Semikonduktor yang paling terkenal adalah silikon (Si). Tapi selain dia, ada banyak orang lain. Contohnya adalah bahan semikonduktor alami seperti zinc blende (ZnS), cuprite (Cu2O), galena (PbS) dan banyak lainnya. Keluarga semikonduktor, termasuk semikonduktor yang disintesis di laboratorium, adalah salah satu kelas bahan yang paling serbaguna yang dikenal manusia.
Karakterisasi semikonduktor
Dari 104 unsur dalam tabel periodik, 79 adalah logam, 25 nonlogam, 13 unsur kimia di antaranya memiliki sifat semikonduktor dan 12 dielektrik. Perbedaan utama antara semikonduktor adalah bahwa konduktivitas listriknya meningkat secara signifikan dengan meningkatnya suhu. Pada suhu rendah mereka berperilaku seperti dielektrik, dan pada suhu tinggi mereka berperilaku seperti konduktor. Inilah perbedaan semikonduktor dari logam: hambatan logam meningkat sebanding dengan peningkatan suhu.
Perbedaan lain antara semikonduktor dan logam adalah hambatan semikonduktorjatuh di bawah pengaruh cahaya, sedangkan yang terakhir tidak mempengaruhi logam. Konduktivitas semikonduktor juga berubah ketika sejumlah kecil pengotor dimasukkan.
Semikonduktor ditemukan di antara senyawa kimia dengan berbagai struktur kristal. Ini dapat berupa elemen seperti silikon dan selenium, atau senyawa biner seperti galium arsenida. Banyak senyawa organik, seperti poliasetilen (CH)n, adalah bahan semikonduktor. Beberapa semikonduktor menunjukkan sifat magnetik (Cd1-xMnxTe) atau feroelektrik (SbSI). Lainnya dengan doping yang cukup menjadi superkonduktor (GeTe dan SrTiO3). Banyak dari superkonduktor suhu tinggi yang baru ditemukan memiliki fase semikonduktor non-logam. Misalnya, La2CuO4 adalah semikonduktor, tetapi ketika dicampur dengan Sr menjadi superkonduktor (La1-x Srx)2CuO4.
Buku pelajaran Fisika mendefinisikan semikonduktor sebagai bahan dengan hambatan listrik dari 10-4 hingga 107 Ohm·m. Definisi alternatif juga dimungkinkan. Celah pita semikonduktor adalah dari 0 hingga 3 eV. Logam dan semilogam adalah bahan dengan celah energi nol, dan zat yang melebihi 3 eV disebut isolator. Ada juga pengecualian. Misalnya, berlian semikonduktor memiliki celah pita 6 eV, GaAs semi-isolasi - 1,5 eV. GaN, bahan untuk perangkat optoelektronik di wilayah biru, memiliki celah pita 3,5 eV.
Kesenjangan energi
Orbital valensi atom dalam kisi kristal dibagi menjadi dua kelompok tingkat energi - zona bebas terletak di tingkat tertinggi dan menentukan konduktivitas listrik semikonduktor, dan pita valensi terletak di bawah. Level-level ini, tergantung pada simetri kisi kristal dan komposisi atom, dapat berpotongan atau terletak pada jarak satu sama lain. Dalam kasus terakhir, celah energi atau, dengan kata lain, zona terlarang muncul di antara zona.
Lokasi dan pengisian level menentukan sifat konduktif zat. Atas dasar ini, zat dibagi menjadi konduktor, isolator dan semikonduktor. Lebar celah pita semikonduktor bervariasi dalam 0,01–3 eV, celah energi dielektrik melebihi 3 eV. Logam tidak memiliki celah energi karena tingkat yang tumpang tindih.
Semikonduktor dan dielektrik, berbeda dengan logam, memiliki pita valensi yang diisi dengan elektron, dan pita bebas terdekat, atau pita konduksi, dipagari dari pita valensi oleh celah energi - wilayah energi elektron terlarang.
Dalam dielektrik, energi panas atau medan listrik yang tidak signifikan tidak cukup untuk membuat lompatan melalui celah ini, elektron tidak memasuki pita konduksi. Mereka tidak dapat bergerak di sepanjang kisi kristal dan menjadi pembawa arus listrik.
Untuk membangkitkan konduktivitas listrik, sebuah elektron pada tingkat valensi harus diberi energi yang cukup untuk mengatasi energi tersebutcelah. Hanya ketika menyerap sejumlah energi tidak kurang dari nilai celah energi, elektron akan berpindah dari tingkat valensi ke tingkat konduksi.
Jika lebar celah energi melebihi 4 eV, eksitasi konduktivitas semikonduktor dengan iradiasi atau pemanasan praktis tidak mungkin - energi eksitasi elektron pada suhu leleh tidak cukup untuk melompati zona celah energi. Ketika dipanaskan, kristal akan meleleh sampai terjadi konduksi elektronik. Zat-zat tersebut antara lain kuarsa (dE=5,2 eV), intan (dE=5,1 eV), banyak garam.
Pengotor dan konduktivitas intrinsik semikonduktor
Kristal semikonduktor murni memiliki konduktivitasnya sendiri. Semikonduktor semacam itu disebut intrinsik. Semikonduktor intrinsik mengandung jumlah hole dan elektron bebas yang sama. Ketika dipanaskan, konduktivitas intrinsik semikonduktor meningkat. Pada suhu konstan, keadaan kesetimbangan dinamis muncul dalam jumlah pasangan elektron-lubang yang terbentuk dan jumlah elektron dan hole yang bergabung kembali, yang tetap konstan dalam kondisi tertentu.
Keberadaan pengotor memiliki dampak signifikan pada konduktivitas listrik semikonduktor. Menambahkannya memungkinkan untuk sangat meningkatkan jumlah elektron bebas dengan sejumlah kecil lubang dan untuk meningkatkan jumlah lubang dengan sejumlah kecil elektron pada tingkat konduksi. Semikonduktor pengotor adalah konduktor dengan konduktivitas pengotor.
Kotoran yang mudah mendonorkan elektron disebut pengotor donor. Pengotor donor dapat berupa unsur kimia dengan atom yang tingkat valensinya mengandung lebih banyak elektron daripada atom zat dasar. Misalnya, fosfor dan bismut adalah pengotor donor silikon.
Energi yang diperlukan untuk melontarkan elektron ke daerah konduksi disebut energi aktivasi. Semikonduktor pengotor membutuhkan jauh lebih sedikit daripada bahan dasar. Dengan sedikit pemanasan atau penerangan, sebagian besar elektron dari atom semikonduktor pengotor yang dilepaskan. Tempat elektron meninggalkan atom ditempati oleh lubang. Tetapi rekombinasi elektron menjadi lubang praktis tidak terjadi. Konduktivitas lubang donor dapat diabaikan. Ini karena jumlah atom pengotor yang sedikit tidak memungkinkan elektron bebas untuk sering mendekati lubang dan menempatinya. Elektron berada di dekat lubang, tetapi tidak dapat mengisinya karena tingkat energi yang tidak mencukupi.
Penambahan pengotor donor yang tidak signifikan beberapa kali lipat meningkatkan jumlah elektron konduksi dibandingkan dengan jumlah elektron bebas dalam semikonduktor intrinsik. Elektron di sini adalah pembawa muatan utama atom semikonduktor pengotor. Zat ini diklasifikasikan sebagai semikonduktor tipe-n.
Kotoran yang mengikat elektron semikonduktor, meningkatkan jumlah lubang di dalamnya, disebut akseptor. Pengotor akseptor adalah unsur kimia dengan elektron lebih sedikit pada tingkat valensi daripada semikonduktor dasar. Boron, galium, indium - akseptorkotoran untuk silikon.
Karakteristik semikonduktor bergantung pada cacat pada struktur kristalnya. Inilah alasan kebutuhan untuk menumbuhkan kristal yang sangat murni. Parameter konduktivitas semikonduktor dikendalikan dengan menambahkan dopan. Kristal silikon didoping dengan fosfor (elemen subkelompok V), yang merupakan donor, untuk membuat kristal silikon tipe-n. Untuk mendapatkan kristal dengan konduktivitas lubang, akseptor boron dimasukkan ke dalam silikon. Semikonduktor dengan tingkat Fermi yang dikompensasi untuk memindahkannya ke tengah celah pita dibuat dengan cara yang sama.
Semikonduktor sel tunggal
Semiduktor yang paling umum, tentu saja, adalah silikon. Bersama dengan germanium, ia menjadi prototipe untuk kelas semikonduktor yang luas dengan struktur kristal yang serupa.
Struktur kristal Si dan Ge sama dengan berlian dan -timah. Di dalamnya, setiap atom dikelilingi oleh 4 atom terdekat, yang membentuk tetrahedron. Koordinasi ini disebut quadruple. Kristal berikat tetra telah menjadi dasar industri elektronik dan memainkan peran kunci dalam teknologi modern. Beberapa elemen golongan V dan VI dari tabel periodik juga merupakan semikonduktor. Contoh semikonduktor jenis ini adalah fosfor (P), belerang (S), selenium (Se) dan telurium (Te). Dalam semikonduktor ini, atom dapat memiliki koordinasi tiga kali lipat (P), dua kali lipat (S, Se, Te) atau empat kali lipat. Akibatnya, elemen serupa dapat ada di beberapa yang berbedastruktur kristal, dan juga dapat diperoleh dalam bentuk kaca. Misalnya, Se telah ditumbuhkan dalam struktur kristal monoklinik dan trigonal atau sebagai kaca (yang juga dapat dianggap sebagai polimer).
- Berlian memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, karakteristik mekanik dan optik yang sangat baik, kekuatan mekanik yang tinggi. Lebar celah energi - dE=5,47 eV.
- Silikon adalah semikonduktor yang digunakan dalam sel surya dan dalam bentuk amorf dalam sel surya film tipis. Ini adalah semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam sel surya, mudah dibuat, dan memiliki sifat listrik dan mekanik yang baik. dE=1,12 eV.
- Germanium adalah semikonduktor yang digunakan dalam spektroskopi gamma, sel fotovoltaik berkinerja tinggi. Digunakan pada dioda dan transistor pertama. Membutuhkan lebih sedikit pembersihan daripada silikon. dE=0,67 eV.
- Selenium adalah semikonduktor yang digunakan dalam penyearah selenium, yang memiliki ketahanan radiasi tinggi dan kemampuan penyembuhan diri.
Senyawa dua unsur
Sifat semikonduktor yang dibentuk oleh unsur-unsur golongan ke-3 dan ke-4 dari tabel periodik mirip dengan sifat-sifat zat golongan ke-4. Transisi dari unsur golongan 4 ke senyawa 3-4 gr. membuat ikatan sebagian ionik karena transfer muatan elektron dari atom golongan 3 ke atom golongan 4. Ionicity mengubah sifat semikonduktor. Ini adalah alasan untuk peningkatan interaksi interion Coulomb dan energi dari celah pita energistruktur elektron. Contoh senyawa biner jenis ini adalah indium antimonide InSb, gallium arsenide GaAs, gallium antimonide GaSb, indium phosphide InP, aluminium antimonide AlSb, gallium phosphide GaP.
Ionisitas meningkat, dan nilainya semakin meningkat pada senyawa golongan 2-6, seperti kadmium selenida, seng sulfida, kadmium sulfida, kadmium tellurida, seng selenida. Akibatnya, sebagian besar senyawa golongan 2-6 memiliki celah pita lebih lebar dari 1 eV, kecuali senyawa merkuri. Mercury telluride adalah semikonduktor tanpa celah energi, semilogam, seperti -timah.
Kelompok 2-6 semikonduktor dengan celah energi yang besar digunakan dalam produksi laser dan tampilan. Koneksi biner dari 2-6 grup dengan celah energi yang menyempit cocok untuk penerima inframerah. Senyawa biner dari unsur golongan 1–7 (tembaga bromida CuBr, perak iodida AgI, tembaga klorida CuCl) karena ionitasnya yang tinggi memiliki celah pita lebih lebar dari 3 eV. Mereka sebenarnya bukan semikonduktor, tetapi isolator. Peningkatan energi penahan kristal karena interaksi interionik Coulomb berkontribusi pada penataan atom garam batu dengan enam kali lipat daripada koordinasi kuadrat. Senyawa golongan 4–6 - timbal sulfida dan telurida, timah sulfida - juga merupakan semikonduktor. Tingkat ionisitas zat-zat ini juga berkontribusi pada pembentukan koordinasi enam kali lipat. Ionitas yang signifikan tidak mencegahnya memiliki celah pita yang sangat sempit, yang memungkinkannya digunakan untuk menerima radiasi inframerah. Gallium nitrida - senyawa dari 3-5 kelompok dengan celah energi yang lebar, telah ditemukan aplikasinya dalam semikonduktorlaser dan LED beroperasi di bagian spektrum biru.
- GaAs, gallium arsenide, adalah semikonduktor kedua yang paling banyak digunakan setelah silikon, umumnya digunakan sebagai substrat untuk konduktor lain seperti GaInNAs dan InGaAs, dalam dioda IR, sirkuit mikro dan transistor frekuensi tinggi, sel surya efisiensi tinggi, dioda laser, detektor penyembuhan nuklir. dE=1,43 eV, yang memungkinkan peningkatan daya perangkat dibandingkan dengan silikon. Rapuh, mengandung lebih banyak kotoran, sulit dibuat.
- ZnS, seng sulfida - garam seng dari asam hidrosulfida dengan celah pita 3,54 dan 3,91 eV, digunakan dalam laser dan sebagai fosfor.
- SnS, timah sulfida - semikonduktor yang digunakan dalam fotoresistor dan fotodioda, dE=1, 3 dan 10 eV.
Oksida
Oksida logam sebagian besar merupakan isolator yang sangat baik, tetapi ada pengecualian. Contoh semikonduktor jenis ini adalah oksida nikel, oksida tembaga, oksida kob alt, tembaga dioksida, oksida besi, europium oksida, seng oksida. Karena tembaga dioksida ada sebagai mineral kuprit, sifat-sifatnya telah diteliti secara ekstensif. Prosedur untuk menumbuhkan semikonduktor jenis ini belum sepenuhnya dipahami, sehingga penerapannya masih terbatas. Pengecualian adalah seng oksida (ZnO), senyawa golongan 2-6 yang digunakan sebagai konverter dan dalam produksi pita perekat dan plester.
Situasi berubah secara dramatis setelah superkonduktivitas ditemukan di banyak senyawa tembaga dengan oksigen. PertamaSuperkonduktor suhu tinggi yang ditemukan oleh Müller dan Bednorz adalah senyawa berdasarkan semikonduktor La2CuO4 dengan celah energi 2 eV. Dengan mengganti lantanum trivalen dengan barium atau strontium divalen, pembawa muatan lubang dimasukkan ke dalam semikonduktor. Mencapai konsentrasi lubang yang dibutuhkan mengubah La2CuO4 menjadi superkonduktor. Saat ini, suhu transisi tertinggi ke keadaan superkonduktor dimiliki oleh senyawa HgBaCa2Cu3O8. Pada tekanan tinggi, nilainya adalah 134 K.
ZnO, seng oksida, digunakan dalam varistor, LED biru, sensor gas, sensor biologis, pelapis jendela untuk memantulkan cahaya inframerah, sebagai konduktor pada LCD dan panel surya. dE=3,37 eV.
Lapisan kristal
Senyawa ganda seperti timbal diiodida, galium selenida dan molibdenum disulfida dicirikan oleh struktur kristal berlapis. Ikatan kovalen dengan kekuatan yang signifikan bekerja di lapisan, jauh lebih kuat daripada ikatan van der Waals di antara lapisan itu sendiri. Semikonduktor jenis ini menarik karena elektron berperilaku kuasi-dua dimensi dalam lapisan. Interaksi lapisan diubah oleh pengenalan atom asing - interkalasi.
MoS2, molibdenum disulfida digunakan dalam detektor frekuensi tinggi, penyearah, memristor, transistor. dE=1,23 dan 1,8 eV.
semikonduktor organik
Contoh semikonduktor berdasarkan senyawa organik - naftalena, poliasetilen(CH2) , antrasena, polidiacetylene, phthalocyanides, polivinilkarbazole. Semikonduktor organik memiliki keunggulan dibandingkan semikonduktor anorganik: mudah untuk memberikan kualitas yang diinginkan kepada mereka. Zat dengan ikatan terkonjugasi dari tipe –С=С–С=memiliki nonlinier optik yang signifikan dan, karena itu, digunakan dalam optoelektronika. Selain itu, zona diskontinuitas energi semikonduktor organik diubah dengan mengubah rumus senyawa, yang jauh lebih mudah daripada semikonduktor konvensional. Alotrop kristal karbon fullerene, graphene, nanotube juga semikonduktor.
- Fullerene memiliki struktur berupa polihedron tertutup cembung dengan jumlah atom karbon genap. Dan doping fullerene C60 dengan logam alkali mengubahnya menjadi superkonduktor.
- Grafena dibentuk oleh lapisan karbon monoatomik yang terhubung ke kisi heksagonal dua dimensi. Ini memiliki rekor konduktivitas termal dan mobilitas elektron, kekakuan tinggi
- Tabung nano adalah pelat grafit yang digulung menjadi tabung, dengan diameter beberapa nanometer. Bentuk-bentuk karbon ini sangat menjanjikan dalam nanoelektronika. Dapat menunjukkan kualitas logam atau semi-konduktif tergantung pada kopling.
Semikonduktor magnetik
Senyawa dengan europium magnetik dan ion mangan memiliki sifat magnetik dan semikonduktor yang aneh. Contoh semikonduktor jenis ini adalah europium sulfida, europium selenide, dan larutan padat sepertiCd1-xMnxTe. Kandungan ion magnetik mempengaruhi bagaimana sifat magnetik seperti antiferromagnetisme dan feromagnetisme dimanifestasikan dalam zat. Semimagnetik semikonduktor adalah solusi magnetik padat semikonduktor yang mengandung ion magnetik dalam konsentrasi kecil. Solusi solid seperti itu menarik perhatian karena menjanjikan dan potensi besar untuk kemungkinan aplikasi. Misalnya, tidak seperti semikonduktor non-magnetik, mereka dapat mencapai rotasi Faraday satu juta kali lebih besar.
Efek magneto-optik yang kuat dari semikonduktor magnetik memungkinkan penggunaannya untuk modulasi optik. Perovskit seperti Mn0, 7Ca0, 3O3, melampaui logam- semikonduktor, ketergantungan langsung yang pada hasil medan magnet dalam fenomena magnetoresistance raksasa. Mereka digunakan dalam teknik radio, perangkat optik yang dikendalikan oleh medan magnet, dalam pandu gelombang perangkat gelombang mikro.
Feroelektrik semikonduktor
Jenis kristal ini dibedakan dengan adanya momen listrik di dalamnya dan terjadinya polarisasi spontan. Sebagai contoh, semikonduktor seperti timbal titanat PbTiO3, barium titanat BaTiO3, germanium telluride GeTe, timah telluride SnTe, yang pada suhu rendah memiliki sifat feroelektrik. Bahan-bahan ini digunakan dalam sensor optik, memori, dan piezo non-linier.
Berbagai bahan semikonduktor
Selain yang di ataszat semikonduktor, ada banyak lainnya yang tidak termasuk dalam salah satu jenis yang terdaftar. Koneksi elemen menurut rumus 1-3-52 (AgGaS2) dan 2-4-52(ZnSiP2) membentuk kristal dalam struktur kalkopirit. Ikatan senyawa adalah tetrahedral, mirip dengan semikonduktor golongan 3-5 dan 2-6 dengan struktur kristal zinc blende. Senyawa yang membentuk unsur semikonduktor golongan 5 dan 6 (seperti As2Se3) adalah semikonduktor yang berbentuk kristal atau kaca. Bismut dan chalcogenides antimon digunakan dalam generator termoelektrik semikonduktor. Sifat-sifat semikonduktor jenis ini sangat menarik, tetapi mereka belum mendapatkan popularitas karena aplikasinya yang terbatas. Namun, fakta bahwa mereka ada menegaskan keberadaan bidang fisika semikonduktor yang belum sepenuhnya dieksplorasi.
