Des exemples de semi-conducteurs. Types, propriétés, applications pratiques

Le semi-conducteur le plus célèbre est le silicium (Si). Mais, en dehors de lui, il y en a beaucoup d'autres. Un exemple est des matériaux semi-conducteurs naturels tels que le zinc blende (ZnS), le cuprite (Cu ₂ O), la galène (PbS) et beaucoup d'autres. Une famille de semi-conducteurs, y compris les semi-conducteurs synthétisés dans les laboratoires, est l'une des classes de matériaux les plus polyvalentes connues de l'homme.

Caractéristiques des semi-conducteurs

Sur les 104 éléments du tableau périodique, 79 sont des métaux, 25 sont des non-métaux, dont 13 éléments chimiques possèdent des propriétés semi-conductrices et 12 sont diélectriques. La principale différence entre les semi-conducteurs est que leur conductivité électrique augmente de manière significative avec l'augmentation de la température. À basse température, ils se comportent comme des diélectriques, et à des températures élevées, ils se comportent comme des conducteurs. Ces semi-conducteurs sont différents des métaux: la résistance du métal augmente proportionnellement à l'augmentation de la température.

Une autre différence entre le semiconducteur et le métal est que la résistance du semiconducteur tombe sous l'action de la lumière, alors que le métal n'influence pas le métal. La conductivité des semi-conducteurs change également avec l'introduction d'une petite quantité d'impuretés.

Les semi-conducteurs se retrouvent parmi les composés chimiques avec une variété de structures cristallines. Il peut s'agir d'éléments tels que le silicium et le sélénium, ou des composés doubles, comme l'arséniure de gallium. De nombreux composés organiques, par exemple le polyacétylène (CH) _n, sont des matériaux semi-conducteurs. Certains semi-conducteurs présentent des propriétés magnétiques (Cd _1-x Mn _x Te) ou ferroélectriques (SbSI). D'autres avec un dopage suffisant deviennent supraconducteurs (GeTe et SrTiO ₃ ). Beaucoup de supraconducteurs à haute température récemment découverts ont des phases semi-conductrices non métalliques. Par exemple, La ₂ CuO ₄ est un semi-conducteur, mais lorsqu'il forme un alliage avec Sr, il devient un supraconducteur (La _1-x Sr _x ) ₂ CuO ₄ .

Les manuels de physique donnent une définition de semi-conducteur comme matériau avec une résistance électrique de 10 ^-4 à 10 ⁷ Ω · m. Une autre définition est également possible. La largeur de la bande interdite d'un semi-conducteur est de 0 à 3 eV. Les métaux et les semi- métaux sont des matériaux à rupture de l'énergie, et les substances dans lesquelles ils dépassent 3 eV sont appelés isolateurs. Il existe des exceptions. Par exemple, un diamant semi-conducteur a une bande interdite de largeur 6 eV, semi-isolant GaAs – 1.5 eV. GaN, un matériau pour les dispositifs optoélectroniques dans la région bleue, a une bande interdite de largeur 3,5 eV.

Écart énergétique

Les orbitales valides des atomes dans le réseau cristallin sont divisés en deux groupes de niveaux d'énergie: une zone libre située au plus haut niveau et déterminant la conductivité électrique des semi-conducteurs et une bande de valence située plus bas. Ces niveaux, en fonction de la symétrie du réseau cristallin et de la composition des atomes, peuvent se croiser ou être espacés. Dans ce dernier cas, il existe un écart d'énergie entre les zones ou, en d'autres termes, la zone interdite.

L'emplacement et le remplissage des niveaux détermine les propriétés conductrices de la substance. Sur cette base, les substances sont divisées en conducteurs, isolateurs et semi-conducteurs. La largeur de la bande interdite d'un semi-conducteur varie dans la plage de 0,01 à 3 eV, l'espace d'énergie diélectrique dépasse 3 eV. Les métaux ne sont pas dues à des niveaux cumulés d'écarts énergétiques.

Les semi-conducteurs et les diélectriques, par opposition aux métaux, ont une bande de valence remplie d'électrons, et la zone libre ou la bande de conduction la plus proche est clôturée à partir de l'espace d'énergie de la valence – la partie des énergies électron interdites.

Dans les diélectriques d'énergie thermique ou un petit champ électrique ne suffit pas à faire un saut à travers cet espace, les électrons n'entrent pas dans la bande de conduction. Ils ne peuvent pas se déplacer autour du réseau de cristal et devenir des porteurs de courant électrique.

Afin d'exciter la conductivité électrique, un électron au niveau de la valence doit recevoir de l'énergie suffisante pour surmonter l'écart d'énergie. Ce n'est qu'en absorbant une quantité d'énergie non inférieure à la grandeur de l'espace énergétique, l'électron passera du niveau de valence au niveau de conductivité.

Dans le cas où la largeur de l'espace d'énergie dépasse 4 eV, l'excitation de la conductivité du semi-conducteur par irradiation ou chauffage est pratiquement impossible: l'énergie d'excitation des électrons à la température de fusion s'avère insuffisante pour un saut à travers la zone de discontinuité d'énergie. Lorsqu'il est chauffé, le cristal fond avant l'apparition de la conduction électronique. De telles substances comprennent le quartz (dE = 5,2 eV), le diamant (dE = 5,1 eV), de nombreux sels.

Impuretés et conductivité intrinsèque des semi-conducteurs

Les cristaux semi-conducteurs purs ont une conductivité intrinsèque. De tels semi-conducteurs sont appelés propriétaires. Le semi-conducteur intrinsèque contient un nombre égal de trous et d'électrons libres. Lorsqu'il est chauffé, la conductivité intrinsèque des semi-conducteurs augmente. A une température constante, un état d'équilibre dynamique se produit entre le nombre de paires électron-trou formées et le nombre d'électrons et de trous recombinants qui restent constants dans les conditions données.

La présence d'impuretés a un effet significatif sur la conductivité électrique des semi-conducteurs. En les ajoutant, il est possible d'augmenter considérablement le nombre d'électrons libres avec un petit nombre de trous et d'augmenter le nombre de trous avec un petit nombre d'électrons au niveau de la conductivité. Les semi-conducteurs d'impuretés sont des conducteurs ayant une conductivité des impuretés.

Les impuretés, qui renoncent facilement aux électrons, s'appellent les donateurs. Les impuretés donneurs peuvent être des éléments chimiques avec des atomes, dont les sphères de valence contiennent plus d'électrons que les atomes du matériau de base. Par exemple, le phosphore et le bismuth sont des impuretés donatrices de silicium.

L'énergie nécessaire pour que l'électron puisse pénétrer dans la région de conduction s'appelle énergie d'activation. Les semi-conducteurs d'impuretés ont besoin de beaucoup moins que la substance principale. Avec un léger chauffage ou éclairage, les électrons d'impuretés semi-conducteurs sont libérés de manière prédominante. La place de l'électron qui a quitté l'atome occupe un trou. Mais il n'y a pratiquement aucune recombinaison d'électrons dans des trous. La conductivité du trou du donneur est négligeable. C'est parce qu'un petit nombre d'atomes d'impuretés ne permet pas aux électrons libres d'approcher souvent le trou et de l'occuper. Les électrons sont près des trous, mais ils ne peuvent pas les remplir en raison du niveau d'énergie insuffisant.

L'addition insignifiante de l'impureté des donneurs par plusieurs ordres augmente le nombre d'électrons de conduction par rapport au nombre d'électrons libres dans le semi-conducteur intrinsèque. Les électrons ici sont les principaux supports des charges d'atomes de semi-conducteurs d'impuretés. Ces substances sont classées comme des semi-conducteurs de type n.

Les impuretés qui lient les électrons d'un semi-conducteur, augmentant le nombre de trous, sont appelés accepteurs. Les impuretés d'accepteur sont des éléments chimiques avec un plus petit nombre d'électrons au niveau de la valence que dans le semi-conducteur de base. Le bore, le gallium et l'indium sont des impuretés acceptables pour le silicium.

Les caractéristiques du semi-conducteur dépendent des défauts de sa structure cristalline. C'est la raison pour laquelle il faut cultiver des cristaux extrêmement purs. Les paramètres de conductivité du semi-conducteur sont contrôlés par l'addition d'additifs d'alliage. Les cristaux de silicium sont dopés avec du phosphore (élément du sous-groupe V), qui est un donneur pour créer un cristal de silicium de type n. Pour obtenir un cristal avec une conductivité de trou, un accepteur de bore est introduit dans du silicium. Les semi-conducteurs avec un niveau Fermi compensé pour le déplacer vers le milieu de la bande interdite sont créés de la même manière.

Semiconducteurs à un seul élément

Le semi-conducteur le plus courant est, bien sûr, le silicium. Avec le germanium, il est devenu le prototype d'une large gamme de semi-conducteurs avec des structures cristallines similaires.

La structure des cristaux Si et Ge est la même que celle du diamant et de l'α-étain. En elle, chaque atome est entouré par 4 atomes les plus proches, qui forment un tétraèdre. Une telle coordination est appelée quadruple. Les cristaux avec une liaison tétrangère sont devenus basiques pour l'industrie électronique et jouent un rôle clé dans la technologie moderne. Certains éléments des groupes V et VI du tableau périodique sont également des semi-conducteurs. Des exemples de semi-conducteurs de ce type sont le phosphore (P), le soufre (S), le sélénium (Se) et le tellure (Te). Dans ces semi-conducteurs, les atomes peuvent avoir une coordination triple (P), double (S, Se, Te) ou quadruple. En conséquence, de tels éléments peuvent exister dans plusieurs structures cristallines différentes, et peuvent également être obtenus sous forme de verre. Par exemple, Se a cultivé dans des structures cristallines monocliniques et trigonales ou sous forme de verre (qui peut également être considéré comme un polymère).

– Le diamant a une excellente conductivité thermique, excellentes caractéristiques mécaniques et optiques, haute résistance mécanique. La largeur de l'espace d'énergie est dE = 5,47 eV.

– Silicon – un semi-conducteur utilisé dans les batteries solaires, et sous forme amorphe – dans des cellules solaires à couche mince. C'est le semiconducteur le plus utilisé dans les photocellules, facile à fabriquer, possède de bonnes propriétés électriques et mécaniques. DE = 1,12 eV.

– Germanium – un semi-conducteur utilisé dans la spectroscopie gamma, photocellules à haute efficacité. Utilisé dans les premières diodes et transistors. Nécessite moins de nettoyage que le silicium. DE = 0,67 eV.

– Sélénium – un semi-conducteur, qui est utilisé dans les redresseurs de sélénium, qui ont une forte résistance au rayonnement et la possibilité de s'auto-réparer.

Connexions à deux éléments

Les propriétés des semi-conducteurs formés par les éléments des groupes 3 et 4 du tableau de Mendeleyev rappellent les propriétés des substances du groupe 4. La transition de 4 groupes d'éléments à 3-4 gr composés. Rend les liaisons partiellement ioniques en raison du transfert de la charge d'électron de l'atome du groupe 3 à l'atome du groupe 4. L'ionisation modifie les propriétés des semi-conducteurs. C'est la cause d'une augmentation de l'interaction interionique de Coulomb et de l'énergie de la discontinuité énergétique de la structure de la bande d'électrons. Un exemple d'un composé binaire de ce type est l'antimonide d'indium InSb, l'arséniure de gallium GaAs, l'antimonide de gallium GaSb, le phosphure d'indium InP, l'antimonide d'aluminium AlSb, le phosphure de gallium GaP.

L'ionisme augmente et sa valeur augmente encore plus dans les composés de substances de 2-6 groupes, tels que le séléniure de cadmium, le sulfure de zinc, le sulfure de cadmium, le tellurure de cadmium, le séléniure de zinc. En conséquence, dans la plupart des composés des groupes 2-6, la zone interdite est plus large que 1 eV, à l'exception des composés du mercure. Le tellurure de mercure est un semiconducteur sans espace énergétique, un semimétallique, comme α-tin.

Les semiconducteurs de 2 à 6 groupes avec une grande application de recherche d'écart d'énergie dans la production de lasers et d'écrans. Les composés binaires de 2 à 6 groupes avec un espace d'énergie réduit sont adaptés aux récepteurs infrarouges. Les composés binaires des éléments des groupes 1-7 (bromure de cuivre CuBr, iodure d'argent AgI, chlorure de cuivre CuCl) ont une zone interdite plus large que 3 eV en raison d'une forte ionicité. Ils ne sont en fait pas des semi-conducteurs, mais des isolateurs. L'augmentation de l'énergie de liaison du cristal due à l'interaction interionique de Coulomb favorise la structuration des atomes de sel de roche avec six fois plus que la coordination quadratique. Les composés des groupes 4-6 – sulfure de plomb et tellurure de plomb, sulfure d'étain – sont également des semi-conducteurs. Le degré d'ionicité de ces substances contribue également à la formation d'une sixième coordination. Une ionicité significative ne les empêche pas d'avoir des bandes interdites très étroites, ce qui leur permet d'être utilisé pour recevoir un rayonnement infrarouge. Le nitrure de gallium est un composé de 3-5 groupes avec un large intervalle d'énergie, une application trouvée dans les lasers semi-conducteurs et les diodes électroluminescentes travaillant dans la partie bleue du spectre.

– GaAs, l'arséniure de gallium est le deuxième semi-conducteur qui est en demande après le silicium, généralement utilisé comme substrat pour d'autres conducteurs, par exemple GaInNAs et InGaAs, dans les IR-LED, les microcircuits à haute fréquence et les transistors, les photocellules à haute efficacité, les diodes laser, les détecteurs de rayonnement nucléaire. DE = 1.43 eV, ce qui permet d'augmenter la puissance des appareils par rapport au silicium. Le froissement, contient plus d'impuretés, est compliqué dans la fabrication.

– ZnS, sulfate de zinc – sel de zinc de sulfate d'hydrogène avec un écart de 3,54 et 3,91 eV, est utilisé dans les lasers et en phosphore.

– SnS, le sulfure d'étain est un semi-conducteur utilisé dans les photorésistors et les photodiodes, dE = 1,3 et 10 eV.

Oxydes

Les oxydes métalliques sont principalement des isolateurs excellents, mais il existe des exceptions. Des exemples de semi-conducteurs de ce type sont l'oxyde de nickel, l'oxyde de cuivre, l'oxyde de cobalt, le dioxyde de cuivre, l'oxyde de fer, l'oxyde d'europium, l'oxyde de zinc. Étant donné que le dioxyde de cuivre existe sous la forme d'un minéral primitif, ses propriétés ont été intensément étudiées. La procédure de croissance des semi-conducteurs de ce type n'est pas encore entièrement comprise, donc leur application est encore limitée. L'exception est l'oxyde de zinc (ZnO), composé 2-6 groupes, utilisé comme convertisseur et dans la production de bandes adhésives et de plaques.

La situation a changé drastiquement après la découverte de la supraconductivité dans de nombreux composés du cuivre et de l'oxygène. Le premier supraconducteur à haute température, découvert par Mueller et Bednorz, était un composé à base de semiconducteur La ₂ CuO ₄ avec un espace d'énergie de 2 eV. En remplaçant le lanthane trivalent par du baryum bivalent ou du strontium, les porteurs de la charge du trou sont introduits dans le semiconducteur. La réalisation de la concentration de trous nécessaire convertit La ₂ CuO ₄ en un supraconducteur. À l'heure actuelle, la température la plus élevée de la transition vers l'état supraconducteur appartient au composé HgBaCa ₂ Cu ₃ O ₈ . À des pressions élevées, sa valeur est de 134 K.

ZnO, oxyde de zinc, utilisé dans les varistances, les LED bleues, les capteurs de gaz, les capteurs biologiques, les revêtements de fenêtres pour refléter la lumière infrarouge, en tant que conducteur dans les écrans LCD et les panneaux solaires. DE = 3,37 eV.

Cristaux en couches

Les composés doubles comme le diiodure de plomb, le séléniure de gallium et le disulfure de molybdène se distinguent par la structure stratifiée du cristal. Les liaisons covalentes d' un effet de force considérable dans les couches, beaucoup plus fortes que les liaisons van der Waals entre les couches elles-mêmes. Les semiconducteurs de ce type sont intéressants en ce que les électrons se comportent en couches quasi-bidimensionnelles. L'interaction des couches est modifiée par l'introduction d'atomes de tiers – par intercalation.

MoS _{2, le} disulfure de molybdène est utilisé dans les détecteurs à haute fréquence, les redresseurs, les memristors, les transistors. DE = 1,23 et 1,8 eV.

Semi-conducteurs organiques

Des exemples de semi-conducteurs à base de composés organiques sont le naphtalène, le polyacétylène (CH ₂ ) _n , l'anthracène, le polydiacétylène, les phtalocyanures, le polyvinylcarbazole. Les semi-conducteurs organiques ont un avantage sur les inorganiques: ils sont faciles à conférer les qualités nécessaires. Les substances avec des liaisons conjuguées du type -C = С-С =, ont une non-linéarité optique significative et, à cause de cela, sont utilisées en optoélectronique. De plus, les zones de rupture d'énergie des semi-conducteurs organiques sont modifiées par une modification de la formule composée, ce qui est beaucoup plus facile que pour les semi-conducteurs conventionnels. Les allotropes cristallins de carbone de fullerène, de graphène et de nanotubes sont également des semi-conducteurs.

– fullerène a une structure sous la forme d'un polyèdre convexe ugleoroda fermée même nombre d'atomes. Un dopage fullerène C ₆₀ avec un métal alcalin , il se transforme en un supraconducteur.

– couche monoatomique de carbone de graphite est formé, est relié à un réseau hexagonal à deux dimensions. Enregistrement a la conductivité et la mobilité des électrons, une rigidité élevée

– Les nanotubes sont roulés dans une plaque de graphite de tube ayant un diamètre de plusieurs nanomètres. Ces formes de carbone ont une grande promesse en nanoélectronique. Selon le couplage peut être de qualité métallique ou semi-conducteurs.

les semi-conducteurs magnétiques

Les composés avec des ions magnétiques de l'europium et le manganèse ont curieuses propriétés magnétiques et semiconductrices. Des exemples de ce type de semi – conducteurs – le sulfure d' europium, l' europium séléniure et des solutions solides, comme Cd _1-x Mn _x Te. La teneur des ions magnétiques affecte les deux substances présentent des propriétés magnétiques telles que le ferromagnétisme et antiferromagnétisme. Semimagnétiques semi-conducteurs – est un semi-conducteurs magnétiques dures solutions qui contiennent des ions magnétiques dans une faible concentration. De telles solutions solides attirent l'attention de votre prospect et un grand potentiel d'applications possibles. Par exemple, contrairement aux semi-conducteurs non-magnétiques, ils peuvent atteindre un million de fois plus grande rotation de Faraday.

Forts effets magnéto-optiques de semi-conducteurs magnétiques permettent leur utilisation pour la modulation optique. Pérovskites, comme Mn _0,7 Ca _0,3 O _3, ses propriétés sont supérieures à transition métal-semi – conducteur, qui dépendance directe du champ magnétique entraîne le phénomène de magnéto-résistivité géante. Ils sont utilisés dans la radio, des dispositifs optiques, qui sont commandés par un champ magnétique, un des dispositifs de guide d'ondes à micro-ondes.

ferroélectriques à semi-conducteurs

Ce cristaux de type se caractérise par la présence dans leurs moments électriques et l'apparition de polarisation spontanée. Par exemple, de telles propriétés sont des semiconducteurs titanate de plomb PbTiO _3, titanate de baryum BaTiO _3, le tellurure de germanium, GeTe, SnTe de l' étain, qui , à basse température ont des propriétés ferroélectriques. Ces matériaux sont utilisés dans des capteurs optiques non linéaires, piézo-électriques et des dispositifs de mémoire.

Une variété de matériaux semi-conducteurs

En plus des matériaux semi-conducteurs mentionnés ci-dessus, il y a beaucoup d'autres qui ne relèvent pas de l'un de ces types. Les composés de formule éléments 1-3-5 ₂ (AgGaS ₂₎ et ₂ (2-4-5 ZnSiP ₂₎ forment une structure cristalline chalcopyrite. Communiquer avec des composés tétraédriques semi-conducteurs analogues 3-5 et 2-6 groupes avec une structure cristalline de zinc blende. Les composés qui forment des éléments semi – conducteurs 5 et 6 groupes (semblables à As ₂ Se _3), – le semi – conducteur sous forme de cristal ou de verre. Chalcogénures de bismuth et de l'antimoine sont utilisés dans des générateurs thermoélectriques à semi-conducteur. Les propriétés de ce type de semi-conducteurs est extrêmement intéressant, mais ils n'ont pas gagné en popularité en raison de l'application limitée. Cependant, le fait qu'ils existent, confirme la présence d'une enquête pas encore pleinement le domaine de la physique des semi-conducteurs.