Chất bán dẫn nổi tiếng nhất là silicon (Si). Nhưng ngoài anh, còn rất nhiều người khác. Một ví dụ là các vật liệu bán dẫn tự nhiên như kẽm blende (ZnS), cuprite (Cu2O), galena (PbS) và nhiều loại khác. Họ bán dẫn, bao gồm các chất bán dẫn được tổng hợp trong phòng thí nghiệm, là một trong những loại vật liệu linh hoạt nhất mà con người biết đến.
Đặc tính của chất bán dẫn
Trong số 104 nguyên tố của bảng tuần hoàn, 79 nguyên tố là kim loại, 25 nguyên tố là phi kim loại, trong đó 13 nguyên tố hóa học có tính chất bán dẫn và 12 nguyên tố là chất điện môi. Sự khác biệt chính giữa các chất bán dẫn là độ dẫn điện của chúng tăng lên đáng kể khi nhiệt độ tăng. Ở nhiệt độ thấp, chúng hoạt động như chất điện môi, và ở nhiệt độ cao chúng hoạt động như chất dẫn điện. Đây là điểm khác biệt của chất bán dẫn với kim loại: điện trở của kim loại tăng tỷ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ.
Một sự khác biệt khác giữa chất bán dẫn và kim loại là điện trở của chất bán dẫnchịu ảnh hưởng của ánh sáng, trong khi ánh sáng không ảnh hưởng đến kim loại. Độ dẫn điện của chất bán dẫn cũng thay đổi khi một lượng nhỏ tạp chất được đưa vào.
Chất bán dẫn được tìm thấy trong số các hợp chất hóa học có nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau. Đây có thể là các nguyên tố như silic và selen, hoặc các hợp chất nhị phân như arsenide gali. Nhiều hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như polyacetylene (CH)n,là vật liệu bán dẫn. Một số chất bán dẫn thể hiện từ tính (Cd1-xMnxTe) hoặc tính chất sắt điện (SbSI). Những chất khác có đủ pha tạp trở thành chất siêu dẫn (GeTe và SrTiO3). Nhiều chất siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện gần đây có pha bán dẫn phi kim loại. Ví dụ, La2CuO4là chất bán dẫn, nhưng khi được hợp kim với Sr nó trở thành chất siêu dẫn (La1-xSrx)2CuO4.
Sách giáo khoa Vật lý định nghĩa chất bán dẫn là vật liệu có điện trở từ 10-4đến 107Ohm · m. Một định nghĩa thay thế cũng có thể. Độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn là từ 0 đến 3 eV. Kim loại và bán kim loại là những vật liệu có khe hở năng lượng bằng không, và những chất mà nó vượt quá 3 eV được gọi là chất cách điện. Cũng có những trường hợp ngoại lệ. Ví dụ, kim cương bán dẫn có độ rộng vùng cấm là 6 eV, bán cách điện GaAs - 1,5 eV. GaN, một vật liệu cho các thiết bị quang điện tử trong vùng màu xanh lam, có độ rộng vùng cấm là 3,5 eV.
Khoảng cách năng lượng
Các obitan hóa trị của nguyên tử trong mạng tinh thể được chia thành hai nhóm mức năng lượng - vùng tự do nằm ở mức cao nhất và xác định độ dẫn điện của chất bán dẫn, và vùng hóa trị nằm bên dưới. Các mức này, tùy thuộc vào tính đối xứng của mạng tinh thể và thành phần của các nguyên tử, có thể cắt nhau hoặc nằm cách xa nhau. Trong trường hợp thứ hai, một khoảng trống năng lượng hay nói cách khác, một vùng cấm xuất hiện giữa các vùng.
Vị trí và sự lấp đầy của các mức xác định tính chất dẫn điện của chất. Trên cơ sở này, các chất được chia thành chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn. Độ rộng vùng cấm bán dẫn thay đổi trong khoảng 0,01–3 eV, khe hở năng lượng của chất điện môi vượt quá 3 eV. Các kim loại không có khoảng trống năng lượng do các mức chồng lên nhau.
Chất bán dẫn và chất điện môi, trái ngược với kim loại, có vùng hóa trị chứa đầy các điện tử, và vùng tự do gần nhất, hoặc vùng dẫn, bị ngăn cách với vùng hóa trị bởi một khoảng trống năng lượng - một vùng năng lượng electron bị cấm.
Trong chất điện môi, năng lượng nhiệt hoặc điện trường không đáng kể không đủ để thực hiện bước nhảy qua khoảng trống này, các điện tử không đi vào vùng dẫn. Chúng không thể di chuyển dọc theo mạng tinh thể và trở thành vật mang dòng điện.
Để kích thích tính dẫn điện, một điện tử ở mức hóa trị phải được cung cấp năng lượng đủ để vượt qua năng lượnglỗ hổng. Chỉ khi hấp thụ một lượng năng lượng không nhỏ hơn giá trị của khe hở năng lượng thì electron mới chuyển từ mức hóa trị sang mức dẫn.
Trong trường hợp độ rộng của khe hở năng lượng vượt quá 4 eV, việc kích thích độ dẫn điện của chất bán dẫn bằng cách chiếu xạ hoặc nung nóng là không thể thực tế - năng lượng kích thích của các electron ở nhiệt độ nóng chảy không đủ để nhảy qua vùng khe hở năng lượng. Khi bị nung nóng, tinh thể sẽ nóng chảy cho đến khi xảy ra hiện tượng dẫn điện tử. Những chất này bao gồm thạch anh (dE=5,2 eV), kim cương (dE=5,1 eV), nhiều muối.
Tạp chất và độ dẫn nội tại của chất bán dẫn
Tinh thể bán dẫn tinh khiết có độ dẫn điện riêng. Chất bán dẫn như vậy được gọi là chất bán dẫn nội tại. Một chất bán dẫn nội tại chứa một số lỗ trống và các êlectron tự do bằng nhau. Khi bị nung nóng, độ dẫn điện nội tại của chất bán dẫn tăng lên. Ở nhiệt độ không đổi, trạng thái cân bằng động xuất hiện trong số các cặp electron-lỗ trống được hình thành và số lượng các electron và lỗ trống liên kết lại, không đổi trong các điều kiện nhất định.
Sự hiện diện của các tạp chất có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng dẫn điện của chất bán dẫn. Thêm chúng có thể làm tăng đáng kể số lượng điện tử tự do với một số lượng nhỏ lỗ trống và tăng số lượng lỗ trống với một số lượng nhỏ các điện tử ở mức độ dẫn. Chất bán dẫn có tạp chất là chất dẫn có độ dẫn tạp chất.
Các tạp chất dễ dàng tặng electron được gọi là tạp chất cho. Tạp chất cho có thể là những nguyên tố hóa học có nguyên tử mà mức hóa trị của nó chứa nhiều electron hơn nguyên tử của chất cơ bản. Ví dụ: phốt pho và bitmut là tạp chất của nhà tài trợ silicon.
Năng lượng cần thiết để nhảy một electron vào vùng dẫn được gọi là năng lượng hoạt hóa. Chất bán dẫn tạp chất cần ít hơn nhiều so với vật liệu cơ bản. Với sự đốt nóng hoặc chiếu sáng nhẹ, chủ yếu là các electron của các nguyên tử của chất bán dẫn tạp chất được giải phóng. Vị trí của electron rời khỏi nguyên tử bị chiếm bởi một lỗ trống. Nhưng sự tái tổ hợp của các electron vào các lỗ trống trên thực tế không xảy ra. Độ dẫn lỗ của chất cho không đáng kể. Điều này là do số lượng nhỏ các nguyên tử tạp chất không cho phép các điện tử tự do thường xuyên đến gần lỗ trống và chiếm giữ nó. Các electron ở gần các lỗ trống, nhưng không thể lấp đầy chúng do mức năng lượng không đủ.
Việc bổ sung không đáng kể tạp chất cho theo một số bậc của độ lớn làm tăng số lượng điện tử dẫn so với số lượng điện tử tự do trong chất bán dẫn nội tại. Electron ở đây là vật mang điện tích chính của nguyên tử chất bán dẫn tạp chất. Những chất này được phân loại là chất bán dẫn loại n.
Các tạp chất liên kết các electron của chất bán dẫn, làm tăng số lượng lỗ trống trong nó, được gọi là chất nhận. Tạp chất chấp nhận là các nguyên tố hóa học có ít electron ở mức hóa trị hơn chất bán dẫn cơ bản. Boron, gali, indium - chất nhậntạp chất cho silicon.
Các đặc tính của chất bán dẫn phụ thuộc vào các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể của nó. Đây là lý do cho sự cần thiết phải phát triển các tinh thể cực kỳ tinh khiết. Các thông số độ dẫn điện của chất bán dẫn được kiểm soát bằng cách thêm chất pha tạp. Tinh thể silic được pha tạp với phốt pho (nguyên tố phân nhóm V), là chất cho, để tạo ra tinh thể silic loại n. Để có được một tinh thể có độ dẫn lỗ, người ta đưa chất nhận bo vào silicon. Các chất bán dẫn có mức Fermi được bù để di chuyển nó đến giữa vùng cấm được tạo ra theo cách tương tự.
Chất bán dẫn đơn bào
Chất bán dẫn phổ biến nhất, tất nhiên là silicon. Cùng với gecmani, nó trở thành nguyên mẫu cho nhiều loại chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể tương tự.
Cấu trúc của tinh thể Si và Ge cũng giống như cấu trúc của kim cương và α-thiếc. Trong đó, mỗi nguyên tử được bao quanh bởi 4 nguyên tử gần nhất, chúng tạo thành một khối tứ diện. Sự phối hợp này được gọi là bộ tứ. Các tinh thể liên kết tetra đã trở thành cơ sở của ngành công nghiệp điện tử và đóng một vai trò quan trọng trong công nghệ hiện đại. Một số nguyên tố thuộc nhóm V và VI của bảng tuần hoàn cũng là chất bán dẫn. Ví dụ về chất bán dẫn loại này là phốt pho (P), lưu huỳnh (S), selen (Se) và tellurium (Te). Trong các chất bán dẫn này, các nguyên tử có thể có sự phối trí gấp ba lần (P), hai lần (S, Se, Te) hoặc bốn lần. Do đó, các phần tử tương tự có thể tồn tại ở một sốcấu trúc tinh thể, và cũng thu được ở dạng thủy tinh. Ví dụ, Se đã được phát triển trong cấu trúc tinh thể đơn tà và tam giác hoặc ở dạng thủy tinh (cũng có thể được coi là polyme).
- Kim cương có tính dẫn nhiệt tuyệt vời, các đặc tính cơ học và quang học tuyệt vời, độ bền cơ học cao. Chiều rộng khe hở năng lượng - dE=5,47 eV.
- Silicon là chất bán dẫn được sử dụng trong pin mặt trời và ở dạng vô định hình trong pin mặt trời màng mỏng. Nó là chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất trong pin mặt trời, dễ sản xuất và có tính chất cơ và điện tốt. dE=1,12 eV.
- Germanium là chất bán dẫn được sử dụng trong quang phổ gamma, tế bào quang điện hiệu suất cao. Được sử dụng trong các điốt và bóng bán dẫn đầu tiên. Yêu cầu làm sạch ít hơn silicon. dE=0,67 eV.
- Selen là một chất bán dẫn được sử dụng trong bộ chỉnh lưu selen, có khả năng chống bức xạ cao và khả năng tự phục hồi.
Hợp chất hai nguyên tố
Tính chất của chất bán dẫn được tạo thành bởi các nguyên tố thuộc nhóm 3 và 4 trong bảng tuần hoàn giống với tính chất của các chất thuộc nhóm 4. Chuyển từ nguyên tố nhóm 4 sang hợp chất 3–4 gr. làm cho các liên kết có tính ion một phần do sự chuyển điện tích từ nguyên tử nhóm 3 sang nguyên tử nhóm 4. Tính ion làm thay đổi tính chất của chất bán dẫn. Đó là lý do cho sự gia tăng tương tác giữa Coulomb và năng lượng của vùng cấm năng lượngcấu trúc electron. Một ví dụ về hợp chất nhị phân thuộc loại này là indium antimonide InSb, gallium arsenide GaAs, gallium antimonide GaSb, indium phosphide InP, nhôm antimonide AlSb, gallium phosphide GaP.
Tính ion tăng lên, và giá trị của nó thậm chí còn tăng lên trong các hợp chất của các chất thuộc nhóm 2-6, chẳng hạn như cadmium selenua, kẽm sulfua, cadmium sulfide, cadmium telluride, kẽm selen. Kết quả là, hầu hết các hợp chất thuộc nhóm 2-6 có vùng cấm rộng hơn 1 eV, ngoại trừ các hợp chất thủy ngân. Telluride thủy ngân là một chất bán dẫn không có khe hở năng lượng, một chất bán kim loại, giống như α-thiếc.
Chất bán dẫn
Nhóm 2-6 có khoảng cách năng lượng lớn được sử dụng trong sản xuất laser và màn hình. Các kết nối nhị phân của 2-6 nhóm với khoảng cách năng lượng thu hẹp thích hợp cho máy thu hồng ngoại. Hợp chất nhị phân của các nguyên tố nhóm 1-7 (đồng bromua CuBr, bạc iođua AgI, đồng clorua CuCl) do có tính ion cao nên có vùng cấm rộng hơn 3 eV. Thực ra chúng không phải là chất bán dẫn mà là chất cách điện. Sự gia tăng năng lượng neo của tinh thể do tương tác tương tác Coulomb góp phần vào cấu trúc của các nguyên tử muối mỏ với sự phối trí gấp sáu lần chứ không phải bậc hai. Các hợp chất của nhóm 4–6 - sunfua chì và Telluride, sunfua thiếc - cũng là chất bán dẫn. Mức độ ion của các chất này cũng góp phần hình thành sự phối hợp sáu lần. Tính ion đáng kể không ngăn cản chúng có khoảng cách băng tần rất hẹp, cho phép chúng được sử dụng để nhận bức xạ hồng ngoại. Gali nitride - một hợp chất gồm 3-5 nhóm với khoảng cách năng lượng rộng, đã được ứng dụng trong chất bán dẫnlaser và đèn LED hoạt động trong phần màu xanh lam của quang phổ.
- GaAs, gallium arsenide, là chất bán dẫn được sử dụng nhiều thứ hai sau silicon, thường được sử dụng làm chất nền cho các chất dẫn điện khác như GaInNA và InGaAs, trong điốt IR, vi mạch và bóng bán dẫn tần số cao, pin mặt trời hiệu suất cao, điốt laze, máy dò hạt nhân chữa bệnh. dE=1,43 eV, coù theå thöïc hieän coâng thöùc phaân töû so với silicon. Dễ vỡ, chứa nhiều tạp chất, khó sản xuất.
- ZnS, kẽm sulfua - muối kẽm của axit hydrosunfua với độ rộng vùng cấm là 3,54 và 3,91 eV, được sử dụng trong laser và như một phốt pho.
- SnS, thiếc sulfua - chất bán dẫn được sử dụng trong quang trở và điốt quang, dE=1, 3 và 10 eV.
Ôxít
Oxit kim loại hầu hết là chất cách điện tuyệt vời, nhưng vẫn có những trường hợp ngoại lệ. Ví dụ về các chất bán dẫn thuộc loại này là oxit niken, oxit đồng, oxit coban, đồng đioxit, oxit sắt, oxit europium, oxit kẽm. Kể từ khi đồng điôxít tồn tại dưới dạng khoáng chất cuprite, các đặc tính của nó đã được nghiên cứu rộng rãi. Quy trình phát triển chất bán dẫn loại này vẫn chưa được hiểu đầy đủ, do đó ứng dụng của chúng vẫn còn hạn chế. Ngoại lệ là oxit kẽm (ZnO), một hợp chất nhóm 2-6 được sử dụng làm chất chuyển đổi và trong sản xuất băng dính và bột trét.
Tình hình đã thay đổi đáng kể sau khi phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn trong nhiều hợp chất của đồng với oxy. Ngày thứ nhấtChất siêu dẫn nhiệt độ cao được Müller và Bednorz phát hiện là một hợp chất dựa trên chất bán dẫn La2CuO4với khoảng trống năng lượng là 2 eV. Bằng cách thay thế lantan hóa trị ba bằng bari hoặc stronti hóa trị hai, các hạt mang điện tích lỗ trống được đưa vào chất bán dẫn. Việc đạt đến nồng độ lỗ trống cần thiết biến La2CuO4thành chất siêu dẫn. Hiện tại, nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn cao nhất thuộc về hợp chất HgBaCa2Cu3O8. Ở áp suất cao, giá trị của nó là 134 K.
ZnO, oxit kẽm, được sử dụng trong các biến thể, đèn LED xanh lam, cảm biến khí, cảm biến sinh học, lớp phủ cửa sổ để phản xạ ánh sáng hồng ngoại, làm chất dẫn điện trong màn hình LCD và tấm pin mặt trời. dE=3,37 eV.
Tinh thể lớp
Các hợp chất kép như chì diiodide, gali selenide và molypdenum disulfide được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể phân lớp. Liên kết cộng hóa trị có độ bền đáng kể hoạt động trong các lớp, mạnh hơn nhiều so với liên kết van der Waals giữa chính các lớp. Chất bán dẫn loại này thú vị ở chỗ các electron hoạt động bán dẫn theo hai chiều trong các lớp. Tương tác của các lớp bị thay đổi do sự xuất hiện của các nguyên tử ngoại lai - xen phủ.
MoS2,molypden disulfide được sử dụng trong máy dò tần số cao, bộ chỉnh lưu, bộ nhớ, bóng bán dẫn. dE=1,23 và 1,8 eV.
Chất bán dẫn hữu cơ
Ví dụ về chất bán dẫn dựa trên các hợp chất hữu cơ - naphthalene, polyacetylene(CH2) , anthracene, polydiacetylene, phthalocyanides, polyvinylcarbazole. Chất bán dẫn hữu cơ có lợi thế hơn chất bán dẫn vô cơ: dễ dàng truyền đạt những phẩm chất mong muốn cho chúng. Các chất có liên kết liên hợp kiểu –С=С – С=có độ phi tuyến quang đáng kể và do đó, được sử dụng trong quang điện tử. Ngoài ra, các vùng gián đoạn năng lượng của chất bán dẫn hữu cơ được thay đổi bằng cách thay đổi công thức hợp chất, điều này dễ dàng hơn nhiều so với chất bán dẫn thông thường. Các dạng hợp kim tinh thể của fullerene carbon, graphene, ống nano cũng là chất bán dẫn.
- Fulleren có cấu trúc dưới dạng một khối đa diện kín lồi của một số nguyên tử cacbon chẵn. Và pha tạp fullerene C60với một kim loại kiềm biến nó thành chất siêu dẫn.
- Graphene được hình thành bởi một lớp carbon đơn nguyên kết nối thành một mạng lục giác hai chiều. Nó có độ dẫn nhiệt kỷ lục và tính linh động của điện tử, độ cứng cao
- Ống nano là các tấm than chì được cuộn lại thành một ống, có đường kính vài nanomet. Những dạng carbon này có nhiều hứa hẹn trong điện tử nano. Có thể thể hiện chất lượng kim loại hoặc bán dẫn tùy thuộc vào khớp nối.
Bán dẫn từ tính
Hợp chất với các ion từ europium và mangan có tính chất từ tính và bán dẫn gây tò mò. Ví dụ về chất bán dẫn thuộc loại này là europium sulfide, europium selenide, và các dung dịch rắn nhưCd1-xMnxTe. Nội dung của các ion từ ảnh hưởng đến cách các tính chất từ như phản từ và sắt từ được biểu hiện trong các chất. Chất bán dẫn từ tính là dung dịch từ rắn của chất bán dẫn có chứa các ion từ tính với nồng độ nhỏ. Các giải pháp vững chắc như vậy thu hút sự chú ý do có nhiều hứa hẹn và tiềm năng ứng dụng lớn. Ví dụ, không giống như chất bán dẫn không từ tính, chúng có thể đạt được vòng quay Faraday lớn hơn một triệu lần.
Hiệu ứng từ-quang mạnh của chất bán dẫn từ tính làm cho nó có thể sử dụng chúng để điều chế quang học. Các perovskite như Mn0, 7Ca0, 3O3,vượt qua kim loại - chất bán dẫn, sự phụ thuộc trực tiếp của nó vào từ trường dẫn đến hiện tượng từ trở khổng lồ. Chúng được sử dụng trong kỹ thuật vô tuyến, các thiết bị quang học được điều khiển bằng từ trường, trong các ống dẫn sóng của thiết bị vi sóng.
Chất sắt bán dẫn
Loại tinh thể này được phân biệt bởi sự hiện diện của mômen điện trong chúng và sự xuất hiện của sự phân cực tự phát. Ví dụ, các chất bán dẫn như chì titanate PbTiO3, bari titanate BaTiO3, germani Telluride GeTe, thiếc Telluride SnTe, ở nhiệt độ thấp có các đặc tính chất sắt điện. Những vật liệu này được sử dụng trong cảm biến quang học, bộ nhớ và cảm biến piezo phi tuyến tính.
Vật liệu bán dẫn đa dạng
Ngoài những điều trênchất bán dẫn, còn nhiều chất khác không thuộc bất kỳ loại nào trong danh sách. Kết nối của các phần tử theo công thức 1-3-52(AgGaS2) và 2-4-52(ZnSiP2) tạo thành tinh thể trong cấu trúc chalcopyrit. Liên kết của các hợp chất có dạng tứ diện, tương tự như chất bán dẫn nhóm 3–5 và 2–6 với cấu trúc tinh thể của sợi kẽm. Các hợp chất tạo thành các nguyên tố bán dẫn thuộc nhóm 5 và 6 (như As2Se3) là chất bán dẫn ở dạng tinh thể hoặc thủy tinh.. Chalcogenides bitmut và antimon được sử dụng trong máy phát nhiệt điện bán dẫn. Các đặc tính của chất bán dẫn loại này là cực kỳ thú vị, nhưng chúng chưa được phổ biến do ứng dụng hạn chế. Tuy nhiên, thực tế là chúng tồn tại xác nhận sự tồn tại của các lĩnh vực vật lý bán dẫn vẫn chưa được khám phá đầy đủ.
