O semicondutor mais famoso é o silício (Si). Mas além dele, existem muitos outros. Um exemplo são materiais semicondutores naturais como blenda de zinco (ZnS), cuprita (Cu2O), galena (PbS) e muitos outros. A família de semicondutores, incluindo semicondutores sintetizados em laboratório, é uma das classes de materiais mais versáteis conhecidas pelo homem.
Caracterização de semicondutores
Dos 104 elementos da tabela periódica, 79 são metais, 25 são não metais, dos quais 13 elementos químicos têm propriedades semicondutoras e 12 são dielétricos. A principal diferença entre os semicondutores é que sua condutividade elétrica aumenta significativamente com o aumento da temperatura. Em baixas temperaturas eles se comportam como dielétricos e em altas temperaturas eles se comportam como condutores. É assim que os semicondutores diferem dos metais: a resistência do metal aumenta proporcionalmente ao aumento da temperatura.
Outra diferença entre um semicondutor e um metal é que a resistência de um semicondutorcai sob a influência da luz, enquanto esta não afeta o metal. A condutividade dos semicondutores também muda quando uma pequena quantidade de impureza é introduzida.
Os semicondutores são encontrados entre os compostos químicos com uma variedade de estruturas cristalinas. Estes podem ser elementos como silício e selênio, ou compostos binários, como arseneto de gálio. Muitos compostos orgânicos, como poliacetileno (CH)n, são materiais semicondutores. Alguns semicondutores apresentam propriedades magnéticas (Cd1-xMnxTe) ou ferroelétricas (SbSI). Outros com dopagem suficiente tornam-se supercondutores (GeTe e SrTiO3). Muitos dos supercondutores de alta temperatura recentemente descobertos têm fases semicondutoras não metálicas. Por exemplo, La2CuO4 é um semicondutor, mas quando ligado com Sr torna-se um supercondutor (La1-x Srx)2CuO4.
Os livros de física definem um semicondutor como um material com resistência elétrica de 10-4 a 107 Ohm·m. Uma definição alternativa também é possível. O band gap de um semicondutor é de 0 a 3 eV. Metais e semimetais são materiais com um gap de energia zero, e substâncias em que ele excede 3 eV são chamados de isolantes. Também há exceções. Por exemplo, o diamante semicondutor tem um gap de 6 eV, GaAs semi-isolantes - 1,5 eV. GaN, um material para dispositivos optoeletrônicos na região azul, possui um band gap de 3,5 eV.
F alta de energia
Os orbitais de valência dos átomos na rede cristalina são divididos em dois grupos de níveis de energia - a zona livre localizada no nível mais alto e determinando a condutividade elétrica dos semicondutores, e a banda de valência localizada abaixo. Esses níveis, dependendo da simetria da rede cristalina e da composição dos átomos, podem se cruzar ou estar localizados a uma distância um do outro. Neste último caso, surge um gap de energia ou, em outras palavras, uma zona proibida entre as zonas.
A localização e preenchimento dos níveis determina as propriedades condutoras da substância. Com base nisso, as substâncias são divididas em condutores, isolantes e semicondutores. A largura do bandgap do semicondutor varia dentro de 0,01-3 eV, o gap de energia do dielétrico excede 3 eV. Os metais não apresentam lacunas de energia devido à sobreposição de níveis.
Semicondutores e dielétricos, em contraste com os metais, têm uma banda de valência preenchida com elétrons, e a banda livre mais próxima, ou banda de condução, é cercada da banda de valência por um gap de energia - uma região de energias eletrônicas proibidas.
Em dielétricos, a energia térmica ou um campo elétrico insignificante não é suficiente para fazer um s alto através dessa lacuna, os elétrons não entram na banda de condução. Eles não são capazes de se mover ao longo da rede cristalina e se tornar portadores de corrente elétrica.
Para excitar a condutividade elétrica, um elétron no nível de valência deve receber energia suficiente para superar a energiaGap=Vão. Somente ao absorver uma quantidade de energia não inferior ao valor do gap de energia, o elétron passará do nível de valência para o nível de condução.
Caso a largura do gap de energia exceda 4 eV, a excitação da condutividade do semicondutor por irradiação ou aquecimento é praticamente impossível - a energia de excitação dos elétrons na temperatura de fusão é insuficiente para s altar através da zona do gap de energia. Quando aquecido, o cristal irá derreter até que ocorra a condução eletrônica. Essas substâncias incluem quartzo (dE=5,2 eV), diamante (dE=5,1 eV), muitos sais.
Impureza e condutividade intrínseca de semicondutores
Cristais semicondutores puros têm sua própria condutividade. Tais semicondutores são chamados intrínsecos. Um semicondutor intrínseco contém um número igual de lacunas e elétrons livres. Quando aquecido, a condutividade intrínseca dos semicondutores aumenta. A uma temperatura constante, surge um estado de equilíbrio dinâmico no número de pares elétron-lacuna formados e no número de elétrons e lacunas recombinados, que permanecem constantes sob determinadas condições.
A presença de impurezas tem um impacto significativo na condutividade elétrica dos semicondutores. Adicioná-los torna possível aumentar muito o número de elétrons livres com um pequeno número de lacunas e aumentar o número de lacunas com um pequeno número de elétrons no nível de condução. Semicondutores de impureza são condutores com condutividade de impureza.
Impurezas que facilmente doam elétrons são chamadas de impurezas doadoras. As impurezas doadoras podem ser elementos químicos com átomos cujos níveis de valência contêm mais elétrons do que os átomos da substância base. Por exemplo, fósforo e bismuto são impurezas doadoras de silício.
A energia necessária para s altar um elétron para a região de condução é chamada de energia de ativação. Os semicondutores de impureza precisam de muito menos do que o material de base. Com um leve aquecimento ou iluminação, são predominantemente os elétrons dos átomos dos semicondutores de impureza que são liberados. O lugar do elétron que sai do átomo é ocupado por um buraco. Mas a recombinação de elétrons em buracos praticamente não ocorre. A condutividade do buraco do doador é desprezível. Isso ocorre porque o pequeno número de átomos de impureza não permite que elétrons livres frequentemente se aproximem do buraco e o ocupem. Os elétrons estão próximos de buracos, mas não são capazes de preenchê-los devido a um nível de energia insuficiente.
Adição insignificante de uma impureza doadora em várias ordens de grandeza aumenta o número de elétrons de condução em comparação com o número de elétrons livres no semicondutor intrínseco. Os elétrons aqui são os principais portadores de carga de átomos de semicondutores de impureza. Essas substâncias são classificadas como semicondutores do tipo n.
Impurezas que ligam os elétrons de um semicondutor, aumentando o número de buracos nele, são chamadas de aceptoras. Impurezas receptoras são elementos químicos com menos elétrons no nível de valência do que o semicondutor de base. Boro, gálio, índio - aceptorimpurezas para silício.
As características de um semicondutor dependem dos defeitos em sua estrutura cristalina. Esta é a razão para a necessidade de crescer cristais extremamente puros. Os parâmetros de condutividade do semicondutor são controlados pela adição de dopantes. Os cristais de silício são dopados com fósforo (elemento do subgrupo V), que é um doador, para criar um cristal de silício tipo n. Para obter um cristal com condutividade de furos, um aceptor de boro é introduzido no silício. Semicondutores com um nível de Fermi compensado para movê-lo para o meio do intervalo de banda são criados de maneira semelhante.
Semicondutores de célula única
O semicondutor mais comum é, obviamente, o silício. Juntamente com o germânio, tornou-se o protótipo de uma ampla classe de semicondutores com estruturas cristalinas semelhantes.
A estrutura dos cristais de Si e Ge é a mesma do diamante e do α-estanho. Nele, cada átomo é cercado por 4 átomos mais próximos, que formam um tetraedro. Essa coordenação é chamada de quádrupla. Os cristais tetraligados tornaram-se a base da indústria eletrônica e desempenham um papel fundamental na tecnologia moderna. Alguns elementos dos grupos V e VI da tabela periódica também são semicondutores. Exemplos de semicondutores deste tipo são fósforo (P), enxofre (S), selênio (Se) e telúrio (Te). Nesses semicondutores, os átomos podem ter coordenação tripla (P), dupla (S, Se, Te) ou quádrupla. Como resultado, elementos semelhantes podem existir em váriosestruturas cristalinas, e também ser obtido na forma de vidro. Por exemplo, o Se foi cultivado em estruturas cristalinas monoclínicas e trigonais ou como vidro (que também pode ser considerado um polímero).
- O diamante possui excelente condutividade térmica, excelentes características mecânicas e ópticas, alta resistência mecânica. Largura do intervalo de energia - dE=5,47 eV.
- O silício é um semicondutor usado em células solares e na forma amorfa em células solares de película fina. É o semicondutor mais utilizado em células solares, de fácil fabricação e com boas propriedades elétricas e mecânicas. dE=1,12 eV.
- O germânio é um semicondutor utilizado em espectroscopia gama, células fotovoltaicas de alto desempenho. Usado nos primeiros diodos e transistores. Requer menos limpeza do que o silicone. dE=0,67 eV.
- O selênio é um semicondutor usado em retificadores de selênio, que possuem alta resistência à radiação e capacidade de autocura.
Compostos de dois elementos
As propriedades dos semicondutores formados por elementos do 3º e 4º grupos da tabela periódica se assemelham às propriedades das substâncias do 4º grupo. Transição de elementos do grupo 4 para compostos 3–4 gr. torna as ligações parcialmente iônicas devido à transferência de carga eletrônica do átomo do grupo 3 para o átomo do grupo 4. A ionicidade altera as propriedades dos semicondutores. É a razão para o aumento da interação interion de Coulomb e a energia do gap de energiaestruturas eletrônicas. Um exemplo de um composto binário deste tipo é o antimoneto de índio InSb, arseneto de gálio GaAs, antimoneto de gálio GaSb, fosfeto de índio InP, antimoneto de alumínio AlSb, fosforeto de gálio GaP.
A ionicidade aumenta, e seu valor cresce ainda mais em compostos de substâncias dos grupos 2-6, como seleneto de cádmio, sulfeto de zinco, sulfeto de cádmio, telureto de cádmio, seleneto de zinco. Como resultado, a maioria dos compostos dos grupos 2-6 tem um band gap maior que 1 eV, exceto os compostos de mercúrio. O telureto de mercúrio é um semicondutor sem gap de energia, um semimetal, como o α-tin.
Os semicondutores do Grupo 2-6 com grande diferença de energia são usados na produção de lasers e displays. Conexões binárias de 2-6 grupos com uma lacuna de energia estreita são adequadas para receptores infravermelhos. Compostos binários de elementos dos grupos 1-7 (brometo de cobre CuBr, iodeto de prata AgI, cloreto de cobre CuCl) devido à sua alta ionicidade têm um gap de banda maior que 3 eV. Na verdade, eles não são semicondutores, mas isolantes. O aumento da energia de ancoragem do cristal devido à interação interiônica de Coulomb contribui para a estruturação dos átomos de sal-gema com coordenação sêxtupla em vez de quadrática. Compostos dos grupos 4-6 - sulfeto de chumbo e telureto, sulfeto de estanho - também são semicondutores. O grau de ionicidade dessas substâncias também contribui para a formação da coordenação sêxtupla. A ionicidade significativa não impede que eles tenham intervalos de banda muito estreitos, o que permite que eles sejam usados para receber radiação infravermelha. Nitreto de gálio - um composto de 3-5 grupos com uma ampla lacuna de energia, encontrou aplicação em semicondutoreslasers e LEDs operando na parte azul do espectro.
- GaAs, arseneto de gálio, é o segundo semicondutor mais usado depois do silício, comumente usado como substrato para outros condutores como GaInNAs e InGaAs, em diodos IR, microcircuitos e transistores de alta frequência, células solares de alta eficiência, diodos laser, detectores de cura nuclear. dE=1,43 eV, o que possibilita aumentar a potência dos dispositivos em relação ao silício. Frágil, contém mais impurezas, difícil de fabricar.
- ZnS, sulfureto de zinco - sal de zinco de ácido hidrossulfureto com um band gap de 3,54 e 3,91 eV, utilizado em lasers e como fósforo.
- SnS, sulfeto de estanho - um semicondutor usado em fotoresistores e fotodiodos, dE=1, 3 e 10 eV.
Óxidos
Os óxidos metálicos são, em sua maioria, excelentes isolantes, mas há exceções. Exemplos de semicondutores deste tipo são óxido de níquel, óxido de cobre, óxido de cob alto, dióxido de cobre, óxido de ferro, óxido de európio, óxido de zinco. Como o dióxido de cobre existe como cuprita mineral, suas propriedades foram extensivamente pesquisadas. O procedimento para o cultivo de semicondutores desse tipo ainda não é totalmente compreendido, portanto, sua aplicação ainda é limitada. A exceção é o óxido de zinco (ZnO), composto do grupo 2-6 utilizado como conversor e na produção de fitas adesivas e emplastros.
A situação mudou drasticamente depois que a supercondutividade foi descoberta em muitos compostos de cobre com oxigênio. PrimeiroO supercondutor de alta temperatura descoberto por Müller e Bednorz era um composto baseado no semicondutor La2CuO4 com um gap de energia de 2 eV. Ao substituir o lantânio trivalente por bário ou estrôncio bivalente, os transportadores de carga vazios são introduzidos no semicondutor. Alcançar a concentração necessária de buracos transforma La2CuO4 em um supercondutor. Atualmente, a temperatura de transição mais alta para o estado supercondutor pertence ao composto HgBaCa2Cu3O8. Em alta pressão, seu valor é 134 K.
ZnO, óxido de zinco, é usado em varistores, LEDs azuis, sensores de gás, sensores biológicos, revestimentos de janelas para refletir luz infravermelha, como condutor em LCDs e painéis solares. dE=3,37 eV.
Cristais de camada
Compostos duplos como diiodeto de chumbo, seleneto de gálio e dissulfeto de molibdênio são caracterizados por uma estrutura cristalina em camadas. Ligações covalentes de força significativa atuam nas camadas, muito mais fortes do que as ligações de van der Waals entre as próprias camadas. Os semicondutores desse tipo são interessantes porque os elétrons se comportam quase bidimensionalmente em camadas. A interação das camadas é alterada pela introdução de átomos estranhos - intercalação.
MoS2, dissulfeto de molibdênio é usado em detectores de alta frequência, retificadores, memristores, transistores. dE=1,23 e 1,8 eV.
Semicondutores orgânicos
Exemplos de semicondutores baseados em compostos orgânicos - naftaleno, poliacetileno(CH2) , antraceno, polidiacetileno, ftalocianidos, polivinilcarbazol. Os semicondutores orgânicos têm uma vantagem sobre os inorgânicos: é fácil transmitir-lhes as qualidades desejadas. Substâncias com ligações conjugadas do tipo –С=С–С=possuem não linearidade óptica significativa e, por isso, são usadas em optoeletrônica. Além disso, as zonas de descontinuidade de energia dos semicondutores orgânicos são alteradas alterando a fórmula do composto, que é muito mais fácil do que a dos semicondutores convencionais. Alótropos cristalinos de fulereno de carbono, grafeno, nanotubos também são semicondutores.
- Fulereno tem uma estrutura na forma de um poliedro fechado convexo de um número par de átomos de carbono. E a dopagem do fulereno C60 com um metal alcalino o transforma em um supercondutor.
- O grafeno é formado por uma camada monoatômica de carbono conectada em uma rede hexagonal bidimensional. Tem um recorde de condutividade térmica e mobilidade eletrônica, alta rigidez
- Os nanotubos são placas de grafite enroladas em um tubo, com alguns nanômetros de diâmetro. Essas formas de carbono são muito promissoras em nanoeletrônica. Pode apresentar qualidades metálicas ou semicondutoras dependendo do acoplamento.
Semicondutores magnéticos
Compostos com íons magnéticos de európio e manganês possuem curiosas propriedades magnéticas e semicondutoras. Exemplos de semicondutores deste tipo são sulfeto de európio, seleneto de európio e soluções sólidas comoCd1-xMnxTe. O conteúdo de íons magnéticos influencia como propriedades magnéticas como antiferromagnetismo e ferromagnetismo se manifestam nas substâncias. Semicondutores semimagnéticos são soluções magnéticas sólidas de semicondutores que contêm íons magnéticos em uma pequena concentração. Tais soluções sólidas chamam a atenção devido à sua promessa e grande potencial para possíveis aplicações. Por exemplo, ao contrário dos semicondutores não magnéticos, eles podem atingir uma rotação de Faraday um milhão de vezes maior.
Os fortes efeitos magneto-ópticos dos semicondutores magnéticos tornam possível usá-los para modulação óptica. Perovskitas como Mn0, 7Ca0, 3O3, superam o metal - um semicondutor, cuja dependência direta do campo magnético resulta no fenômeno da magnetorresistência gigante. Eles são usados em engenharia de rádio, dispositivos ópticos que são controlados por um campo magnético, em guias de ondas de dispositivos de microondas.
Ferroelétricos semicondutores
Este tipo de cristais se distingue pela presença de momentos elétricos neles e pela ocorrência de polarização espontânea. Por exemplo, semicondutores como titanato de chumbo PbTiO3, titanato de bário BaTiO3, telureto de germânio GeTe, telureto de estanho SnTe, que em baixas temperaturas têm propriedades ferroelétrico. Esses materiais são usados em sensores ópticos, de memória e piezo não lineares.
Variedade de materiais semicondutores
Além do acimasubstâncias semicondutoras, existem muitas outras que não se enquadram em nenhum dos tipos listados. Conexões de elementos de acordo com a fórmula 1-3-52 (AgGaS2) e 2-4-52 (ZnSiP2) formam cristais na estrutura da calcopirita. As ligações dos compostos são tetraédricas, semelhantes aos semicondutores dos grupos 3-5 e 2-6 com a estrutura cristalina da blenda de zinco. Os compostos que formam os elementos dos semicondutores dos grupos 5 e 6 (como As2Se3) são semicondutores na forma de cristal ou vidro. Calcogenetos de bismuto e antimônio são usados em geradores termoelétricos semicondutores. As propriedades dos semicondutores desse tipo são extremamente interessantes, mas não ganharam popularidade devido à sua aplicação limitada. No entanto, o fato de existirem confirma a existência de áreas da física de semicondutores que ainda não foram totalmente exploradas.
