Kõige kuulsam pooljuht on räni (Si). Kuid peale tema on veel palju teisi. Näiteks on sellised looduslikud pooljuhtmaterjalid nagu tsingi segu (ZnS), kupriit (Cu2O), galeen (PbS) ja paljud teised. Pooljuhtide perekond, sealhulgas laboris sünteesitud pooljuhid, on üks kõige mitmekülgsemaid inimestele teadaolevaid materjalide klasse.
Pooljuhtide iseloomustus
Perioodilisuse tabeli 104 elemendist on 79 metallid, 25 mittemetallid, millest 13 keemilisel elemendil on pooljuhtomadused ja 12 on dielektrilised. Peamine erinevus pooljuhtide vahel on see, et nende elektrijuhtivus suureneb oluliselt temperatuuri tõustes. Madalatel temperatuuridel käituvad nad nagu dielektrikud ja kõrgel kui juhid. Selle poolest erinevad pooljuhid metallidest: metalli takistus suureneb võrdeliselt temperatuuri tõusuga.
Teine erinevus pooljuhi ja metalli vahel on see, et pooljuhi takistuslangeb valguse mõju alla, viimane aga metalli ei mõjuta. Pooljuhtide juhtivus muutub ka väikese koguse lisandi sisseviimisel.
Pooljuhte leidub mitmesuguste kristallstruktuuridega keemiliste ühendite hulgas. Need võivad olla elemendid nagu räni ja seleen või binaarsed ühendid nagu galliumarseniid. Paljud orgaanilised ühendid, nagu polüatsetüleen (CH)n, , on pooljuhtmaterjalid. Mõnedel pooljuhtidel on magnetilised (Cd1-xMnxTe) või ferroelektrilised omadused (SbSI). Teised piisava dopinguga saavad ülijuhtideks (GeTe ja SrTiO3). Paljudel hiljuti avastatud kõrge temperatuuriga ülijuhtidel on mittemetallilised pooljuhtfaasid. Näiteks La2CuO4 on pooljuht, kuid Sr-ga legeerimisel muutub see ülijuhiks (La1-x Srx)2CuO4.
Füüsikaõpikutes on pooljuht defineeritud kui materjal, mille elektritakistus on vahemikus 10-4 kuni 107 Ohm·m. Võimalik on ka alternatiivne määratlus. Pooljuhtide ribavahemik on 0 kuni 3 eV. Metallid ja poolmetallid on nullenergia vahega materjalid ning aineid, milles see ületab 3 eV, nimetatakse isolaatoriteks. On ka erandeid. Näiteks pooljuhtteemandi ribavahemik on 6 eV, poolisolatsiooni GaAs - 1,5 eV. Sinise piirkonna optoelektroonikaseadmete materjali GaN ribalaius on 3,5 eV.
Energiavahe
Aatomite valentsorbitaalid kristallvõres jagunevad kahte energiatasemete rühma – kõrgeimal tasemel paiknevasse ja pooljuhtide elektrijuhtivust määravasse vabatsooni ning allpool paiknevasse valentsriba. Need tasemed võivad olenev alt kristallvõre sümmeetriast ja aatomite koostisest ristuda või paikneda üksteisest kaugel. Viimasel juhul tekib tsoonide vahele energiavahe ehk teisisõnu keelatud tsoon.
Taseme asukoht ja täitmine määravad aine juhtivad omadused. Selle alusel jagatakse ained juhtideks, isolaatoriteks ja pooljuhtideks. Pooljuhtide ribalaius varieerub 0,01–3 eV piires, dielektriku energiavahe ületab 3 eV. Metallidel ei ole kattuvate tasemete tõttu energialünki.
Pooljuhtidel ja dielektrikutel on erinev alt metallidest valentsriba, mis on täidetud elektronidega ja lähim vaba riba ehk juhtivusriba on valentsribast eraldatud energiavahega – keelatud elektronenergiate piirkonnaga..
Dielektrikutes ei piisa sellest tühimusest läbi hüppamiseks soojusenergiast või ebaolulisest elektriväljast, elektronid ei sisene juhtivusriba. Nad ei suuda liikuda mööda kristallvõret ja muutuda elektrivoolu kandjateks.
Elektrijuhtivuse ergutamiseks tuleb valentstasemel olevale elektronile anda energiat, millest piisaks energia ületamisekslõhe. Ainult siis, kui neelab energiakoguse, mis ei ole väiksem kui energiavahe väärtus, liigub elektron valentstasemelt juhtivustasemele.
Juhul, kui energiavahe laius ületab 4 eV, on pooljuhtide juhtivuse ergastamine kiiritamise või kuumutamise teel praktiliselt võimatu – elektronide ergastusenergia sulamistemperatuuril on energiavahe tsoonist läbi hüppamiseks ebapiisav. Kuumutamisel sulab kristall seni, kuni tekib elektrooniline juhtivus. Nende ainete hulka kuuluvad kvarts (dE=5,2 eV), teemant (dE=5,1 eV), paljud soolad.
Pooljuhtide lisandid ja sisejuhtivus
Puhastel pooljuhtkristallidel on oma juhtivus. Selliseid pooljuhte nimetatakse sisemisteks. Sisemine pooljuht sisaldab võrdse arvu auke ja vabu elektrone. Kuumutamisel pooljuhtide sisejuhtivus suureneb. Konstantsel temperatuuril tekib dünaamiline tasakaal moodustunud elektron-augu paaride ning rekombineerunud elektronide ja aukude arvu osas, mis jäävad antud tingimustes konstantseks.
Puulisandite olemasolu mõjutab oluliselt pooljuhtide elektrijuhtivust. Nende liitmine võimaldab suurel määral suurendada vabade elektronide arvu väikese arvu aukudega ja suurendada aukude arvu vähese elektronide arvuga juhtivustasemel. Lisandite pooljuhid on lisandijuhtivusega juhid.
Lisandeid, mis loovutavad kergesti elektrone, nimetatakse doonorlisanditeks. Doonorlisandid võivad olla keemilised elemendid, mille aatomid sisaldavad rohkem elektrone kui põhiaine aatomid. Näiteks fosfor ja vismut on ränidoonorlisandid.
Elektroni juhtivuspiirkonda hüppamiseks vajalikku energiat nimetatakse aktiveerimisenergiaks. Lisandite pooljuhid vajavad seda palju vähem kui alusmaterjal. Kerge kuumutamise või valgustamisega eralduvad valdav alt lisandite pooljuhtide aatomite elektronid. Aatomist lahkuva elektroni koha hõivab auk. Kuid elektronide rekombinatsiooni aukudeks praktiliselt ei toimu. Doonori aukjuhtivus on tühine. Seda seetõttu, et lisandite aatomite väike arv ei võimalda vabadel elektronidel sageli augule läheneda ja seda hõivata. Elektronid on aukude lähedal, kuid ei suuda neid ebapiisava energiataseme tõttu täita.
Doonorlisandi ebaoluline lisamine mitme suurusjärgu võrra suurendab juhtivuselektronide arvu võrreldes vabade elektronide arvuga sisemises pooljuhis. Elektronid on siin lisandite pooljuhtide aatomite peamised laengukandjad. Need ained on klassifitseeritud n-tüüpi pooljuhtideks.
Lisandeid, mis seovad pooljuhi elektrone, suurendades selles olevate aukude arvu, nimetatakse aktseptoriteks. Aktseptorlisandid on keemilised elemendid, mille valentsitasemel on vähem elektrone kui baaspooljuhis. Boor, gallium, indium - aktseptorräni lisandid.
Pooljuhtide omadused sõltuvad selle kristallstruktuuri defektidest. Sellest tuleneb vajadus kasvatada ülipuhtaid kristalle. Pooljuhtide juhtivuse parameetreid kontrollitakse lisandite lisamisega. Ränikristallid legeeritakse fosforiga (alarühma V element), mis on doonor, et luua n-tüüpi ränikristall. Aukjuhtivusega kristalli saamiseks viiakse räni sisse booriaktseptor. Samal viisil luuakse pooljuhid, mille Fermi nivoo on kompenseeritud, et viia see ribavahe keskele.
Üheelemendilised pooljuhid
Kõige tavalisem pooljuht on loomulikult räni. Koos germaaniumiga sai sellest prototüüp paljudele sarnaste kristallstruktuuridega pooljuhtide klassile.
Si ja Ge kristallide struktuur on sama, mis teemandil ja α-tinal. Selles ümbritseb iga aatomit 4 lähimat aatomit, mis moodustavad tetraeedri. Seda koordinatsiooni nimetatakse neljakordseks. Tetrasidemetega kristallid on saanud elektroonikatööstuse aluseks ja mängivad võtmerolli kaasaegses tehnoloogias. Mõned perioodilisustabeli V ja VI rühma elemendid on samuti pooljuhid. Seda tüüpi pooljuhid on näiteks fosfor (P), väävel (S), seleen (Se) ja telluur (Te). Nendes pooljuhtides võib aatomitel olla kolmekordne (P), kahekordne (S, Se, Te) või neljakordne koordinatsioon. Selle tulemusena võivad sarnased elemendid esineda mitmes erinevas vormiskristallstruktuurid ja saada ka klaasi kujul. Näiteks Se on kasvatatud monokliinilistes ja trigonaalsetes kristallstruktuurides või klaasina (mida võib pidada ka polümeeriks).
- Teemantil on suurepärane soojusjuhtivus, suurepärased mehaanilised ja optilised omadused ning kõrge mehaaniline tugevus. Energiavahe laius – dE=5,47 eV.
- Räni on pooljuht, mida kasutatakse päikesepatareides ja amorfsel kujul õhukese kilega päikesepatareides. See on päikesepatareides enimkasutatav pooljuht, mida on lihtne valmistada ning sellel on head elektrilised ja mehaanilised omadused. dE=1,12 eV.
- Germaanium on pooljuht, mida kasutatakse gammaspektroskoopias, suure jõudlusega fotogalvaanilistes elementides. Kasutatakse esimestes dioodides ja transistorides. Nõuab vähem puhastamist kui räni. dE=0,67 eV.
- Seleen on pooljuht, mida kasutatakse seleenialaldis, millel on kõrge kiirguskindlus ja iseparanemisvõime.
Kaheelemendilised ühendid
Periooditabeli 3. ja 4. rühma elementidest moodustatud pooljuhtide omadused sarnanevad 4. rühma ainete omadustega. Üleminek 4. rühma elementidelt ühenditele 3–4 gr. muudab sidemed osaliselt iooniliseks tänu elektronlaengu ülekandele rühma 3 aatomilt rühma 4 aatomile. Ioonilisus muudab pooljuhtide omadusi. See on Coulombi interiooni interaktsiooni ja energiariba lõhe energia suurenemise põhjuselektronstruktuurid. Seda tüüpi binaarsete ühendite näideteks on indiumantimoniid InSb, galliumarseniid GaAs, galliumantimoniid GaSb, indiumfosfiid InP, alumiiniumantimoniid AlSb, galliumfosfiid GaP.
Ioonsus suureneb ja selle väärtus kasvab veelgi rühmade 2–6 ainete ühendites, nagu kaadmiumseleniid, tsinksulfiid, kaadmiumsulfiid, kaadmiumtelluriid, tsinkseleniid. Selle tulemusena on enamiku rühmade 2–6 ühendite ribalaius laiem kui 1 eV, välja arvatud elavhõbedaühendid. Elavhõbetelluriid on energiavaheta pooljuht, poolmetall, nagu α-tina.
Laserite ja kuvarite tootmisel kasutatakse 2-6 rühma suure energiavahega pooljuhte. Infrapunavastuvõtjatele sobivad 2-6 rühma binaarühendused, mille energiavahe on kitsendatud. Rühmade 1–7 elementide (vaskbromiid CuBr, hõbejodiid AgI, vaskkloriid CuCl) binaarsetel ühenditel on nende suure ioonsuse tõttu ribalaius üle 3 eV. Need pole tegelikult pooljuhid, vaid isolaatorid. Coulombi interioonsest interaktsioonist tingitud kristalli ankurdusenergia suurenemine aitab kaasa kivisoola aatomite struktureerimisele kuuekordse kui ruutkoordinatsiooniga. Rühmade 4–6 ühendid - pliisulfiid ja telluriid, tinasulfiid - on samuti pooljuhid. Nende ainete ioonsuse aste aitab kaasa ka kuuekordse koordinatsiooni kujunemisele. Märkimisväärne ioonilisus ei takista neil väga kitsaid ribavahemikke, mis võimaldab neid kasutada infrapunakiirguse vastuvõtmiseks. Galliumnitriid - 3-5 rühmast koosnev laia energiavahega ühend, on leidnud kasutust pooljuhtidesspektri sinises osas töötavad laserid ja LED-id.
- GaAs, galliumarseniid, on räni järel enimkasutatav pooljuht, mida kasutatakse tavaliselt substraadina muudele juhtmetele, nagu GaInNA-d ja InGaA-d, infrapunadioodides, kõrgsageduslikes mikroskeemides ja transistorides ning suure tõhususega päikesepatareides., laserdioodid, detektorid tuumaravi. dE=1,43 eV, mis võimaldab suurendada seadmete võimsust võrreldes räniga. Habras, sisaldab rohkem lisandeid, raske valmistada.
- ZnS, tsinksulfiid – vesiniksulfiidhappe tsingisool ribavahemikuga 3,54 ja 3,91 eV, kasutatakse laserites ja fosforina.
- SnS, tinasulfiid – fototakistites ja fotodioodides kasutatav pooljuht, dE=1, 3 ja 10 eV.
Oksiidid
Metalloksiidid on enamasti suurepärased isolaatorid, kuid on ka erandeid. Seda tüüpi pooljuhtide näited on nikkeloksiid, vaskoksiid, koob altoksiid, vaskdioksiid, raudoksiid, euroopiumoksiid, tsinkoksiid. Kuna vaskdioksiid eksisteerib mineraalse kupriidina, on selle omadusi põhjalikult uuritud. Seda tüüpi pooljuhtide kasvatamise protseduur pole veel täielikult mõistetav, seega on nende kasutamine endiselt piiratud. Erandiks on tsinkoksiid (ZnO), rühma 2–6 ühend, mida kasutatakse konverterina ning kleeplintide ja krohvide tootmisel.
Olukord muutus dramaatiliselt pärast seda, kui paljudes vase ja hapniku ühendites avastati ülijuhtivus. EsiteksMülleri ja Bednorzi avastatud kõrgtemperatuuriline ülijuht oli ühend, mis põhineb pooljuhil La2CuO4 energiavahega 2 eV. Asendades kolmevalentse lantaani kahevalentse baariumi või strontsiumiga, viiakse pooljuhi sisse auklaengukandjad. Aukude vajaliku kontsentratsiooni saavutamine muudab La2CuO4 ülijuhiks. Praegu kuulub kõrgeim ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuur ühendile HgBaCa2Cu3O8. Kõrgsurvel on selle väärtus 134 K.
ZnO, tsinkoksiid, kasutatakse varistorites, sinistes LED-ides, gaasiandurites, bioloogilistes andurites, akende katetes infrapunavalguse peegeldamiseks, LCD-ekraanide ja päikesepaneelide juhina. dE=3,37 eV.
Kihtkristallid
Topeltühendeid, nagu pliijodiid, galliumseleniid ja molübdeendisulfiid, iseloomustab kihiline kristallstruktuur. Kihtides toimivad olulise tugevusega kovalentsed sidemed, mis on palju tugevamad kui van der Waalsi sidemed kihtide endi vahel. Seda tüüpi pooljuhid on huvitavad selle poolest, et elektronid käituvad kihtides kvaasi-kahemõõtmeliselt. Kihtide interaktsiooni muudab võõraatomite sissetoomine – interkalatsioon.
MoS2, molübdeendisulfiidi kasutatakse kõrgsagedusdetektorites, alaldites, memristorites, transistorides. dE=1,23 ja 1,8 eV.
Orgaanilised pooljuhid
Orgaanilistel ühenditel põhinevate pooljuhtide näited – naftaleen, polüatsetüleen(CH2) , antratseen, polüdiatsetüleen, ftalotsüaniidid, polüvinüülkarbasool. Orgaanilistel pooljuhtidel on anorgaaniliste ees eelis: neile on lihtne soovitud omadusi edasi anda. Ained, mille konjugeeritud sidemed on tüüpi –С=С–С=, omavad märkimisväärset optilist mittelineaarsust ja seetõttu kasutatakse neid optoelektroonikas. Lisaks muudetakse orgaaniliste pooljuhtide energiakatkestuste tsoone liitvalemi muutmisega, mis on palju lihtsam kui tavaliste pooljuhtide oma. Süsiniku fullereeni, grafeeni ja nanotorude kristalsed allotroopid on samuti pooljuhid.
- Fullereeni struktuur on paarisarvu süsinikuaatomitest koosnev kumer suletud hulktahukas. Ja fullereeni C60 dopingus leelismetalliga muudab selle ülijuhiks.
- Grafeen moodustub üheaatomilisest süsinikukihist, mis on ühendatud kahemõõtmeliseks kuusnurkseks võreks. Sellel on rekordiline soojusjuhtivus ja elektronide liikuvus, kõrge jäikus
- Nanotorud on mõne nanomeetrise läbimõõduga toruks rullitud grafiitplaadid. Nendel süsiniku vormidel on nanoelektroonikas palju lubadusi. Olenev alt ühendusest võivad olla metallilised või pooljuhtivad omadused.
Magnetilised pooljuhid
Magnetiliste euroopiumi ja mangaaniioonidega ühenditel on kummalised magnetilised ja pooljuhtomadused. Seda tüüpi pooljuhtide näited on euroopiumsulfiid, euroopiumseleniid ja tahked lahused, naguCd1-xMnxTe. Magnetiioonide sisaldus mõjutab seda, kuidas ainetes avalduvad sellised magnetilised omadused nagu antiferromagnetism ja ferromagnetism. Poolmagnetilised pooljuhid on pooljuhtide tahked magnetlahused, mis sisaldavad väikeses kontsentratsioonis magnetioone. Sellised kindlad lahendused tõmbavad tähelepanu tänu oma lubadustele ja suurele võimalikele rakendusvõimalustele. Näiteks erinev alt mittemagnetilistest pooljuhtidest suudavad need saavutada miljon korda suurema Faraday pöörde.
Magnetiliste pooljuhtide tugevad magneto-optilised efektid võimaldavad neid kasutada optilise modulatsiooni jaoks. Perovskiidid nagu Mn0, 7Ca0, 3O3, ületavad metalli – pooljuht, mille otsene sõltuvus magnetväljast põhjustab hiiglasliku magnetresistentsuse nähtuse. Neid kasutatakse raadiotehnikas, magnetväljaga juhitavates optilistes seadmetes, mikrolaineseadmete lainejuhtides.
Pooljuhtferroelektrikud
Seda tüüpi kristalle eristab nendes elektrimomentide olemasolu ja spontaanse polarisatsiooni esinemine. Näiteks pooljuhid nagu pliititanaat PbTiO3, baariumtitanaat BaTiO3, germaaniumtelluriid GeTe, tinatelluriid SnTe, millel on madalatel temperatuuridel omadused ferroelektriline. Neid materjale kasutatakse mittelineaarsetes optilistes, mälu- ja piesoandurites.
Erinevad pooljuhtmaterjalid
Lisaks eelnevalepooljuhtaineid, on palju teisi, mis ei kuulu ühegi loetletud tüübi alla. Elementide ühendused vastav alt valemile 1-3-52 (AgGaS2) ja 2-4-52 (ZnSiP2) moodustavad kalkopüriidi struktuuris kristalle. Ühendite sidemed on tetraeedrilised, sarnaselt 3–5 ja 2–6 rühmade pooljuhtidele, mille kristallstruktuuri on tsingi segu. Ühendid, mis moodustavad 5. ja 6. rühma pooljuhtide elemente (nagu As2Se3), on pooljuhid kristalli või klaasi kujul.. Vismuti ja antimoni kalkogeniide kasutatakse pooljuhttermoelektrilistes generaatorites. Seda tüüpi pooljuhtide omadused on äärmiselt huvitavad, kuid populaarsust pole nad saavutanud oma piiratud kasutusvõimaluste tõttu. Kuid nende olemasolu kinnitab pooljuhtide füüsika valdkondade olemasolu, mida pole veel täielikult uuritud.
