II. PRZEGLĄD MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Janusz Adamowski

Transkrypt

1 II. PRZEGLĄD MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Janusz Adamowski 1

2 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. półprzewodników pierwiastkowych (np. Si, Ge). H 2 ) i kryształów Wiązanie to występuje w czystej postaci w molekułach homojądrowych (np. H 2 ) 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

3 PERIOD GROUP 1 IA PERIODIC TABLE OF THE ELEMENTS 18 VIIIA H 2 IIA HYDROGEN Li Be LITHIUM Na Mg 13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA HELIUM B N F Ne C VIIIB 3 IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB IB 12 IIB SODIUM MAGNESIUM ALUMINIUM SILICON PHOSPHORUS SULPHUR CHLORINE K Ca Sc Ti V Cr Rb Sr Cs Ba 87 (223) 88 (226) Fr BERYLLIUM Ra GROUP IUPAC 13 ATOMIC NUMBER 5 Y La-Lu Zr Nb Mo Hf Ta W Mn Fe Co (267) 105 (268) 106 (271) 107 (272) 108 (277) 109 (276) Ac-Lr Rf B Db Sg Ni Cu Zn (98) Tc Ru Rh Pd In Te I Ag Cd (209) 85 (210) Re Ir Pt Tl Pb Po Bh Os Hs STANDARD STATE ( 25 C; 101 kpa) Ne - gas Fe - solid Hg - liquid Tc - synthetic POTASSIUM CALCIUM SCANDIUM TITANIUM VANADIUM CHROMIUM MANGANESE IRON COBALT NICKEL COPPER ZINC GALLIUM GERMANIUM ARSENIC SELENIUM BROMINE RUBIDIUM STRONTIUM YTTRIUM ZIRCONIUM NIOBIUM MOLYBDENUM CAESIUM FRANCIUM BARIUM RADIUM Lanthanide Actinide SYMBOL RELATIVE ATOMIC MASS (1) BORON ELEMENT NAME GROUP CAS HAFNIUM TANTALUM TUNGSTEN TECHNETIUM Metal Alkali metal Alkaline earth metal Transition metals Lanthanide Actinide Semimetal Mt RUTHERFORDIUM DUBNIUM SEABORGIUM BOHRIUM HASSIUM MEITNERIUM Nonmetal Chalcogens element Halogens element Noble gas RUTHENIUM RHODIUM PALLADIUM SILVER CADMIUM Au 110 (2 1) 111 (280) 8 Ds Rg Hg BORON Al Ga CARBON Si Ge Sn NITROGEN P As Sb Bi O OXYGEN S Se FLUORINE RHENIUM OSMIUM IRIDIUM PLATINUM GOLD MERCURY THALLIUM LEAD BISMUTH POLONIUM ASTATINE DARMSTADTIUM ROENTGENIUM INDIUM TIN ANTIMONY TELLURIUM Cl Br IODINE At He NEON Ar ARGON Kr KRYPTON Xe XENON (222) Rn RADON (...) (285) (...) (287) (...) (291) (...) Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo COPERNICIUM UNUNTRIUM FLEROVIUM UNUNPENTIUM LIVERMORIUM UNUNSEPTIUM UNUNOCTIUM (1) Pure Appl. Chem.,, No. 11, (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. LANTHANIDE La LANTHANUM ACTINIDE 89 (227) Ac ACTINIUM Ce CERIUM (145) Pr Nd Pm PRASEODYMIUM NEODYMIUM Th Pa U THORIUM PROTACTINIUM URANIUM PROMETHIUM Eu Dy Er Lu 93 (237) 94 (244) 95 (243) 96 (247) 97 (247) 98 (251) 99 (252) 100 (257) 101 (258) 102 (259) Np Sm Pu Am Gd Cm Tb Bk Cf Ho Es Fm Tm Md Copyright Yb SAMARIUM EUROPIUM GADOLINIUM TERBIUM DYSPROSIUM HOLMIUM ERBIUM THULIUM YTTERBIUM NEPTUNIUM PLUTONIUM AMERICIUM CURIUM BERKELIUM CALIFORNIUM EINSTEINIUM FERMIUM MENDELEVIUM NOBELIUM No 2012 Eni Generalić LUTETIUM 103 Lr (262) LAWRENCIUM 2 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 Pierwiastki grupy V Przykłady: P, As, Sb (pierwiastki o liczbie koordynacyjnej = 3) 2

4 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 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 E g > 1 ev). Wyjątkami są związki rtęci, np. dla HgTe E g = 0 (jest to tzw. półmetal) Związki półprzewodnikowe I-VII Przykłady: CuCl, CuBr. Są to tzw. kryształy jonowe o typowym wiązaniu jonowym, które prowadzi do szerokiej przerwy energetycznej (E g > 3 ev) Związki miedzi Przykłady: CuO, CuS, Cu 2 O. Klasycznym półprzewodnikiem jest kupryt Cu 2 O występujący jako minerał Nadprzewodniki wysokotemperaturowe Z punktu widzenia własności przewodnictwa w temperaturze pokojowej są to typowe półprzewodniki. Przykłady: pierwszy odkryty nadprzewodnik wysokotemperaturowy La 2 CuO 4 (T c 40 K, E g 2 ev) nadprzewodnik o wysokiej temperaturze krytycznej HgBaCa 2 Cu 3 O 8+δ T c 135 K 3

5 Przykłady: PbS, PbSe, PbTe Związki IV-VI 2.7. Związki IV-IV Przykłady: SiC, SiGe (w fazie związku chemicznego). 3. Stopy półprzewodnikowe Przykłady: Si x Ge 1 x, Al x Ga 1 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. Przykłady: a-si, a-se. 4. Półprzewodniki amorficzne 5. Szkła półprzewodnikowe Przykłady: chalkogenidki podwójne i chalkogenidki potrójne As 2 Te 3 mas 3 Se 3 + nas 2 Te 3, gdzie m,n = liczby całkowite 6. Półprzewodniki magnetyczne Związki i stopy półprzewodnikowe zawierające mangan (Mn) i europ (Eu). Przykłady: Cd x Mn 1 x Te, EuS. Stopy (związki) zawierające mangan (Mn) są podstawowymi materiałami spintroniki. 7. Półprzewodniki organiczne Materiały plastyczne zbudowane głównie z poliacetylenu (CH 2 ) n. Inna nazwa: materiały miękkie. Są to materiały tzw. plastycznej elektroniki. 4

6 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