El semiconductor más famoso es el silicio (Si). Pero además de él, hay muchos otros. Un ejemplo son los materiales semiconductores naturales como la blenda de zinc (ZnS), la cuprita (Cu2O), la galena (PbS) y muchos otros. La familia de semiconductores, incluidos los semiconductores sintetizados en laboratorio, es una de las clases de materiales más versátiles conocidas por el hombre.
Caracterización de semiconductores
De los 104 elementos de la tabla periódica, 79 son metales, 25 no metales, de los cuales 13 elementos químicos tienen propiedades semiconductoras y 12 son dieléctricos. La principal diferencia entre los semiconductores es que su conductividad eléctrica aumenta significativamente con el aumento de la temperatura. A bajas temperaturas se comportan como dieléctricos ya altas temperaturas como conductores. En esto se diferencian los semiconductores de los metales: la resistencia del metal aumenta en proporción al aumento de la temperatura.
Otra diferencia entre un semiconductor y un metal es que la resistencia de un semiconductorcae bajo la influencia de la luz, mientras que este último no afecta al metal. La conductividad de los semiconductores también cambia cuando se introduce una pequeña cantidad de impurezas.
Los semiconductores se encuentran entre los compuestos químicos con una variedad de estructuras cristalinas. Estos pueden ser elementos como el silicio y el selenio, o compuestos binarios como el arseniuro de galio. Muchos compuestos orgánicos, como el poliacetileno (CH)n, , son materiales semiconductores. Algunos semiconductores presentan propiedades magnéticas (Cd1-xMnxTe) o ferroeléctricas (SbSI). Otros con suficiente dopaje se vuelven superconductores (GeTe y SrTiO3). Muchos de los superconductores de alta temperatura descubiertos recientemente tienen fases semiconductoras no metálicas. Por ejemplo, La2CuO4 es un semiconductor, pero cuando se alea con Sr se convierte en un superconductor (La1-x Srx)2CuO4.
Los libros de texto de física definen un semiconductor como un material con una resistencia eléctrica de 10-4 a 107 Ohm·m. También es posible una definición alternativa. La banda prohibida de un semiconductor es de 0 a 3 eV. Los metales y semimetales son materiales con un desfase de energía nulo, y las sustancias en las que supera los 3 eV se denominan aislantes. También hay excepciones. Por ejemplo, el diamante semiconductor tiene una banda prohibida de 6 eV, GaAs semiaislante: 1,5 eV. GaN, un material para dispositivos optoelectrónicos en la región azul, tiene una banda prohibida de 3,5 eV.
Brecha energética
Los orbitales de valencia de los átomos en la red cristalina se dividen en dos grupos de niveles de energía: la zona libre ubicada en el nivel más alto y que determina la conductividad eléctrica de los semiconductores, y la banda de valencia ubicada debajo. Estos niveles, dependiendo de la simetría de la red cristalina y la composición de los átomos, pueden cruzarse o ubicarse a una distancia entre sí. En este último caso, aparece una brecha de energía o, en otras palabras, una zona prohibida entre las zonas.
La ubicación y el llenado de los niveles determina las propiedades conductoras de la sustancia. Sobre esta base, las sustancias se dividen en conductoras, aislantes y semiconductoras. El ancho de la banda prohibida del semiconductor varía entre 0,01 y 3 eV, la brecha de energía del dieléctrico supera los 3 eV. Los metales no tienen brechas de energía debido a la superposición de niveles.
Los semiconductores y los dieléctricos, a diferencia de los metales, tienen una banda de valencia llena de electrones, y la banda libre más cercana, o banda de conducción, está separada de la banda de valencia por una brecha de energía, una región de energías de electrones prohibidas.
En los dieléctricos, la energía térmica o un campo eléctrico insignificante no es suficiente para dar un s alto a través de este hueco, los electrones no entran en la banda de conducción. No pueden moverse a lo largo de la red cristalina y convertirse en portadores de corriente eléctrica.
Para excitar la conductividad eléctrica, un electrón en el nivel de valencia debe recibir energía suficiente para superar la energíabrecha. Solo cuando absorba una cantidad de energía no menor que el valor de la brecha de energía, el electrón pasará del nivel de valencia al nivel de conducción.
En el caso de que el ancho de la brecha de energía supere los 4 eV, la excitación de la conductividad del semiconductor por irradiación o calentamiento es prácticamente imposible: la energía de excitación de los electrones a la temperatura de fusión es insuficiente para s altar a través de la zona de la brecha de energía. Cuando se calienta, el cristal se derretirá hasta que se produzca la conducción electrónica. Estas sustancias incluyen cuarzo (dE=5,2 eV), diamante (dE=5,1 eV), muchas sales.
Impureza y conductividad intrínseca de los semiconductores
Los cristales semiconductores puros tienen su propia conductividad. Estos semiconductores se denominan intrínsecos. Un semiconductor intrínseco contiene un número igual de huecos y electrones libres. Cuando se calienta, aumenta la conductividad intrínseca de los semiconductores. A una temperatura constante, surge un estado de equilibrio dinámico en el número de pares electrón-hueco formados y en el número de electrones y huecos que se recombinan, que permanecen constantes en determinadas condiciones.
La presencia de impurezas tiene un impacto significativo en la conductividad eléctrica de los semiconductores. Sumarlos permite aumentar mucho el número de electrones libres con un pequeño número de huecos y aumentar el número de huecos con un pequeño número de electrones a nivel de conducción. Los semiconductores de impurezas son conductores con conductividad de impurezas.
Las impurezas que fácilmente donan electrones se llaman impurezas donantes. Las impurezas donantes pueden ser elementos químicos con átomos cuyos niveles de valencia contienen más electrones que los átomos de la sustancia base. Por ejemplo, el fósforo y el bismuto son impurezas donantes de silicio.
La energía necesaria para hacer s altar un electrón a la región de conducción se denomina energía de activación. Los semiconductores de impurezas necesitan mucho menos que el material base. Con un ligero calentamiento o iluminación, son predominantemente los electrones de los átomos de los semiconductores de impureza que se liberan. El lugar del electrón que sale del átomo está ocupado por un hueco. Pero la recombinación de electrones en huecos prácticamente no ocurre. La conductividad del hueco del donante es despreciable. Esto se debe a que el pequeño número de átomos de impureza no permite que los electrones libres se acerquen al hueco y lo ocupen con frecuencia. Los electrones están cerca de los agujeros, pero no pueden llenarlos debido a un nivel de energía insuficiente.
La adición insignificante de una impureza donante en varios órdenes de magnitud aumenta el número de electrones de conducción en comparación con el número de electrones libres en el semiconductor intrínseco. Los electrones aquí son los principales portadores de carga de los átomos de los semiconductores de impurezas. Estas sustancias se clasifican como semiconductores de tipo n.
Las impurezas que unen los electrones de un semiconductor, aumentando el número de huecos en él, se denominan aceptor. Las impurezas aceptoras son elementos químicos con menos electrones en el nivel de valencia que el semiconductor base. Boro, galio, indio - aceptorimpurezas para el silicio.
Las características de un semiconductor dependen de los defectos en su estructura cristalina. Esta es la razón de la necesidad de hacer crecer cristales extremadamente puros. Los parámetros de conductividad del semiconductor se controlan añadiendo dopantes. Los cristales de silicio se dopan con fósforo (elemento del subgrupo V), que es un donante, para crear un cristal de silicio de tipo n. Para obtener un cristal con conductividad de hueco, se introduce un aceptor de boro en el silicio. Los semiconductores con un nivel de Fermi compensado para moverlo a la mitad de la brecha de banda se crean de manera similar.
Semiconductores de celda única
El semiconductor más común es, por supuesto, el silicio. Junto con el germanio, se convirtió en el prototipo de una amplia clase de semiconductores con estructuras cristalinas similares.
La estructura de los cristales de Si y Ge es la misma que la del diamante y el α-estaño. En él, cada átomo está rodeado por los 4 átomos más cercanos, que forman un tetraedro. Esta coordinación se llama cuádruple. Los cristales tetraenlazados se han convertido en la base de la industria electrónica y juegan un papel clave en la tecnología moderna. Algunos elementos de los grupos V y VI de la tabla periódica también son semiconductores. Ejemplos de semiconductores de este tipo son el fósforo (P), el azufre (S), el selenio (Se) y el telurio (Te). En estos semiconductores, los átomos pueden tener una coordinación triple (P), doble (S, Se, Te) o cuádruple. Como resultado, elementos similares pueden existir en variosestructuras cristalinas, y también obtenerse en forma de vidrio. Por ejemplo, el Se ha crecido en estructuras cristalinas monoclínicas y trigonales o como vidrio (que también puede considerarse un polímero).
- El diamante tiene una excelente conductividad térmica, excelentes características mecánicas y ópticas, alta resistencia mecánica. Ancho de brecha de energía - dE=5.47 eV.
- El silicio es un semiconductor utilizado en células solares y en forma amorfa en células solares de película fina. Es el semiconductor más utilizado en células solares, fácil de fabricar y con buenas propiedades eléctricas y mecánicas. dE=1,12 eV.
- El germanio es un semiconductor utilizado en espectroscopia gamma, células fotovoltaicas de alto rendimiento. Utilizado en los primeros diodos y transistores. Requiere menos limpieza que la silicona. dE=0,67 eV.
- El selenio es un semiconductor que se utiliza en los rectificadores de selenio, que tienen una alta resistencia a la radiación y capacidad de autorreparación.
Compuestos de dos elementos
Las propiedades de los semiconductores formados por elementos del tercer y cuarto grupo de la tabla periódica se asemejan a las propiedades de las sustancias del cuarto grupo. Transición de elementos del grupo 4 a compuestos 3–4 gr. hace que los enlaces sean parcialmente iónicos debido a la transferencia de carga electrónica del átomo del grupo 3 al átomo del grupo 4. La ionicidad cambia las propiedades de los semiconductores. Es la razón del aumento en la interacción interion de Coulomb y la energía de la brecha de banda de energía.estructuras de electrones Un ejemplo de compuesto binario de este tipo es el antimoniuro de indio InSb, el arseniuro de galio GaAs, el antimoniuro de galio GaSb, el fosfuro de indio InP, el antimoniuro de aluminio AlSb, el fosfuro de galio GaP.
La ionicidad aumenta, y su valor crece aún más en compuestos de sustancias de los grupos 2-6, como seleniuro de cadmio, sulfuro de zinc, sulfuro de cadmio, telururo de cadmio, seleniuro de zinc. Como resultado, la mayoría de los compuestos de los grupos 2-6 tienen una banda prohibida más ancha que 1 eV, excepto los compuestos de mercurio. El telururo de mercurio es un semiconductor sin brecha de energía, un semimetal, como el α-estaño.
Los semiconductores del grupo 2-6 con una gran diferencia de energía se utilizan en la producción de láseres y pantallas. Las conexiones binarias de 2 a 6 grupos con un espacio de energía reducido son adecuadas para receptores de infrarrojos. Los compuestos binarios de los elementos de los grupos 1–7 (bromuro de cobre CuBr, yoduro de plata AgI, cloruro de cobre CuCl) debido a su alta ionicidad tienen una banda prohibida mayor de 3 eV. En realidad, no son semiconductores, sino aislantes. El aumento en la energía de anclaje del cristal debido a la interacción interiónica de Coulomb contribuye a la estructuración de los átomos de sal de roca con una coordinación séxtuple en lugar de cuadrática. Los compuestos de los grupos 4 a 6 (sulfuro y telururo de plomo, sulfuro de estaño) también son semiconductores. El grado de ionicidad de estas sustancias también contribuye a la formación de una coordinación séxtuple. La ionicidad significativa no impide que tengan espacios de banda muy estrechos, lo que les permite ser utilizados para recibir radiación infrarroja. El nitruro de galio, un compuesto de 3 a 5 grupos con una amplia brecha de energía, ha encontrado aplicación en semiconductores.láseres y LED que operan en la parte azul del espectro.
- GaAs, arseniuro de galio, es el segundo semiconductor más utilizado después del silicio, comúnmente utilizado como sustrato para otros conductores como GaInNAs e InGaAs, en diodos IR, microcircuitos y transistores de alta frecuencia, células solares de alta eficiencia, diodos láser, detectores de cura nuclear. dE=1,43 eV, lo que permite aumentar la potencia de los dispositivos en comparación con el silicio. Frágil, contiene más impurezas, difícil de fabricar.
- ZnS, sulfuro de zinc - sal de zinc del ácido hidrosulfuro con una banda prohibida de 3,54 y 3,91 eV, utilizada en láseres y como fósforo.
- SnS, sulfuro de estaño - un semiconductor utilizado en fotorresistores y fotodiodos, dE=1, 3 y 10 eV.
Óxidos
Los óxidos metálicos son en su mayoría excelentes aislantes, pero hay excepciones. Ejemplos de semiconductores de este tipo son óxido de níquel, óxido de cobre, óxido de cob alto, dióxido de cobre, óxido de hierro, óxido de europio, óxido de zinc. Dado que el dióxido de cobre existe como el mineral cuprita, sus propiedades se han investigado extensamente. El procedimiento para el cultivo de semiconductores de este tipo aún no se comprende por completo, por lo que su aplicación aún es limitada. La excepción es el óxido de zinc (ZnO), un compuesto del grupo 2-6 utilizado como convertidor y en la producción de cintas adhesivas y emplastos.
La situación cambió drásticamente después de que se descubriera la superconductividad en muchos compuestos de cobre con oxígeno. PrimeroEl superconductor de alta temperatura descubierto por Müller y Bednorz era un compuesto basado en el semiconductor La2CuO4 con una brecha de energía de 2 eV. Al reemplazar el lantano trivalente con bario o estroncio divalente, se introducen portadores de carga huecos en el semiconductor. Alcanzar la concentración requerida de agujeros convierte a La2CuO4 en un superconductor. Actualmente, la temperatura de transición más alta al estado superconductor pertenece al compuesto HgBaCa2Cu3O8. A alta presión su valor es de 134 K.
ZnO, óxido de zinc, se utiliza en varistores, LED azules, sensores de gas, sensores biológicos, revestimientos de ventanas para reflejar la luz infrarroja, como conductor en pantallas LCD y paneles solares. dE=3.37 eV.
Cristales de capa
Los compuestos dobles como el diyoduro de plomo, el seleniuro de galio y el disulfuro de molibdeno se caracterizan por una estructura cristalina en capas. Los enlaces covalentes de fuerza significativa actúan en las capas, mucho más fuertes que los enlaces de van der Waals entre las capas mismas. Los semiconductores de este tipo son interesantes porque los electrones se comportan casi bidimensionalmente en capas. La interacción de las capas se cambia por la introducción de átomos extraños - intercalación.
MoS2, disulfuro de molibdeno se utiliza en detectores de alta frecuencia, rectificadores, memristores, transistores. dE=1,23 y 1,8 eV.
Semiconductores orgánicos
Ejemplos de semiconductores basados en compuestos orgánicos: naftaleno, poliacetileno(CH2) , antraceno, polidiacetileno, ftalocianuros, polivinilcarbazol. Los semiconductores orgánicos tienen una ventaja sobre los inorgánicos: es fácil impartirles las cualidades deseadas. Las sustancias con enlaces conjugados del tipo –С=С–С=tienen una no linealidad óptica significativa y, debido a esto, se utilizan en optoelectrónica. Además, las zonas de discontinuidad de energía de los semiconductores orgánicos se modifican cambiando la fórmula del compuesto, que es mucho más fácil que la de los semiconductores convencionales. Los alótropos cristalinos de fullereno de carbono, grafeno y nanotubos también son semiconductores.
- El fullereno tiene una estructura en forma de poliedro cerrado convexo de un número par de átomos de carbono. Y dopar el fullereno C60 con un metal alcalino lo convierte en un superconductor.
- El grafeno está formado por una capa monoatómica de carbono conectada en una red hexagonal bidimensional. Tiene una conductividad térmica y movilidad de electrones récord, alta rigidez
- Los nanotubos son placas de grafito enrolladas en un tubo, con unos pocos nanómetros de diámetro. Estas formas de carbono son muy prometedoras en nanoelectrónica. Puede exhibir cualidades metálicas o semiconductoras dependiendo del acoplamiento.
Semiconductores magnéticos
Los compuestos con iones magnéticos de europio y manganeso tienen curiosas propiedades magnéticas y semiconductoras. Ejemplos de semiconductores de este tipo son el sulfuro de europio, el seleniuro de europio y soluciones sólidas comoCd1-xMnxTe. El contenido de iones magnéticos influye en cómo se manifiestan en las sustancias propiedades magnéticas como el antiferromagnetismo y el ferromagnetismo. Los semiconductores semimagnéticos son soluciones magnéticas sólidas de semiconductores que contienen iones magnéticos en una pequeña concentración. Estas soluciones sólidas llaman la atención debido a su promesa y gran potencial para posibles aplicaciones. Por ejemplo, a diferencia de los semiconductores no magnéticos, pueden lograr una rotación de Faraday un millón de veces mayor.
Los fuertes efectos magneto-ópticos de los semiconductores magnéticos hacen posible su uso para la modulación óptica. Las perovskitas como Mn0, 7Ca0, 3O3, superan al metal, un semiconductor, cuya dependencia directa del campo magnético da lugar al fenómeno de la magnetorresistencia gigante. Se utilizan en ingeniería de radio, dispositivos ópticos controlados por un campo magnético, en guías de ondas de dispositivos de microondas.
Semiconductores ferroeléctricos
Este tipo de cristales se distingue por la presencia de momentos eléctricos en ellos y la ocurrencia de polarización espontánea. Por ejemplo, semiconductores como el titanato de plomo PbTiO3, el titanato de bario BaTiO3, el telururo de germanio GeTe, el telururo de estaño SnTe, que a bajas temperaturas tienen propiedades ferroeléctrico. Estos materiales se utilizan en sensores piezoeléctricos, de memoria y ópticos no lineales.
Variedad de materiales semiconductores
Además de lo anteriorsustancias semiconductoras, hay muchas otras que no pertenecen a ninguno de los tipos enumerados. Conexiones de elementos según la fórmula 1-3-52 (AgGaS2) y 2-4-52 (ZnSiP2) forman cristales en la estructura de calcopirita. Los enlaces de los compuestos son tetraédricos, similares a los semiconductores de los grupos 3–5 y 2–6 con la estructura cristalina de la blenda de zinc. Los compuestos que forman los elementos de los semiconductores de los grupos 5 y 6 (como As2Se3) son semiconductores en forma de cristal o vidrio. Los calcogenuros de bismuto y antimonio se utilizan en generadores termoeléctricos de semiconductores. Las propiedades de los semiconductores de este tipo son sumamente interesantes, pero no han ganado popularidad debido a su limitada aplicación. Sin embargo, el hecho de que existan confirma la existencia de áreas de la física de semiconductores que aún no se han explorado por completo.
