Эң белгилүү жарым өткөргүч кремний (Si). Бирок андан башка дагы көптөгөн адамдар бар. Мисалы, цинк аралашмасы (ZnS), куприт (Cu2O), галена (PbS) жана башка көптөгөн табигый жарым өткөргүч материалдар. Жарым өткөргүчтөрдүн үй-бүлөсү, анын ичинде лабораторияда синтезделген жарым өткөргүчтөр, адамдарга белгилүү болгон материалдардын ар тараптуу класстарынын бири.
Жарым өткөргүчтөрдүн мүнөздөмөсү
Мезгилдик системанын 104 элементинин 79у металл, 25и металл эмес, анын ичинен 13 химиялык элемент жарым өткөргүч, 12си диэлектрик. Жарым өткөргүчтөрдүн негизги айырмасы, алардын электр өткөргүчтүгү температуранын жогорулашы менен бир топ жогорулайт. Төмөнкү температурада алар диэлектриктер сыяктуу, ал эми жогорку температурада өткөргүчтөр сыяктуу иштешет. Жарым өткөргүчтөр металлдардан ушунусу менен айырмаланат: металлдын каршылыгы температуранын жогорулашына жараша көбөйөт.
Жарым өткөргүч менен металлдын дагы бир айырмасы – жарым өткөргүчтүн каршылыгыжарыктын таасири астында түшөт, ал эми экинчиси металлга таасир этпейт. Жарым өткөргүчтөрдүн өткөргүчтүгү аз өлчөмдөгү аралашма киргенде да өзгөрөт.
Жарым өткөргүчтөр ар түрдүү кристаллдык түзүлүштөгү химиялык кошулмалардын арасында кездешет. Бул кремний жана селен сыяктуу элементтер, же галлий арсениди сыяктуу бинардык кошулмалар болушу мүмкүн. Көптөгөн органикалык бирикмелер, мисалы, полиацетилен (CH)n, жарым өткөргүч материалдар. Кээ бир жарым өткөргүчтөр магниттик (Cd1-xMnxTe) же ферроэлектрдик касиеттерди (SbSI) көрсөтөт. Башкалары жетиштүү допинг менен супер өткөргүч болуп калышат (GeTe жана SrTiO3). Жакында ачылган жогорку температурадагы супер өткөргүчтөрдүн көбүнүн металл эмес жарым өткөргүч фазалары бар. Мисалы, La2CuO4 жарым өткөргүч, бирок Sr менен эриткенде ал супер өткөргүчкө айланат (La1-x Srx)2CuO4.
Физика окуу китептеринде жарым өткөргүч 10-4 дан 107 Ом·м чейин электр каршылыгы бар материал катары аныкталат. Альтернативдик аныктама да болушу мүмкүн. Жарым өткөргүчтүн диапазону 0дөн 3 эВге чейин. Металлдар жана жарым металлдар нөлдүк энергия ажырымы бар материалдар, ал эми 3 эВ ашкан заттар изоляторлор деп аталат. Өзгөчө учурлар да бар. Мисалы, жарым өткөргүч алмаз диапазону 6 эВ, жарым изоляциялык GaAs - 1,5 эВ. GaN, көк чөлкөмдөгү оптоэлектрондук түзүлүштөр үчүн материалдын диапазону 3,5 эВ.
Энергетикалык боштук
Кристаллдык тордогу атомдордун валенттик орбиталдары энергетикалык деңгээлдер боюнча эки топко бөлүнөт - эң жогорку деңгээлде жайгашкан жана жарым өткөргүчтөрдүн электр өткөрүмдүүлүгүн аныктоочу эркин зонага жана төмөндө жайгашкан валенттик тилке. Бул деңгээлдер кристалл торчосунун симметриясына жана атомдордун составына жараша кесилишет же бири-биринен алыстыкта жайгашышы мүмкүн. Акыркы учурда, аймактардын ортосунда энергетикалык боштук же башкача айтканда тыюу салынган аймак пайда болот.
Деңгээлдердин жайгашуусу жана толтурулушу заттын өткөргүч касиеттерин аныктайт. Ушунун негизинде заттар өткөргүчтөр, изоляторлор жана жарым өткөргүчтөр болуп бөлүнөт. Жарым өткөргүчтүн тилкесинин кеңдиги 0,01–3 эВ чегинде өзгөрөт, диэлектриктин энергетикалык боштугу 3 эВден ашат. Металлдардын деңгээли бири-бирине дал келгендиктен энергия боштуктары жок.
Жарым өткөргүчтөр жана диэлектриктер металлдардан айырмаланып, электрондор менен толтурулган валенттик тилкеге ээ, ал эми жакынкы бош тилке же өткөргүч тилке валенттик тилкеден энергетикалык боштук - тыюу салынган электрон энергияларынын аймагы менен тосулган..
Диэлектриктерде бул боштуктан секирүү үчүн жылуулук энергиясы же анча чоң эмес электр талаасы жетишсиз, электрондор өткөргүч тилкеге кирбейт. Алар кристалл тордун боюнда кыймылдай алышпайт жана электр тогун алып жүрүшөт.
Электр өткөргүчтүгүн козгоо үчүн валенттүүлүк деңгээлдеги электронго энергияны жеңүүгө жетиштүү энергия берилиши керек.боштук. Энергетикалык боштуктун маанисинен кем эмес энергиянын көлөмүн сиңиргенде гана электрон валенттүүлүк деңгээлинен өткөргүчтүк деңгээлге өтөт.
Энергетикалык ажырымдын туурасы 4 эВ ашкан учурда нурлануу же ысытуу аркылуу жарым өткөргүч өткөргүчтүктү дүүлүктүрүү иш жүзүндө мүмкүн эмес - эрүү температурасында электрондордун дүүлүктүрүү энергиясы энергетикалык боштук зонасы аркылуу секирүү үчүн жетишсиз. ысытылганда, кристалл электрондук өткөргүч пайда чейин эрийт. Бул заттарга кварц (dE=5,2 эВ), алмаз (dE=5,1 эВ), көптөгөн туздар кирет.
Жарым өткөргүчтөрдүн ыпластыгы жана ички өткөргүчтүгү
Таза жарым өткөргүч кристаллдары өздөрүнүн өткөргүчтүгүнө ээ. Мындай жарым өткөргүчтөр ички деп аталат. Ички жарым өткөргүч бирдей сандагы тешиктерди жана эркин электрондорду камтыйт. ысытылганда жарым өткөргүчтөрдүн өздүк өткөргүчтүгү жогорулайт. Туруктуу температурада динамикалык тең салмактуулук абалы түзүлгөн электрон-тешик жуптарынын санында жана берилген шарттарда туруктуу бойдон кала турган рекомбинацияланган электрондор менен тешиктердин санында пайда болот.
Ашпалардын болушу жарым өткөргүчтөрдүн электр өткөргүчтүгүнө олуттуу таасирин тийгизет. Аларды кошуу аз сандагы тешиктери бар эркин электрондордун санын абдан көбөйтүүгө жана өткөргүчтүк деңгээлдеги электрондор аз сандагы тешиктердин санын көбөйтүүгө мүмкүндүк берет. Тазасыз жарым өткөргүчтөр аралашма өткөргүчтүгү бар өткөргүчтөр.
Электрондорду оңой бере турган аралашмалар донордук аралашмалар деп аталат. Донордук аралашмалар валенттүүлүк деңгээли негизги заттын атомдоруна караганда көбүрөөк электрондорду камтыган атомдору бар химиялык элементтер болушу мүмкүн. Мисалы, фосфор жана висмут кремний донордук аралашмалар болуп саналат.
Электронду өткөрүүчү аймакка секирүү үчүн керектелүүчү энергия активдештирүү энергиясы деп аталат. Напасы жарым өткөргүчтөр аны негизги материалдан алда канча аз талап кылат. Бир аз ысытуу же жарыктандыруу менен негизинен жарым өткөргүчтөрдүн атомдорунун электрондору бөлүнүп чыгат. Атомдон чыккан электрондун ордун тешик ээлейт. Бирок электрондордун тешиктерге рекомбинациясы иш жүзүндө болбойт. Донордун тешик өткөргүчтүгү жокко эсе. Себеби, аз сандагы ыплас атомдор эркин электрондордун көп учурда тешикке жакындап, аны ээлешине жол бербейт. Электрондор тешиктердин жанында, бирок энергиянын деңгээли жетишсиз болгондуктан аларды толтура албай жатышат.
Донордук аралашманын чоңдуктун бир нече ирети боюнча анча-мынча кошулушу өздүк жарым өткөргүчтөгү бош электрондордун санына салыштырмалуу өткөргүч электрондордун санын көбөйтөт. Бул жерде электрондор аралаш жарым өткөргүчтөрдүн атомдорунун негизги заряд алып жүрүүчүлөрү болуп саналат. Бул заттар n тибиндеги жарым өткөргүчтөр катары классификацияланган.
Жарым өткөргүчтүн электрондорун байланыштырып, андагы тешиктердин санын көбөйтүүчү аралашмалар акцептор деп аталат. Акцептордук аралашмалар – негизги жарым өткөргүчкө караганда валенттүүлүк деңгээлинде азыраак электрондор бар химиялык элементтер. Бор, галлий, индий – акцепторкремний үчүн аралашмалар.
Жарым өткөргүчтүн мүнөздөмөлөрү анын кристаллдык түзүлүшүндөгү кемчиликтерге жараша болот. Бул өтө таза кристаллдарды өстүрүү зарылдыгынын себеби болуп саналат. Жарым өткөргүчтүн өткөргүчтүк параметрлери кошумча заттарды кошуу менен көзөмөлдөнөт. Кремний кристаллдары n-типтеги кремний кристаллдарын түзүү үчүн донор болуп саналган фосфор (V подгруппа элементи) менен аралаштырылат. Тешик өткөргүчтүгү бар кристалл алуу үчүн кремнийге бор кабылдагыч киргизилет. Топтук боштуктун ортосуна жылдыруу үчүн компенсацияланган Fermi деңгээли бар жарым өткөргүчтөр да ушундай жол менен жаратылган.
Бир клеткалуу жарым өткөргүчтөр
Эң кеңири таралган жарым өткөргүч, албетте, кремний. Ал германий менен бирге окшош кристаллдык түзүлүштөгү жарым өткөргүчтөрдүн кеңири классынын прототиби болуп калды.
Si жана Ge кристаллдарынын түзүлүшү алмаз менен α-калайынын түзүлүшү менен бирдей. Анда ар бир атом тетраэдрди түзгөн эң жакын 4 атом менен курчалган. Бул координация төрттүк деп аталат. Тетра-байланыштуу кристаллдар электроника өнөр жайынын негизи болуп калды жана заманбап технологияда негизги ролду ойнойт. Мезгилдик системанын V жана VI топторунун кээ бир элементтери да жарым өткөргүч болуп саналат. Бул түрдөгү жарым өткөргүчтөрдүн мисалдары: фосфор (P), күкүрт (S), селен (Se) жана теллур (Te). Бул жарым өткөргүчтөрдөгү атомдор үч эсе (P), эки эселенген (S, Se, Te) же төрт эсе координацияга ээ болушу мүмкүн. Натыйжада, окшош элементтер бир нече ар кандай болушу мүмкүнкристаллдык структуралар, ошондой эле айнек түрүндө алынат. Мисалы, Se monoclinic жана тригоналдык кристалл структураларында же айнек түрүндө өстүрүлгөн (бул полимер катары да каралышы мүмкүн).
- Алмаз мыкты жылуулук өткөрүмдүүлүккө, мыкты механикалык жана оптикалык мүнөздөмөлөргө, жогорку механикалык күчкө ээ. Энергетикалык боштуктун туурасы - dE=5,47 eV.
- Кремний – күн батареяларында жана жука пленкалуу күн батареяларында аморфтук формада колдонулган жарым өткөргүч. Бул күн батареяларында эң көп колдонулган жарым өткөргүч, өндүрүү оңой жана жакшы электрдик жана механикалык касиеттерге ээ. dE=1,12 эВ.
- Германий – гамма-спектроскопияда колдонулган жарым өткөргүч, жогорку өндүрүмдүүлүктөгү фотоэлектрдик клеткалар. Биринчи диоддордо жана транзисторлордо колдонулат. Кремнийге караганда азыраак тазалоону талап кылат. dE=0,67 эВ.
- Селен - селен түзүүчүлөрү үчүн колдонулган жарым өткөргүч, анын нурланууга туруктуулугу жана өзүн-өзү калыбына келтирүү жөндөмү бар.
Эки элементтүү кошулмалар
Мезгилдик системанын 3-жана 4-топторунун элементтери түзгөн жарым өткөргүчтөрдүн касиеттери 4-топтогу заттардын касиеттерине окшош. 4-топтун элементтеринен кошулмаларга өтүү 3–4 гр. 3-топтун атомунан 4-топтун атомуна электрон зарядынын өтүшүнүн эсебинен байланыштарды жарым-жартылай иондук кылат. Иондуулук жарым өткөргүчтөрдүн касиеттерин өзгөртөт. Бул Кулон аралык өз ара аракеттенүүнүн жана энергия диапазонунун энергиясынын көбөйүшүнүн себебиэлектрон структуралары. Бул типтеги бинардык кошулмалардын мисалы: индий антимониди InSb, галлий арсениди GaAs, галий антимониди GaSb, индий фосфиди InP, алюминий антимониди AlSb, галлий фосфиди GaP.
Иондуулук жогорулап, анын мааниси 2-6-группадагы кадмий селениди, цинк сульфиди, кадмий сульфиди, кадмий теллуриди, цинк селениди сыяктуу заттардын кошулмаларында дагы өсөт. Натыйжада 2-6-группадагы көпчүлүк бирикмелер сымап кошулмаларынан башкасы 1 эВден кең тилкеге ээ. Сымап теллуриди – энергия ажырымы жок жарым өткөргүч, α-калай сыяктуу жарым металл.
Лазерлерди жана дисплейлерди өндүрүүдө чоң энергия ажырымы бар 2-6-топтогу жарым өткөргүчтөр колдонулат. Инфракызыл кабылдагычтар үчүн энергия ажырымы тар 2-6 топтун бинардык байланыштары ылайыктуу. 1–7-группадагы элементтердин бинардык бирикмелери (жез бромиди CuBr, күмүш иодиди AgI, жез хлориди CuCl) жогорку иондуулугунан улам 3 эВден кең тилкеге ээ. Алар чындыгында жарым өткөргүчтөр эмес, изоляторлор. Кулон аралык иондук өз ара аракеттешүүсүнөн улам кристаллдын анкердик энергиясынын көбөйүшү, квадраттык координацияга караганда 6 эселенген таш тузунун атомдорунун түзүлүшүнө өбөлгө түзөт. 4–6-топтогу бирикмелер – коргошун сульфиди жана теллурид, калай сульфиди – дагы жарым өткөргүчтөр. Бул заттардын иондук даражасы да алты эселенген координациянын пайда болушуна шарт түзөт. Олуттуу иондуулук алардын өтө тар тилкелик боштуктарга ээ болушуна тоскоол болбойт, бул аларды инфракызыл нурланууну кабыл алуу үчүн колдонууга мүмкүндүк берет. Галлий нитриди - энергия ажырымы кең 3-5 топтун кошулмасы жарым өткөргүчтө колдонулушун тапты.спектрдин көк бөлүгүндө иштеген лазерлер жана диоддор.
- GaAs, галлий арсениди, кремнийден кийинки экинчи эң көп колдонулган жарым өткөргүч, адатта GaInNAs жана InGaAs сыяктуу башка өткөргүчтөр үчүн субстрат катары колдонулат, IR диоддордо, жогорку жыштыктагы микросхемаларда жана транзисторлордо, жогорку эффективдүү күн батареяларында, лазердик диоддор, детекторлор ядролук айыктыруу. dE=1,43 эВ, бул кремнийге салыштырмалуу түзүлүштөрдүн кубаттуулугун жогорулатууга мүмкүндүк берет. Морт, аралашмалар көбүрөөк, аны өндүрүү кыйын.
- ZnS, цинк сульфиди - диапазону 3,54 жана 3,91 эВ болгон гидросульфид кислотасынын цинк тузу, лазерлерде жана фосфор катары колдонулат.
- SnS, калай сульфиди - фоторезисторлордо жана фотодиоддордо колдонулуучу жарым өткөргүч, dE=1, 3 жана 10 эВ.
Оксиддер
Металл оксиддери негизинен эң сонун изоляторлор, бирок өзгөчөлүктөр бар. Бул түрдөгү жарым өткөргүчтөрдүн мисалдары: никель оксиди, жез оксиди, кобальт оксиди, жездин диоксиди, темир оксиди, европийдин оксиди, цинк оксиди. Куприт минералы катары жездин диоксиди бар болгондуктан, анын касиеттери кеңири изилденген. Бул типтеги жарым өткөргүчтөрдү өстүрүү тартиби али толук түшүнүлө элек, ошондуктан аларды колдонуу дагы эле чектелүү. Цинк оксиди (ZnO), конвертер катары жана жабышчаак ленталарды жана гипстерди өндүрүүдө колдонулган 2-6-топтогу кошулма.
Жездин кычкылтек менен көптөгөн кошулмаларында өтө өткөргүчтүк ачылгандан кийин кырдаал кескин өзгөрдү. БиринчиМюллер жана Беднорц тарабынан ачылган жогорку температурадагы супер өткөргүч La2CuO4 жарым өткөргүчүнүн негизинде 2 эВ энергетикалык боштук болгон. Үч валенттүү лантанды эки валенттүү барий же стронций менен алмаштыруу менен жарым өткөргүчкө тешик зарядын алып жүрүүчүлөр киргизилет. Тешиктердин керектүү концентрациясына жетүү La2CuO4 супер өткөргүчкө айланат. Учурда өтө өткөргүч абалга өтүү температурасы эң жогорку HgBaCa2Cu3O8 кошулмасына таандык.. Жогорку басымда анын мааниси 134 К.
ZnO, цинк оксиди, варисторлордо, көк диоддордо, газ датчиктеринде, биологиялык сенсорлордо, терезе каптамаларында инфракызыл жарыкты чагылдыруу үчүн, ЖК жана күн панелдеринде өткөргүч катары колдонулат. dE=3,37 эВ.
Кабат кристаллдары
Коршун диодиди, галлий селениди жана молибден дисульфиди сыяктуу кош кошулмалар катмарлуу кристалл структурасы менен мүнөздөлөт. Коваленттик байланыштар катмарларда таасир этет, бул катмарлардын ортосундагы ван-дер-Ваальс байланыштарына караганда алда канча күчтүү. Бул типтеги жарым өткөргүчтөр электрондор катмарларда өзүн квази-эки өлчөмдүү алып барышы менен кызыктуу. Катмарлардын өз ара аракети бөтөн атомдордун кириши менен өзгөрөт - интеркалация.
MoS2, молибден дисульфиди жогорку жыштыктагы детекторлордо, түзөткүчтөрдө, мемристорлордо, транзисторлордо колдонулат. dE=1,23 жана 1,8 эВ.
Органикалык жарым өткөргүчтөр
Органикалык бирикмелердин негизиндеги жарым өткөргүчтөрдүн мисалдары - нафталин, полиацетилен(CH2) , антрацен, полидиацетилен, фтаоцианиддер, поливинилкарбазол. Органикалык жарым өткөргүчтөрдүн органикалык эместерге караганда артыкчылыгы бар: аларга керектүү сапаттарды берүү оңой. –С=С–С=тибиндеги конъюгациялык байланыштары бар заттар олуттуу оптикалык сызыктуу эместикке ээ жана ушундан улам оптоэлектроникада колдонулат. Кошумчалай кетсек, органикалык жарым өткөргүчтөрдүн энергетикалык үзгүлтүксүздүк зоналары кошулма формуласын өзгөртүү менен өзгөрөт, бул кадимки жарым өткөргүчтөргө караганда бир топ жеңил. Көмүртек фуллеренинин, графендин, нанотүтүктөрдүн кристаллдык аллотропдору да жарым өткөргүч болуп саналат.
- Фуллерен жуп сандагы көмүртек атомдорунун томпок жабык полиэдр түрүндөгү түзүлүшкө ээ. Ал эми фуллерен C60 щелочтук металл менен допинг аны супер өткөргүчкө айлантат.
- Графен эки өлчөмдүү алты бурчтуу торго туташтырылган көмүртектин монотомдук катмарынан түзүлөт. Бул рекорддук жылуулук өткөрүмдүүлүккө жана электрондордун кыймылдуулугуна, жогорку катуулугуна ээ
- Нанотүтүкчөлөр - диаметри бир нече нанометрге ээ болгон түтүккө түрүлгөн графит плиталары. Көмүртектин бул формалары наноэлектроникада чоң үмүт берет. Туташтырууга жараша металлдык же жарым өткөргүч сапаттарды көрсөтүшү мүмкүн.
Магниттик жарым өткөргүчтөр
Магниттик европий жана марганец иондору бар кошулмалар кызык магниттик жана жарым өткөргүч касиеттерге ээ. Бул түрдөгү жарым өткөргүчтөрдүн мисалдары: европий сульфиди, европий селениди жана катуу эритмелер. Cd1-xMnxTe. Магниттик иондордун мазмуну антиферромагнетизм жана ферромагнетизм сыяктуу магниттик касиеттердин заттарда кандайча көрүнөөрүнө таасир этет. Жарым магниттик жарым өткөргүчтөр – кичинекей концентрацияда магнит иондорун камтыган жарым өткөргүчтөрдүн катуу магниттик эритмелери. Мындай катуу чечимдер, алардын убадасы жана мүмкүн болгон колдонмолор үчүн чоң потенциалы менен көңүл бурат. Мисалы, магниттик эмес жарым өткөргүчтөрдөн айырмаланып, алар миллион эсе көп Фарадей айлануусуна жетише алышат.
Магниттик жарым өткөргүчтөрдүн күчтүү магнит-оптикалык эффекттери аларды оптикалык модуляция үчүн колдонууга мүмкүндүк берет. Mn0, 7Ca0, 3O3, сыяктуу перовскиттер металлдан ашып, жарым өткөргүчтөн, анын магнит талаасына тике көз карандылыгы гиганттык магнит каршылык кубулушуна алып келет. Алар радиотехникада, магнит талаасы тарабынан башкарылуучу оптикалык түзүлүштөрдө, микротолкундуу аппараттардын толкун өткөргүчтөрүндө колдонулат.
Жарым өткөргүчтүү ферроэлектриктер
Кристалдардын бул түрү аларда электрдик моменттердин болушу жана стихиялуу поляризациянын пайда болушу менен айырмаланат. Мисалы, жарым өткөргүчтөр, мисалы коргошун титанаты PbTiO3, барий титанаты BaTiO3, германий теллуриди GeTe, калай теллуриди SnTe, төмөнкү температурада касиетке ээ. темир электр. Бул материалдар сызыктуу эмес оптикалык, эс тутум жана пьезо сенсорлордо колдонулат.
Жарым өткөргүч материалдардын ар түрдүүлүгү
Жогорудагыларга кошумчажарым өткөргүч заттар, саналып өткөн түрлөрдүн бирине да кирбеген башка көптөгөн заттар бар. 1-3-52 (AgGaS2) жана 2-4-52 формуласы боюнча элементтердин байланыштары (ZnSiP2) халькопирит структурасында кристаллдарды түзөт. Кошулмалардын байланыштары тетраэдрдик, цинк аралашмасынын кристаллдык түзүлүшү менен 3–5 жана 2–6-группалардын жарым өткөргүчтөрүнө окшош. 5 жана 6-топтогу жарым өткөргүчтөрдүн элементтерин түзүүчү бирикмелер (мисалы, As2Se3) кристалл же айнек түрүндөгү жарым өткөргүч болуп саналат.. Висмут жана сурьма халькогениддери жарым өткөргүчтүү термоэлектрдик генераторлордо колдонулат. Бул түрдөгү жарым өткөргүчтөрдүн касиеттери өтө кызыктуу, бирок алар чектелген колдонуудан улам популярдуулукка ээ боло элек. Бирок, алардын бар экендиги жарым өткөргүчтөрдүн физикасынын али толук изилдене элек аймактарынын бар экенин тастыктайт.
