II. PRZEGLĄD MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Janusz

II.
PRZEGLĄD MATERIAŁÓW
PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Janusz Adamowski
1
1
Wiązania chemiczne w półprzewodnikach
(1) Wiązanie kowalencyjne (homopolarne)
• Przyczyną tego wiązania jest przyciągające (kwantowe) oddziaływanie wymienne pomiędzy dwoma elektronami o przeciwnych spinach.
• Prowadzi do powstania molekuł homojądrowych (np. H2 ) i kryształów
półprzewodników pierwiastkowych (np. Si, Ge).
• Wiązanie to występuje w ”czystej” postaci w molekułach homojądrowych
(np. H2 ) i kryształach półprzewodników pierwiastkowych (np. Si, Ge).
(2) Wiązanie jonowe (heteropolarne)
• Przyczyną tego wiązania jest kulombowskie (klasyczne) oddziaływanie przyciągające pomiędzy jonami o przeciwnych ładunkach.
• Przy małych odległościach pomiędzy jonami występuje odpychanie wynikające z zakazu Pauli’ego.
• Wiązanie to występuje w ”czystej” postaci w kryształach jonowych (o
własnościach dielektrycznych, np. NaCl, LiF) oraz jako składowa wiązania mieszanego (jonowo-kowalencyjnego) w związkach półprzewodnikowych (np. GaAs, CdTe).
Typowe wartości energii wiązania dla obu rodzajów wiązań:
W ≈ 1 ÷ 10 eV/atom
PERIODIC TABLE OF THE ELEMENTS
PERIOD
GROUP
IA
1
1
RELATIVE ATOMIC MASS (1)
H
HYDROGEN
3
6.941
2
GROUP IUPAC
IIA
2
4
9.0122
LITHIUM
Metal
GROUP CAS
13
5
ATOMIC NUMBER
Be
Li
10.811
BERYLLIUM
3
22.990
Halogens element
Transition metals
Noble gas
Lanthanide
Mg
SODIUM
MAGNESIUM
39.098
4
K
85.468
CALCIUM
38
87.62
Sc
SCANDIUM
39
88.906
Y
RUBIDIUM
STRONTIUM
YTTRIUM
132.91
56
137.33
Ba
Cs
CAESIUM
BARIUM
(223)
88
(226)
Fr
Ra
FRANCIUM
RADIUM
IVB 5
23
IIIB 4
22
44.956
Sr
87
7
3
21
Rb
55
6
40.078
Fe
Tc
- gas
- liquid
B
BORON
- solid
13
- synthetic
57-71
La-Lu
Lanthanide
47.867
TITANIUM
Actinide
91.224
Zr
VANADIUM
41
92.906
Nb
ZIRCONIUM
72
178.49
NIOBIUM
73
HAFNIUM
(267)
VIB 7 VIIB 8
25 54.938 26
180.95
TANTALUM
105
(268)
51.996
Cr
Mn
95.96
43
Mo
(98)
55.845
Fe
IRON
CHROMIUM MANGANESE
42
44
101.07
Ru
Tc
MOLYBDENUM TECHNETIUM RUTHENIUM
74
183.84
W
Ta
Hf
89-103 104
Ac-Lr
V
Ti
40
VB 6
24
50.942
TUNGSTEN
106
(271)
75
186.21
Re
RHENIUM
107
(272)
76
190.23
COBALT
45
Rh
RHODIUM
77
OSMIUM
(277)
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
RUTHERFORDIUM
DUBNIUM
SEABORGIUM
BOHRIUM
HASSIUM
192.22
IRIDIUM
109
(276)
Mt
58.693
Ni
NICKEL
46
106.42
Pd
PALLADIUM
78
Ir
Os
108
102.91
C
CARBON
14
28.086
195.08
Pt
11
29
Cu
(281)
Ds
107.87
Ag
SILVER
79
196.97
Au
GOLD
111
IIB
(280)
Rg
65.38
Zn
ZINC
COPPER
47
PLATINUM
110
IB 12
30
63.546
48
112.41
ALUMINIUM
31
GALLIUM
GERMANIUM
CADMIUM
200.59
In
MERCURY
(285)
Cn
MEITNERIUM DARMSTADTIUM ROENTGENIUM COPERNICIUM
50
118.71
Sn
INDIUM
81
204.38
Tl
Hg
112
114.82
TIN
82
207.2
(. . .)
O
F
NITROGEN
15
30.974
33
LEAD
114
(287)
Uut
Fl
UNUNTRIUM
FLEROVIUM
74.922
OXYGEN
16
ARSENIC
51
121.76
CHLORINE
78.96
SELENIUM
52
BROMINE
127.60
TELLURIUM
(209)
IODINE
85
Po
Uup
(210)
At
POLONIUM
116
126.90
I
84
(. . .)
53
Te
Bi
79.904
Br
ANTIMONY
BISMUTH
35
Se
83
115
35.453
Cl
SULPHUR
Sb
208.98
17
S
34
HELIUM
10
(291)
Lv
ASTATINE
117
(. . .)
20.180
Ne
NEON
FLUORINE
32.065
As
Pb
THALLIUM
113
N
PHOSPHORUS
72.64
Ge
49
18.998
SILICON
32
VIIA
15.999
P
Ga
Cd
80
69.723
VIA 17
9
14.007
Si
Al
VIIIB
9
10
27 58.933 28
Co
26.982
VA 16
8
12.011
10.811
ELEMENT NAME
Ca
POTASSIUM
37
20
Ne
Hg
IVA 15
7
IIIA 14
6
13
5
STANDARD STATE (25 °C; 101 kPa)
Actinide
24.305
Na
19
5
12
He
Chalcogens element
Alkaline earth metal
B
SYMBOL
Nonmetal
Semimetal
Alkali metal
BORON
11
18 VIIIA
2 4.0026
http://www.periodni.com
1.0079
1
18
39.948
Ar
ARGON
36
83.798
Kr
KRYPTON
54
131.29
Xe
XENON
86
(222)
Rn
RADON
118
(. . .)
Uus Uuo
UNUNPENTIUM LIVERMORIUM UNUNSEPTIUM UNUNOCTIUM
Copyright © 2012 Eni Generalić
LANTHANIDE
(1) Pure Appl. Chem., 81, No. 11, 2131-2156 (2009)
Relative atomic masses are expressed with
five significant figures. For elements that have
no stable nuclides, the value enclosed in
brackets indicates the mass number of the
longest-lived isotope of the element. However
three such elements (Th, Pa and U) do have a
characteristic terrestrial isotopic composition,
and for these an atomic weight is tabulated.
2
57
138.91
La
58
140.12
59
Pr
Ce
LANTHANUM
CERIUM
140.91
60
144.24
Nd
61
(145)
Pm
62
150.36
Sm
PRASEODYMIUM NEODYMIUM PROMETHIUM SAMARIUM
63
151.96
Eu
64
157.25
Gd
EUROPIUM GADOLINIUM
65
158.93
66
162.50
Tb
Dy
TERBIUM
DYSPROSIUM
67
164.93
Ho
HOLMIUM
68
167.26
69
Er
ERBIUM
168.93
Tm
THULIUM
70
173.05
Yb
YTTERBIUM
71
174.97
Lu
LUTETIUM
ACTINIDE
89
(227)
90
232.04
91
231.04
92
238.03
Ac
Th
Pa
U
ACTINIUM
THORIUM
PROTACTINIUM
URANIUM
93
(237)
Np
94
(244)
Pu
NEPTUNIUM PLUTONIUM
95
(243)
96
(247)
Am
Cm
AMERICIUM
CURIUM
97
(247)
Bk
98
(251)
Cf
99
(252)
Es
BERKELIUM CALIFORNIUM EINSTEINIUM
100
(257)
101
Fm
Md
FERMIUM
MENDELEVIUM
Rodzaje materiałów półprzewodnikowych
1. Półprzewodniki pierwiastkowe (proste)
1.1. Pierwiastki grupy IV
krzem (Si) = podstawowy materiał obecnej (i przyszłej elektroniki) german
(Ge) = materiał elektroniki przeszłosci szara cyna (α-Sn) = materiał raczej nie
stosowany w elektronice
Są to materiały (zwykle) krystaliczne o strukturze diamentu i wiązaniu kowalencyjnym. Każdy atom posiada 4 najbliższych sąsiadów (liczba koordynacyjna = 4), tworzących czworościan foremny (tetraedr). Mogą też występować
w postaci amorficznej, np. a-Si.
1.2. Pierwiastki grupy V
Przykłady: P, As, Sb (pierwiastki o liczbie koordynacyjnej = 3)
2
(258)
102
(259)
No
103
(262)
Lr
NOBELIUM LAWRENCIUM
1.3. Pierwiastki grupy VI
Przykłady: S, Se, Te (pierwiastki o liczbie koordynacyjnej = 2)
Występują w różnych strukturach krystalicznych, np. selen (Se) tworzy
kryształy o strukturze jednoskośnej i trójskośnej, a ponadto występuje jako
szkło.
2. Związki półprzewodnikowe
2.1. Związki półprzewodnikowe III-V
Przykłady: GaAs, AlAs, InP, InAs, GaP, InSb, GaN.
Tworzą kryształy o wiązaniu mieszanym (kowalencyjno-jonowym) z dominującym wiązaniem kowalencyjnym i niewielką domieszką wiązania jonowego.
Wykazują własności podobne do swoich odpowiedników z grupy IV. Np. GaAs
wykazuje pewne podobieństwo do Ge.
Są to materiały obecnej i przyszłej elektroniki oraz optoelektroniki.
2.2. Związki półprzewodnikowe II-VI
Przykłady: ZnS, ZnO, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe.
Są to kryształy o wiązaniu mieszanym kowalencyjno-jonowym. Duża domieszka wiązania jonowego powoduje wzrost przerwy energetycznej (na ogół Eg
> 1 eV).
Wyjątkami są związki rtęci, np. dla HgTe Eg = 0 (jest to tzw. półmetal).
2.3. Związki półprzewodnikowe I-VII
Przykłady: CuCl, CuBr.
Są to tzw. kryształy jonowe o typowym wiązaniu jonowym, które prowadzi do szerokiej przerwy energetycznej (Eg > 3 eV).
2.4. Związki miedzi
Przykłady: CuO, CuS, Cu2 O.
Klasycznym półprzewodnikiem jest kupryt Cu2 O występujący jako minerał.
2.5. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Z punktu widzenia własności przewodnictwa w temperaturze pokojowej są
to typowe półprzewodniki.
Przykłady: pierwszy odkryty nadprzewodnik wysokotemperaturowy La2 CuO4
(Tc ' 40 K, Eg ' 2 eV) nadprzewodnik o wysokiej temperaturze krytycznej
HgBaCa2 Cu3 O8+δ Tc ' 135 K
3
2.6. Związki IV-VI
Przykłady: PbS, PbSe, PbTe.
2.7. Związki IV-IV
Przykłady: SiC, SiGe (w fazie związku chemicznego).
3. Stopy półprzewodnikowe
Przykłady: Six Ge1−x , Alx Ga1−x As, x ∈ (0, 1).
W materiałach tych możemy w znacznym stopniu modyfikować (w sposób
zaplanowany) strukturę pasmową, a w szczególności zmieniać przerwę energetyczną i pasmową masę efektywną elektronu (dziury).
Są to typowe materiały półprzewodnikowej inżynierii materiałowej.
4. Półprzewodniki amorficzne
Przykłady: a-Si, a-Se.
5. Szkła półprzewodnikowe
Przykłady: chalkogenidki podwójne
As2 Te3
i chalkogenidki potrójne
mAs3 Se3 + nAs2 Te3 ,
gdzie m,n = liczby całkowite
6. Półprzewodniki magnetyczne
Związki i stopy półprzewodnikowe zawierające mangan (Mn) i europ (Eu).
Przykłady: Cdx Mn1−x Te, EuS.
Stopy (związki) zawierające mangan (Mn) są podstawowymi materiałami
spintroniki.
7. Półprzewodniki organiczne
Materiały plastyczne zbudowane głównie z poliacetylenu (CH2 )n .
Inna nazwa: materiały miękkie.
Są to materiały tzw. ”plastycznej” elektroniki.
4
8. Heterostruktury i nanostruktury półprzewodnikowe
Są to sztucznie wytworzone przez człowieka materiały, złożone z warstw (obszarów) różnych półprzewodników. Obszary te posiadają najczęściej rozmiary
nanometrowe.
Przewidujemy szerokie zastosowanie nanostruktur półprzewodnikowych w
elektronice przyszłości.
Nanostruktury półprzewodnikowe
W nanostrukturach co najmniej jeden rozmiar przestrzenny nie przekracza
∼100 nm.
(1) Pojedyncze studnie kwantowe (QW) i studnie kwantowe wielokrotne (MQW)
(2) Supersieci (SL)
(3) Druty kwantowe (nanodruty, NW)
(4) Kropki kwantowe (QD)
9. Grafen
Płatki grafitu (prawie dwuwymiarowe powierzchnie złożone z atomów węgla)
o bardzo ciekawych własnościach fizycznych i niezwykle obiecujących zastosowaniach.
Grafen może stanowić rzeczywisty zamiennik krzemu.
5