Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, помимо него, сегодня известно много природных полупроводниковых материалов: куприт (Cu2O), цинковая обманка (ZnS), галенит (PbS) и др.

Характеристика и определение полупроводников

В таблице Менделеева 25 химических элементов являются неметаллами, из которых 13 элементов обладают полупроводниковыми свойствами. Основное отличие полупроводников от других элементов заключается в том, что их электропроводность существенно возрастает при повышении температуры.

Другой особенностью полупроводника является то, что его сопротивление падает под воздействием света. Причем электропроводимость полупроводников меняется при добавлении в состав незначительного количества примеси.

Полупроводники можно встретить среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Например, такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения наподобие арсенид галлия.

К полупроводниковым материалам могут относиться и многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n. Полупроводники могут проявлять магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). При достаточном легировании некоторые становятся сверхпроводниками (SrTiO3 и GeTe).

Полупроводник можно определить как материал с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и такое определение: ширина запрещенной зоны полупроводника должна составлять от 0 до 3 эВ.


Свойства полупроводников: примесная и собственная проводимость

Чистые полупроводниковые материалы обладают собственной проводимостью. Такие полупроводники и называются собственными, они содержат равное число дырок и свободных электронов. Собственная проводимость полупроводников возрастает при нагреве. При постоянной температуре количество рекомбинирующих электронов и дырок остается неизменным.

Наличие примесей в полупроводниках оказывает существенное влияние на их электропроводность. Это позволяет увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и наоборот. Примесные полупроводники обладают примесной проводимостью.

Примеси, которые с легкостью отдают полупроводнику электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть, например, фосфор и висмут.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника и увеличивают тем самым в нем количество дырок, называют акцепторными. Акцепторные примеси: бор, галлий, индий.

Характеристики полупроводника зависят от дефектов его кристаллической структуры. Это является основной причиной необходимости выращивания в искусственных условиях предельно чистых кристаллов.

Параметрами проводимости полупроводника при этом можно управлять путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируются фосфором, который в данном случае является донором для создания кристалла кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в полупроводник кремний добавляют акцептор бор.


Типы полупроводников: одноэлементные и двухэлементные соединения

Самым распространенным одноэлементным полупроводником является кремний. Вместе с германием (Ge) кремний считается прототипом широкого класса полупроводников, обладающих аналогичными структурами кристалла.

Структура кристаллов Si и Ge такая же, что у алмаза и α-олова с четырехкратной координация, где каждый атом окружают 4 ближайших атома. Кристаллы с тетрадрической связью считаются базовыми для промышленности и играют ключевую роль в современной технологии.

Свойства и применение одноэлементных полупроводников:

  1. Кремний – полупроводник, активно применяемый в солнечных батареях, а в аморфной форме его можно использовать в тонкопленочных солнечных батареях. Также он является наиболее часто используемым полупроводником в фотоэлементах. Он прост в производстве и обладает хорошими механическими и электрическими и качествами.
  2. Алмаз – полупроводник, обладающий отличной термической проводимостью, превосходными оптическими и механическими характеристиками, высокой прочностью.
  3. Германий используется в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Элемент применялся при создании первых диодов и транзисторов. Ему требуется меньше очистки, чем кремнию.
  4. Селен – полупроводник, применяемый в селеновых выпрямителях, он обладает высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Рост ионности элементов меняет свойства полупроводников и позволяет образовывать двухэлементные соединения:

  1. Арсенид галлия (GaAs) – второй по частоте применения после кремния полупроводник, обычно он используется в качестве подложки для других проводников, например, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. Однако он хрупок, содержит больше примесей и сложен в изготовлении.
  2. Сульфид цинка (ZnS) – цинковая соль сероводородной кислоты используется в лазерах и в качестве люминофора.
  3. Сульфид олова (SnS) – полупроводник, используемый в фотодиодах и фоторезисторах.


Примеры полупроводников

Оксиды являются прекрасными изоляторами. Примеры полупроводников этого типа – оксид меди, оксид никеля, двуокись меди, оксид кобальта, оксид европия, оксид железа, оксид цинка.

Процедура выращивания полупроводников данного типа не совсем изучена, поэтому их применение пока ограничено за исключением оксида цинка (ZnO), используемого в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Помимо этого оксид цинка применяется в варисторах, датчиках газа, голубых светодиодах, биологических сенсорах. Используется полупроводник и для покрытия оконных стекол с целью отражения инфракрасного света, его можно встретить в ЖК-дисплеях и солнечных батареях.

Слоистые кристаллы представляют собой двойные соединения, подобные дииодиду свинца, дисульфиду молибдена и селениду галлия. Они отличаются слоистым строением кристалла, где действуют ковалентные связи значительной силы. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоев изменяется введением в состав сторонних атомов. Дисульфид молибдена (MoS2) применяется в высокочастотных выпрямителях, детекторах, транзисторах, мемристорах.

Органические полупроводники представляют собой широкий класс веществ: нафталин, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. У них есть преимущество перед неорганическими: им легко придать нужные качества. Они обладают значительной оптической нелинейностью и поэтому широко используются оптоэлектронике.


Кристаллические аллотропы углерода тоже относятся к полупроводникам:

  • Фуллерен со структурой в виде выпуклого замкнутого многогранника.
  • Графен с одноатомным слоем углерода обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, повышенной жесткостью.
  • Нанотрубки – свернутые в трубку пластины графита в нанометров в диаметре. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Примеры магнитных полупроводников: сульфид европия, селенид европия и твердые растворы. Содержание магнитных ионов влияет на магнитные свойства, антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Применяются они в радиотехнических, оптических приборах, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики отличаются наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Пример полупроводников: титанат свинца (PbTiO3), теллурид германия (GeTe), титанат бария BaTiO3, теллурид олова SnTe. При низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в запоминающих, нелинейно-оптических устройствах и пьезодатчиках.