Gjysmëpërçuesi më i famshëm është silikoni (Si). Por përveç tij, ka edhe shumë të tjerë. Një shembull janë materiale të tilla gjysmëpërçuese natyrale si përzierja e zinkut (ZnS), cupriti (Cu2O), galena (PbS) dhe shumë të tjera. Familja e gjysmëpërçuesve, duke përfshirë gjysmëpërçuesit e sintetizuar në laborator, është një nga klasat më të gjithanshme të materialeve të njohura nga njeriu.
Karakterizimi i gjysmëpërçuesve
Nga 104 elementët e tabelës periodike, 79 janë metale, 25 janë jometale, nga të cilët 13 elementë kimikë kanë veti gjysmëpërçuese dhe 12 janë dielektrikë. Dallimi kryesor midis gjysmëpërçuesve është se përçueshmëria e tyre elektrike rritet ndjeshëm me rritjen e temperaturës. Në temperatura të ulëta ata sillen si dielektrikë, dhe në temperatura të larta sillen si përçues. Ja si ndryshojnë gjysmëpërçuesit nga metalet: rezistenca e metalit rritet në raport me rritjen e temperaturës.
Një tjetër ndryshim midis një gjysmëpërçuesi dhe një metali është se rezistenca e një gjysmëpërçuesibie nën ndikimin e dritës, ndërsa kjo e fundit nuk ndikon në metal. Përçueshmëria e gjysmëpërçuesve gjithashtu ndryshon kur futet një sasi e vogël papastërtie.
Gjysmëpërçuesit gjenden midis përbërjeve kimike me një shumëllojshmëri strukturash kristalore. Këta mund të jenë elementë të tillë si silikoni dhe seleniumi, ose komponime binare si arsenidi i galiumit. Shumë komponime organike, si poliacetileni (CH)n, janë materiale gjysmëpërçuese. Disa gjysmëpërçues shfaqin veti magnetike (Cd1-xMnxTe) ose ferroelektrike (SbSI). Të tjerët me doping të mjaftueshëm bëhen superpërçues (GeTe dhe SrTiO3). Shumë nga superpërcjellësit e zbuluar kohët e fundit kanë faza gjysmëpërçuese jometalike. Për shembull, La2CuO4 është një gjysmëpërçues, por kur lidhet me Sr bëhet një superpërçues (La1-x Srx)2CuO4.
Librat shkollorë të fizikës përcaktojnë një gjysmëpërçues si një material me rezistencë elektrike nga 10-4 deri në 107 Ohm·m. Një përkufizim alternativ është gjithashtu i mundur. Hendeku i brezit të një gjysmëpërçuesi është nga 0 në 3 eV. Metalet dhe gjysmëmetalet janë materiale me një hendek energjie zero, dhe substancat në të cilat ai kalon 3 eV quhen izolues. Ka edhe përjashtime. Për shembull, diamanti gjysmëpërçues ka një hendek brezi prej 6 eV, GaAs gjysmë izolues - 1.5 eV. GaN, një material për pajisjet optoelektronike në rajonin blu, ka një hendek brezi prej 3,5 eV.
Hendeku energjetik
Orbitalet e valencës së atomeve në rrjetën kristalore ndahen në dy grupe të niveleve të energjisë - zona e lirë e vendosur në nivelin më të lartë dhe që përcakton përçueshmërinë elektrike të gjysmëpërçuesve, dhe brezi i valencës që ndodhet më poshtë. Këto nivele, në varësi të simetrisë së rrjetës kristalore dhe përbërjes së atomeve, mund të kryqëzohen ose të vendosen në një distancë nga njëri-tjetri. Në rastin e fundit, midis zonave shfaqet një hendek energjie ose, me fjalë të tjera, një zonë e ndaluar.
Vendndodhja dhe mbushja e niveleve përcakton vetitë përcjellëse të substancës. Mbi këtë bazë, substancat ndahen në përçues, izolues dhe gjysmëpërçues. Gjerësia e brezit gjysmëpërçues varion brenda 0,01-3 eV, hendeku i energjisë i dielektrikut kalon 3 eV. Metalet nuk kanë boshllëqe energjetike për shkak të niveleve të mbivendosura.
Gjysmëpërçuesit dhe dielektrikët, ndryshe nga metalet, kanë një brez valence të mbushur me elektrone, dhe brezi i lirë më i afërt, ose brezi i përcjelljes, është i rrethuar nga brezi i valencës nga një hendek energjie - një rajon i energjive të ndaluara të elektroneve.
Në dielektrikë, energjia termike ose një fushë elektrike e parëndësishme nuk mjafton për të bërë një kërcim nëpër këtë hendek, elektronet nuk hyjnë në brezin e përcjelljes. Ata nuk janë në gjendje të lëvizin përgjatë rrjetës kristalore dhe të bëhen bartës të rrymës elektrike.
Për të nxitur përçueshmërinë elektrike, një elektroni në nivelin e valencës duhet t'i jepet energji që do të ishte e mjaftueshme për të kapërcyer energjinëboshllëk. Vetëm kur thith një sasi energjie jo më të vogël se vlera e hendekut të energjisë, elektroni do të lëvizë nga niveli i valencës në nivelin e përcjelljes.
Në rast se gjerësia e hendekut të energjisë tejkalon 4 eV, ngacmimi i përçueshmërisë gjysmëpërçuese nga rrezatimi ose ngrohja është praktikisht i pamundur - energjia e ngacmimit të elektroneve në temperaturën e shkrirjes është e pamjaftueshme për të kërcyer nëpër zonën e hendekut të energjisë. Kur nxehet, kristali do të shkrihet derisa të ndodhë përçueshmëria elektronike. Këto substanca përfshijnë kuarcin (dE=5,2 eV), diamantin (dE=5,1 eV), shumë kripëra.
Papastërti dhe përçueshmëri e brendshme e gjysmëpërçuesve
Kristalet gjysmëpërçues të pastër kanë përçueshmërinë e tyre. Gjysmëpërçues të tillë quhen të brendshëm. Një gjysmëpërçues i brendshëm përmban një numër të barabartë vrimash dhe elektronesh të lira. Kur nxehet, përçueshmëria e brendshme e gjysmëpërçuesve rritet. Në një temperaturë konstante, lind një gjendje ekuilibri dinamik në numrin e çifteve elektron-vrima të formuara dhe numrin e elektroneve dhe vrimave të rikombinuar, të cilat mbeten konstante në kushte të dhëna.
Prania e papastërtive ka një ndikim të rëndësishëm në përçueshmërinë elektrike të gjysmëpërçuesve. Shtimi i tyre bën të mundur rritjen e madhe të numrit të elektroneve të lira me një numër të vogël vrimash dhe rritjen e numrit të vrimave me një numër të vogël elektronesh në nivelin e përcjelljes. Gjysmëpërçuesit e papastërtive janë përçues me përçueshmëri të papastërtive.
Papastërtitë që dhurojnë lehtësisht elektrone quhen papastërti dhuruese. Papastërtitë e dhuruesve mund të jenë elementë kimikë me atome, nivelet e valencës së të cilëve përmbajnë më shumë elektrone sesa atomet e substancës bazë. Për shembull, fosfori dhe bismuti janë papastërti të dhuruesve të silikonit.
Energjia e nevojshme për të kërcyer një elektron në rajonin e përcjelljes quhet energjia e aktivizimit. Gjysmëpërçuesit e papastërtive kanë nevojë për shumë më pak se materiali bazë. Me një ngrohje ose ndriçim të lehtë, lirohen kryesisht elektronet e atomeve të gjysmëpërçuesve të papastërtive. Vendi i elektronit që largohet nga atomi është i zënë nga një vrimë. Por rikombinimi i elektroneve në vrima praktikisht nuk ndodh. Përçueshmëria e vrimës së dhuruesit është e papërfillshme. Kjo ndodh sepse numri i vogël i atomeve të papastërtive nuk lejon që elektronet e lira t'i afrohen shpesh vrimës dhe ta zënë atë. Elektronet janë afër vrimave, por nuk janë në gjendje t'i mbushin ato për shkak të nivelit të pamjaftueshëm të energjisë.
Shtimi i parëndësishëm i një papastërtie dhuruese me disa renditje të madhësisë rrit numrin e elektroneve të përcjelljes në krahasim me numrin e elektroneve të lira në gjysmëpërçuesin e brendshëm. Elektronet këtu janë bartësit kryesorë të ngarkesës së atomeve të gjysmëpërçuesve të papastërtive. Këto substanca klasifikohen si gjysmëpërçues të tipit n.
Papastërtitë që lidhin elektronet e një gjysmëpërçuesi, duke rritur numrin e vrimave në të, quhen pranues. Papastërtitë e pranuesit janë elementë kimikë me më pak elektrone në nivelin e valencës se gjysmëpërçuesi bazë. Bor, galium, indium - pranuespapastërtitë për silikon.
Karakteristikat e një gjysmëpërçuesi varen nga defektet në strukturën e tij kristalore. Kjo është arsyeja e nevojës për të rritur kristale jashtëzakonisht të pastra. Parametrat e përçueshmërisë së gjysmëpërçuesit kontrollohen duke shtuar dopantë. Kristalet e silikonit dopohen me fosfor (elementi i nëngrupit V), i cili është një dhurues, për të krijuar një kristal silikoni të tipit n. Për të marrë një kristal me përçueshmëri vrimash, një pranues bori futet në silikon. Në mënyrë të ngjashme krijohen gjysmëpërçuesit me një nivel të kompensuar Fermi për ta zhvendosur atë në mes të hendekut të brezit.
Gjysmëpërçues me një qelizë
Gjysmëpërçuesi më i zakonshëm është, natyrisht, silikoni. Së bashku me germaniumin, ai u bë prototipi për një klasë të gjerë gjysmëpërçuesish me struktura të ngjashme kristalore.
Struktura e kristaleve Si dhe Ge është e njëjtë me atë të diamantit dhe α-kallajit. Në të, çdo atom është i rrethuar nga 4 atomet më të afërt, të cilët formojnë një tetraedron. Ky koordinim quhet katërfish. Kristalet e lidhura me tetra janë bërë baza e industrisë elektronike dhe luajnë një rol kyç në teknologjinë moderne. Disa elementë të grupeve V dhe VI të tabelës periodike janë gjithashtu gjysmëpërçues. Shembuj të gjysmëpërçuesve të këtij lloji janë fosfori (P), squfuri (S), seleniumi (Se) dhe teluri (Te). Në këta gjysmëpërçues, atomet mund të kenë një koordinim trefish (P), dyfish (S, Se, Te) ose katërfish. Si rezultat, elementë të ngjashëm mund të ekzistojnë në disa të ndryshmestrukturat kristalore, dhe gjithashtu të përftohen në formë xhami. Për shembull, Se është rritur në struktura kristalore monoklinike dhe trigonale ose si xhami (i cili mund të konsiderohet gjithashtu një polimer).
- Diamanti ka përçueshmëri të shkëlqyer termike, karakteristika të shkëlqyera mekanike dhe optike, forcë të lartë mekanike. Gjerësia e hendekut të energjisë - dE=5,47 eV.
- Silici është një gjysmëpërçues që përdoret në qelizat diellore dhe në formë amorfe në qelizat diellore me shtresë të hollë. Është gjysmëpërçuesi më i përdorur në qelizat diellore, i lehtë për t'u prodhuar dhe ka veti të mira elektrike dhe mekanike. dE=1,12 eV.
- Germanium është një gjysmëpërçues i përdorur në spektroskopinë gama, qelizat fotovoltaike me performancë të lartë. Përdoret në diodat dhe transistorët e parë. Kërkon më pak pastrim se silikoni. dE=0,67 eV.
- Seleni është një gjysmëpërçues që përdoret në ndreqësit e selenit, të cilët kanë rezistencë të lartë ndaj rrezatimit dhe aftësi vetë-shëruese.
Përbërjet me dy elementë
Vetitë e gjysmëpërçuesve të formuar nga elementët e grupit të 3-të dhe të 4-të të tabelës periodike ngjajnë me vetitë e substancave të grupit të 4-të. Kalimi nga elementët e grupit 4 në përbërjet 3–4 gr. i bën lidhjet pjesërisht jonike për shkak të transferimit të ngarkesës së elektronit nga atomi i grupit 3 në atomin e grupit 4. Jonikiteti ndryshon vetitë e gjysmëpërçuesve. Është arsyeja e rritjes së ndërveprimit të ndërveprimit të Kulombit dhe energjisë së hendekut të brezit të energjisëstrukturat elektronike. Një shembull i një përbërjeje binar të këtij lloji është antimonidi i indiumit InSb, arsenidi i galiumit GaAs, antimonidi i galiumit GaSb, fosfidi i indiumit InP, antimonidi i aluminit AlSb, fosfidi i galiumit GaP.
Joniciteti rritet dhe vlera e tij rritet edhe më shumë në përbërjet e substancave të grupeve 2-6, si selenide kadmiumi, sulfur zinku, sulfur kadmiumi, telurid kadmiumi, selenid zinku. Si rezultat, shumica e përbërjeve të grupeve 2-6 kanë një hendek brezi më të gjerë se 1 eV, me përjashtim të përbërjeve të merkurit. Teluridi i merkurit është një gjysmëpërçues pa një hendek energjie, një gjysmëmetal, si α-kallaj.
Grupi 2-6 gjysmëpërçues me një hendek të madh energjie përdoren në prodhimin e lazerëve dhe ekraneve. Lidhjet binare të 2-6 grupeve me një hendek të ngushtë të energjisë janë të përshtatshme për marrës infra të kuqe. Përbërjet binare të elementeve të grupeve 1-7 (bromidi i bakrit CuBr, joduri i argjendit AgI, kloruri i bakrit CuCl) për shkak të jonikitetit të tyre të lartë kanë një hendek brezi më të gjerë se 3 eV. Ata në fakt nuk janë gjysmëpërçues, por izolues. Rritja e energjisë ankoruese të kristalit për shkak të ndërveprimit ndërjonik të Kulombit kontribuon në strukturimin e atomeve të kripës së shkëmbit me koordinim gjashtëfish dhe jo kuadratik. Komponimet e grupeve 4–6 - sulfuri i plumbit dhe teluridi, sulfuri i kallajit - janë gjithashtu gjysmëpërçues. Shkalla e jonikitetit të këtyre substancave gjithashtu kontribuon në formimin e koordinimit të gjashtëfishtë. Jonikiteti i konsiderueshëm nuk i pengon ata të kenë boshllëqe me brez shumë të ngushtë, gjë që i lejon ata të përdoren për të marrë rrezatim infra të kuqe. Nitridi i galiumit - një përbërje prej 3-5 grupesh me një hendek të gjerë energjetik, ka gjetur aplikim në gjysmëpërçueslazer dhe LED që veprojnë në pjesën blu të spektrit.
- GaAs, arsenidi i galiumit, është gjysmëpërçuesi i dytë më i përdorur pas silikonit, i përdorur zakonisht si një substrat për përçues të tjerë si GaInNA dhe InGaAs, në diodat IR, mikroqarqet dhe transistorët me frekuencë të lartë, qelizat diellore me efikasitet të lartë, dioda lazer, detektorë kurë bërthamore. dE=1.43 eV, gjë që bën të mundur rritjen e fuqisë së pajisjeve në krahasim me silikonin. E brishtë, përmban më shumë papastërti, e vështirë për t'u prodhuar.
- ZnS, sulfid zinku - kripë zinku e acidit hidrosulfid me një hendek brezi 3,54 dhe 3,91 eV, i përdorur në lazer dhe si fosfor.
- SnS, sulfid kallaji - një gjysmëpërçues i përdorur në fotorezistorë dhe fotodioda, dE=1, 3 dhe 10 eV.
Oksidet
Oksidet e metaleve janë kryesisht izolues të shkëlqyer, por ka përjashtime. Shembuj të gjysmëpërçuesve të këtij lloji janë oksidi i nikelit, oksidi i bakrit, oksidi i kob altit, dioksidi i bakrit, oksidi i hekurit, oksidi i europiumit, oksidi i zinkut. Meqenëse dioksidi i bakrit ekziston si mineral cuprite, vetitë e tij janë hulumtuar gjerësisht. Procedura për rritjen e gjysmëpërçuesve të këtij lloji ende nuk është kuptuar plotësisht, kështu që aplikimi i tyre është ende i kufizuar. Përjashtim bën oksidi i zinkut (ZnO), një përbërës i grupit 2-6 që përdoret si konvertues dhe në prodhimin e shiritave ngjitës dhe suvasë.
Situata ndryshoi në mënyrë dramatike pasi superpërcjellshmëria u zbulua në shumë përbërje të bakrit me oksigjen. Së pariSuperpërçuesi me temperaturë të lartë i zbuluar nga Müller dhe Bednorz ishte një përbërje e bazuar në gjysmëpërçuesin La2CuO4 me një hendek energjie prej 2 eV. Duke zëvendësuar lantanin trevalent me barium ose stroncium dyvalent, transportuesit e ngarkesës së vrimës futen në gjysmëpërçues. Arritja e përqendrimit të kërkuar të vrimave e kthen La2CuO4 në një superpërçues. Aktualisht, temperatura më e lartë e kalimit në gjendjen superpërcjellëse i përket përbërjes HgBaCa2Cu3O8. Në presion të lartë, vlera e tij është 134 K.
ZnO, oksid zinku, përdoret në varistorë, LED blu, sensorë gazi, sensorë biologjikë, veshje dritaresh për të reflektuar dritën infra të kuqe, si përçues në LCD dhe panele diellore. dE=3,37 eV.
Kristale me shtresa
Përbërjet e dyfishta si diodidi i plumbit, selenidi i galiumit dhe disulfidi i molibdenit karakterizohen nga një strukturë kristalore me shtresa. Lidhjet kovalente me forcë të konsiderueshme veprojnë në shtresa, shumë më të forta se lidhjet van der Waals midis vetë shtresave. Gjysmëpërçuesit e këtij lloji janë interesantë në atë që elektronet sillen pothuajse dy-dimensionale në shtresa. Ndërveprimi i shtresave ndryshohet nga futja e atomeve të huaja - ndërthurja.
MoS2, Disulfidi i molibdenit përdoret në detektorë, ndreqës, memristorë, transistorë me frekuencë të lartë. dE=1,23 dhe 1,8 eV.
Gjysmëpërçues organikë
Shembuj të gjysmëpërçuesve të bazuar në përbërje organike - naftalinë, poliacetileni(CH2) , antraceni, polidiacetileni, ftalocianide, polivinilkarbazol. Gjysmëpërçuesit organikë kanë një avantazh ndaj atyre inorganik: është e lehtë t'u jepni atyre cilësitë e dëshiruara. Substancat me lidhje të konjuguara të llojit –С=С=С=kanë jolinearitet të konsiderueshëm optik dhe, për shkak të kësaj, përdoren në optoelektronikë. Përveç kësaj, zonat e ndërprerjes së energjisë së gjysmëpërçuesve organikë ndryshohen duke ndryshuar formulën e përbërjes, e cila është shumë më e lehtë se ajo e gjysmëpërçuesve konvencionale. Alotropet kristalore të karbonit fulleren, grafeni, nanotubat janë gjithashtu gjysmëpërçues.
- Fullereni ka një strukturë në formën e një poliedri të mbyllur konveks të një numri çift atomesh karboni. Dhe dopingu fullereni C60 me një metal alkali e kthen atë në një superpërçues.
- Grafeni formohet nga një shtresë monoatomike karboni e lidhur në një rrjetë gjashtëkëndore dydimensionale. Ka një përçueshmëri termike rekord dhe lëvizshmëri të elektroneve, ngurtësi të lartë
- Nanotubat janë pllaka grafiti të mbështjellë në një tub, me diametër disa nanometra. Këto forma të karbonit premtojnë shumë në nanoelektronikë. Mund të shfaqë cilësi metalike ose gjysmëpërçuese në varësi të bashkimit.
Gjysmëpërçuesit magnetikë
Përbërjet me jonet magnetike të europiumit dhe manganit kanë veti interesante magnetike dhe gjysmëpërçuese. Shembuj të gjysmëpërçuesve të këtij lloji janë sulfidi i europiumit, selenidi i europiumit dhe tretësirat e ngurta si p.sh. Cd1-xMnxTe. Përmbajtja e joneve magnetike ndikon në mënyrën se si vetitë magnetike si antiferromagnetizmi dhe ferromagnetizmi manifestohen në substanca. Gjysmëpërçuesit gjysmëmagnetikë janë zgjidhje të ngurta magnetike të gjysmëpërçuesve që përmbajnë jone magnetikë në një përqendrim të vogël. Zgjidhje të tilla solide tërheqin vëmendjen për shkak të premtimit të tyre dhe potencialit të madh për aplikime të mundshme. Për shembull, ndryshe nga gjysmëpërçuesit jomagnetikë, ata mund të arrijnë një rrotullim një milion herë më të madh Faraday.
Efektet e forta magneto-optike të gjysmëpërçuesve magnetikë bëjnë të mundur përdorimin e tyre për modulim optik. Perovskitet si Mn0, 7Ca0, 3O3, e kalojnë metalin - një gjysmëpërçues, varësia e drejtpërdrejtë e së cilës nga fusha magnetike rezulton në fenomenin e magnetorerezistencës gjigante. Ato përdoren në inxhinierinë e radios, pajisjet optike që kontrollohen nga një fushë magnetike, në përcjellësit e valëve të pajisjeve me mikrovalë.
Feroelektrikë gjysmëpërçues
Ky lloj kristalesh dallohet nga prania e momenteve elektrike në to dhe shfaqja e polarizimit spontan. Për shembull, gjysmëpërçuesit si titanati i plumbit PbTiO3, titanati i bariumit BaTiO3, teluridi i germaniumit GeTe, teluridi i kallajit SnTe, të cilët në temperatura të ulëta kanë veti ferroelektrike. Këto materiale përdoren në sensorë jo-linearë optikë, memorie dhe piezo.
Shumëllojshmëri materialesh gjysmëpërçuese
Përveç sa më sipërsubstanca gjysmëpërçuese, ka shumë të tjera që nuk bëjnë pjesë në asnjë nga llojet e listuara. Lidhjet e elementeve sipas formulës 1-3-52 (AgGaS2) dhe 2-4-52 (ZnSiP2) formojnë kristale në strukturën e kalkopiritit. Lidhjet e komponimeve janë tetraedrale, të ngjashme me gjysmëpërçuesit e grupeve 3-5 dhe 2-6 me strukturën kristalore të përzierjes së zinkut. Përbërjet që formojnë elementet e gjysmëpërçuesve të grupeve 5 dhe 6 (si 2Se3) janë gjysmëpërçues në formën e një kristali ose xhami. Kalkogjenidet e bismutit dhe antimonit përdoren në gjeneratorët termoelektrikë gjysmëpërçues. Karakteristikat e gjysmëpërçuesve të këtij lloji janë jashtëzakonisht interesante, por ato nuk kanë fituar popullaritet për shkak të aplikimit të tyre të kufizuar. Megjithatë, fakti që ato ekzistojnë konfirmon ekzistencën e fushave të fizikës së gjysmëpërçuesve që ende nuk janë eksploruar plotësisht.
