалдық құрылыммен сипатталады. Елеулі беріктігі бар коваленттік байланыстар қабаттарда әрекет етеді, бұл қабаттардың арасындағы ван-дер-Ваальс байланыстарынан әлдеқайда күшті. Бұл түрдегі жартылай өткізгіштер электрондардың қабаттарда квази-екі өлшемді әрекет етуімен қызықты. Қабаттардың өзара әрекеттесуі бөгде атомдарды енгізу арқылы өзгереді - интеркалация.
MoS2, молибден дисульфиді жоғары жиілікті детекторларда, түзеткіштерде, мемристорларда, транзисторларда қолданылады. dE=1,23 және 1,8 эВ.
Органикалық жартылай өткізгіштер
Органикалық қосылыстар негізіндегі жартылай өткізгіштердің мысалдары - нафталин, полиацетилен(CH2) , антрацен, полидиацетилен, фталоцианидтер, поливинилкарбазол. Органикалық жартылай өткізгіштердің бейорганикалықтарға қарағанда артықшылығы бар: оларға қажетті қасиеттерді беру оңай. –С=С–С=типті конъюгацияланған байланыстары бар заттар айтарлықтай оптикалық сызықты емес және осыған байланысты оптоэлектроникада қолданылады. Сонымен қатар, органикалық жартылай өткізгіштердің энергетикалық үзіліс аймақтары күрделі формуланы өзгерту арқылы өзгереді, бұл әдеттегі жартылай өткізгіштерге қарағанда әлдеқайда оңай. Көміртек фуллеренінің, графеннің, нанотүтіктердің кристалдық аллотроптары да жартылай өткізгіштерге жатады.
- Фуллереннің құрылымы көміртегі атомдарының жұп санынан тұратын дөңес тұйық полиэдр түрінде болады. Ал фуллеренді C60 сілтілік металмен қоспалау оны аса өткізгішке айналдырады.
- Графен екі өлшемді алтыбұрышты торға қосылған көміртегінің монотомдық қабатынан түзілген. Ол рекордтық жылу өткізгіштікке және электрондардың қозғалғыштығына, жоғары қаттылыққа ие
- Нанотүтіктер - диаметрі бірнеше нанометрлік түтікке оралған графит пластиналары. Көміртектің бұл формалары наноэлектроникада үлкен үміт береді. Байланысқа байланысты металдық немесе жартылай өткізгіштік қасиеттерді көрсетуі мүмкін.
Магниттік жартылай өткізгіштер
Магниттік еуропий және марганец иондары бар қосылыстар таңқаларлық магниттік және жартылай өткізгіш қасиеттерге ие. Бұл түрдегі жартылай өткізгіштердің мысалдары европий сульфиді, европий селениді және қатты ерітінділер сияқты. Cd1-xMnxTe. Магниттік иондардың мазмұны антиферромагнетизм және ферромагнетизм сияқты магниттік қасиеттердің заттарда қалай көрінетініне әсер етеді. Жартылай магниттік жартылай өткізгіштер – шағын концентрацияда магниттік иондары бар жартылай өткізгіштердің қатты магниттік ерітінділері. Мұндай берік шешімдер өздерінің уәделері мен ықтимал қолданбалар үшін үлкен әлеуеті арқасында назар аударады. Мысалы, магниттік емес жартылай өткізгіштерден айырмашылығы, олар миллион есе үлкен Фарадей айналуына қол жеткізе алады.
Магниттік жартылай өткізгіштердің күшті магнито-оптикалық әсерлері оларды оптикалық модуляция үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Mn0, 7Ca0, 3O3, сияқты перовскиттер жартылай өткізгіш металдан асып түседі, оның магнит өрісіне тікелей тәуелділігі алып магнит кедергісі құбылысына әкеледі. Олар радиотехникада, магнит өрісімен басқарылатын оптикалық құрылғыларда, микротолқынды құрылғылардың толқын өткізгіштерінде қолданылады.
Жартылай өткізгішті ферроэлектриктер
Кристалдардың бұл түрі оларда электрлік моменттердің болуымен және өздігінен поляризацияның пайда болуымен ерекшеленеді. Мысалы, төмен температурада қасиеттері бар қорғасын титанаты PbTiO3, барий титанаты BaTiO3, германий теллуриді GeTe, қалайы теллуриді SnTe сияқты жартылай өткізгіштер. ферроэлектрлік. Бұл материалдар сызықты емес оптикалық, жады және пьезо датчиктерде қолданылады.
Жартылай өткізгіш материалдардың алуан түрі
Жоғарыда айтылғандарға қосымшажартылай өткізгіш заттар, аталған түрлердің ешқайсысына жатпайтын басқа да көптеген заттар бар. 1-3-52 (AgGaS2) және 2-4-52 формуласы бойынша элементтер қосылымдары (ZnSiP2) халькопирит құрылымында кристалдар түзеді. Қосылыстардың байланыстары мырыш қоспасының кристалдық құрылымы бар 3-5 және 2-6 топтағы жартылай өткізгіштерге ұқсас тетраэдрлік. 5 және 6 топтағы жартылай өткізгіштердің элементтерін құрайтын қосылыстар (мысалы, As2Se3) кристал немесе шыны түріндегі жартылай өткізгіш болып табылады.. Висмут және сурьма халькогенидтері жартылай өткізгіш термоэлектрлік генераторларда қолданылады. Бұл түрдегі жартылай өткізгіштердің қасиеттері өте қызықты, бірақ олар шектеулі қолдануына байланысты танымал болған жоқ. Дегенмен, олардың бар екендігі жартылай өткізгіштер физикасының әлі толық зерттелмеген аймақтарының бар екенін растайды.
