п

Tип аiiiвv

Еле- мент	Al	Ga	In	Назва
	∆Eg еВ	∆Eg,еВ	∆Eg,еВ
P	AlP	GaP	SnP	Фосфіди
	3,0	2,4	1.34
As	AlAs	GaAs	InAs	Арсеніди
	2.2 eV	1.42 eV	0.46 eV
Sb	AsSb	GaSb	SnSb	Антимоніди
	1.6 eV	0.8 eV	0.16 eV

Tип аiiвvi

Елемент	Cd	Hg	Bi	Pb	Назва
	∆Eg, еВ	∆Eg, еВ	∆Eg, еВ	∆Eg, еВ
S	CdS		Bi2S3	PbS	Сульфіди
	2.4		1.3	0.37
Se	CdSe	HgSe	Bi2Se3	PbSe	Селеніди
	1.8	0.6 eV	0.26	0.25
Te	CdTe	HgTe	Bi2Te3	PbTe	Телуриди
	1.6	0.25 eV	0.15	0.3

риладів.

Існує також велика кількість напівпровідникових сполук – подвійні, потрійні та більш складні системи. З них найбільш докладно вивчені бінарні сполуки, які описують загальною формулою А^хВ^VIII--х, де х– валентність іона. Деякі відомості про такі сполуки наведені нижче.

Арсенид галію (GaAs) перспективний матеріал із великою шириною забороненої зони (табл. 2.1) та високою рухливістю електронів. Використовується для виготовлення інтегральних схем та дискретних мікроелектронних приладів: тунельних діодів, транзисторів, генераторів Ганна, фотоелементів.

В монокристалах GaP має місце електролюмінесценція, тому вони використовуються для виготовлення електролюмінісцентних джерел світла. Залежно від типу легуючої домішки, колір свічення може бути різним: жовтим, зеленим, червоним.

Фосфід індію (InP)– перспективний для створення надшвидких інтегральних схем. У майбутньому він може повністю замінити GaAs у цих схемах. Нині InP найбільш підходить для масового виробництва інтегральних схем зі швидкістю обробки даних 40 Гбит/с. На основі InP створюють також польові транзистори та ряд НВЧ- приладів.

Антимоніди індию (InSb) та миш’яку (InAs) мають високі рухливості електронів. Внаслідок малої ширини забороненої зони (табл. ) їх електропровідність вже за температури, нижче кімнатної, стає значною. В поєднанні з надзвичайно високою рухливістю, це дає змогу використовувати InSb і InAs для виготовлення датчиків Холла. На монокристалах InSb одержують p-n переходи та створюють діоди й фотоелементи, детектори інфрачервоного випромінювання, світлофільтри.

Телурид свинцю (PbTe) має високі термоелектричні властивості, його використовують для виготовлення негативної гілки термоелементів, а також для фотоелектричних приладів.

Селенід ртуті (HgSe) теж має велику рухливість електронів (до 15000 см²/в сек). Зазвичай в тонких плівках напівпровідників рухливість носії заряду стримко зменшується, але HgSe є виключенням з цього правила. Рухливість у плівках HgSe хоча й зменшується, але зберігає значення 3000 - 5000 см²/В·с. Це достатньо для виготовлення з HgSe високочутливих плівкові датчиків Холла.

Сульфід кадмию (CdS) володіє надзвичайно високими фотоелектричними властивостями. Квантовий вихід у CdS може становити 10⁵ фотоелектронів на поглинутий фотон. З кристалів CdS виготовляють високоякісні фоторезистори.

До сполук типу А^IIВ^VI належить і ряд окислів: Cu₂O, ZnO та інші. Серед них закис міді (Cu₂O) – дірковий напівпровідник. Він має добрі фото- і термо- електричні властивості, з нього виготовляють десятки типів напівпровідникових спрямлювачів з широким діапазоном параметрів.

До бінарних сполук типу А^IVВ^IV належить одна – карбід кремнію (SiC) або карборунд. З нього виготовляють, в основному, нелінійні резистори (варистори), які використовують, зокрема, для регуляції звуку в телефонах, крім того, SiC йде на виготовлення джерел світла (люмінофорів та світлодіодів).

Бінарними сполуками типу А^IВ^VII є лужно-галоїдні напівпровідники AgCl, AgI, AgBr (галогеніди срібла), CuCl, CuI , CuBr, KBr , KI й т.п.

Галогеніди срібла володіють унікальною світлочутливістю, їх широко використовують для реєстрації, зберігання та відновлення оптичної інформації. З галогенідів срібла AgCl має найбільшу заборонену зону, ∆Е_g =3,2 еВ, і високу густину локальних рівнів у ній. Відповідні цим рівням дефекти (центри) приймають участь у фотостимульованому перетворення за рахунок уловлення ними нерівноважних носіїв заряду. Подібні центри нині розглядаються як основа для створення комірок оптичної пам’яті, де бітом інформації є електрон (або дірка), локалізована на такому центрі.

Хлориди срібла (AgCl) і брому (AgBr) , а також йодид калію (KI) використовують для виготовлення світлочутливих фотоматеріалів, а AgCl за температури Т=77 К має канал фотолюмінесценції з високим квантовим виходом.

Аморфні напівпровідники – тіла в аморфному стані, які мають властивості напівпровідників. Аморфні напівпровідники розділяють на тетраедричні, халькогенідні, оксидні, органічні. До тетраедричних налечать аморфні Si, Ge, GaAs, Ge_xSi_1-x та ін. До халькогенідних – скло на основі Se i Te, а також халькогенідні системи на основі телуридів (AsS, AsSe, As-S-Se, As-Ge-Se-Te і т.п.). Серед оксидних відомий оксид Y₂O₃, V₂O₅ - P₂O₅, а також системи на основі оксидів перехідних металів.

А

Рис. 2.9. Флуктуації енергетичних зон

морфні напівпровідники не мають далекого упорядкування, але мають ближній та, як правило, середній порядок у розташуванні атомів. Внаслідок цього виникають енергетичні флуктуації (відхилення значень енергіїΔЕ_f) дна зони провідності Е_C та стелі забороненої зони Е_V. Флуктаціі ΔЕ_f мають порядок ширини забороненої зони ΔЕ_g ( рис. 2.9).

Особливістю аморфних напівпровідників є стрибковий механізм перенесення носіїв заряду: щоб рухатись у зоні провідності електрони повинні туди потратипи, долаючи бар’єр ΔЕ_g , а потім стрибати з однієї ямки на дні зони провідності в іншу, долаючи бар’єр ΔЕ_f. При цьому рухливість електронів стає залежною від температури за законом: u = u₀еxp( - ΔЕ_f / kT).

Аморфні напівпровідники мають ряд унікальних властивостей, привабливих для функціональної електроніки. Серед них відзначимо ефект перемикання: швидкий (~ 10^-10 сек) зворотній перехід з низькопровідного стану у високопровідний під дією електричного поля. Ефект виявляє себе як нелінійність ВАХ (рис. 2.10).

Е

Рис. 2.10. ВАХ аморфного напівпровідника:

1 високоомний;

2  низькоомний стан

фект перемикання супроводжується появою значного струму, який створює розігріті доріжки – «шнури струму». Завдяки великій температурі у шнурах струму відбувається кристалізація з утворенням кристала у вигляді тонкої голки. Таким чином матеріал запам’ятовує перехід у стан високої провідності, тобто працює як елемент пам’ті. Таким чином записана інформація може зберігатися тривалий час, але може бути й стертою нагріванням до температури плавлення кристалів. Ефект яскраво виявляє себе у напівпровіднику Si₆Te₂₄As₁₅Ge₅ (SТAG).

Магнітні напівпровідники – сполуки елементів VI з перехідними металами ( Fe, Ti, Mn, V, Ni, Eu, Sm, Er та інші). Вони мають ту чи іншу форму магнітного упорядкування, наприклад, EuO, EuS, GdCr₂Se₄ – феромагнетики, а NiO, EuSe, EuTe – антиферомагнетики. Цим речовинам притаманна сильна взаємодія рухливих носіїв заряду з локалізованими магнітними моментами d- або f- електронних оболонок перехідних металів. Ця взаємодія спричинює ряд особливостей електрофізичних й оптичних властивостей магнітних напівпровідників. Зокрема, у напівпровідниках-феромагнетиках зі зниженням температури спостерігається гігантський (~ 0.5 еВ) зсув крайового оптичного поглинання та фотопровідності, гігантський ефект Фарадея – обертання площини поляризації світла у магнітному полі до 5·10⁵ град/см. У багатьох з них замість монотонного зростання електропровідності з підвищенням температури має місце її проходження через глибокий мінімум. Цікавими у науковому та прикладному плані є фазові переходи типу «напівпровідник ↔ метал». Вони відбуваються при певному інтервалі концентрацій донорів як перехід зі стану з високою електропровідністю у стан з низькою електропровідністю (вироджені феромагнітні напівпровідники, наприклад, EuO), або, навпаки зі стану з низькою електропровідністю у стан з вис окою ( не вироджені антиферомагнетики, наприклад, EuSe, EuTe). Кратність зміни електропровідності досягає 10¹⁰ – 10¹⁷.

Нині магнітні напівпровідники інтенсивно досліджуються.

Суперіонні провідники – це кристали з іонним зв'язком, де спостерігається висока іонна провідність. Високу електровідність (10^–1 — 10^–3 Ом^–1.см^–1), яка є близькою до провідності рідких електролітів і розплавів солей ці речовини

мають при кімнатній температурі. Але суперіоніки мають кристалічну структури, тому їх часто називають твердими електролітами. Ця провідність обумовлена рухом іонів в кристалічній гратці. Іонні носії заряду різноманітні: одно -, двох - , трьохзарядні катіони (Ag⁺, Cu⁺, Li⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺, Pb²⁺, Al³⁺, Eu³⁺) та аніонів (F^–, Cl^–, Br^–, O^2–, S^2–).

Іонна провідність в кристалах обумовлена наявністю дефектів кристалічних ґраток. В залежності від характеру дифектоутворення, яке призводить до суперіоного стану, розглядають три типи суперіоників:

1. кристали з розупорядкуванням за однією з кристалічних підграток при незмінності хімічного складу речовини. Наприклад (AgI);

2. речовини, в яких розупорядкування деякої з підграток викликано введенням великої концентрації домішок;

3. суперіоники, в яких значна іонна провідність пов’язана зі швидкою міграцією спеціально введених домішкових йонів.

Я

Рис. 2.11. Потенціальна крива суперіонних провідників: W_п  енергія потенціальної взаємодії; r  відстані між іонами

кщо порівняти суперіонні провідники з іншим провідниками та діелектриками, то видно, що вони знаходяться в області діелектриків – напівпровідників. Для пояснення ефекту провідності з енергетичної точки зору розглянемо потенціальну криву таких матеріалів. Для потенціальної кривої таких матеріалів характерні відмінності в глибині потен- ціальних ям для іонів різних сортів.

Для іонів А – потенціальна яма глибше, для Б –менша. Коли починають підігрівати матеріал іони піднімаються з потенціальних ям, і при деякій температурі теплова енергія матеріалу порівнюється з потенційною енергією іонів типу Б, але виявляється менше енергії потенціальної взаємодії іонів типу А. Інакше кажучи, іони типу Б виходять з вузлів кристалічної решітки і стають вільними носіями заряду. Разом з тим іони типу А зберігають кристалічну решітку (рис.2.11).

Будова суперіонних провідників при високих температурах ( достатньо великих для переходу в суперіонний стан) нагадує будову металів, в яких між позитивними іонами знаходиться електронний «газ». Розходження полягає в тому, що в суперіонних провідниках між іонами одного знака знаходиться «газ» іонів іншого знака.

П

Рис.2.12. Залежність електропровідності суперіонних провідників від температури

ідвищення температури до температури внутрішнього плавлення призво дить до зростання електропровідності за експоненціальним законом, що характерно для будь-яких діелектриків. Це пов'язано з тим, що в міру зростання температури зростає ймовірність флуктуації енергії, достатньої для вихо дуіона з потенціальної ями. Отже, при зростанні температури збільшується концентрація вільних іонів. При досягненні температури внутрішнього плавлення іони з менш глибокою потенціальною ямою виходять з вузлів кристалічної решітки, що веде до різкого зростання електропровідності. При подальшому зростанні температури активізація коливань іонів решітки призводить до зниження електропровідності. Це явище має ту ж природу, що і зменшення електропровідності при нагріванні металів, а потім власне починається плав лення і поновлюється зростання провідності (рис.2.12)

Але така модель не дає просторового уявлення того, що відбувається в

самому кристалі. Розглянемо «класичний» твердий електроліт α-AgI, який доз- воляє чітко виявити структурні особливості, характерні для безлічі інших сполук. Його структура являє собою щільно упаковані аніони йоду І^-, що утво- рюють об’ємно-центровану кубічну ґратку. Так званий елементарний осередок таких ґраток включає два іони: центральний іон куба і по 1/8 від кожного з 8-ми іонів у вершинах куба. Усі ґратки відтворюються повтореннями елементарного осередку в трьох взаємно перпендикулярних напрямках. Між відносно велики- ми іонами йоду знаходиться велике число порожнин, у яких можуть розташову- ватися катіони срібла, що мають порівняно невеликі розміри (рис.2.13). В елементарній комірці 2 іона провідності Ag ⁺ статистично розподілені по 42 дозво- леним позиціям 3-х типів.

Т

Рис. 2.13. Структура AgJ в суперіонній фазі (Т > 147°С)

аким чином, структура йодиду срібла містить велике число геометри- чно близько розташованих одне до одного місць (позицій) для іонів срібла. Саме у цьому випадку й утворюються траєкторії майже безперешкодного руху іонівAg від позиції до позиції. Катіони срібла як би безупинно “кочують” по вільних позиціях у твердій підрешітці йоду. Іншими словами, α-AgI являє собою яскравий приклад твердого електроліту (суперіонного провідника), що має жорстку аніонну підрешітку, яка занурена в катіонну «рідину».

Суперіонні матеріали (тверді електроліти) поділяються на кристалічні катіонні (AgJ, RbAg₄J₅, Ag₂S, CsHSO₄ та інші) й аніонні (наприклад, PbF₂) та аморфні (скло AgJ- Ag₂O –B₂O₃ та інші).

Висновок Електропровідність слід розглядати як функціональну характеристику напівпровідників у тому сенсі, що вона може бути керованою у широких межах дією тепла та електричного поля. Ця керованість важлива для ефективного взаємоперетворення теплових й електричних сигналів (наприклад, як у пристрої на рис.1. 3, розділ 1).