Jakie są różne rodzaje materiałów półprzewodnikowych?
Półprzewodniki są niezbędnymi komponentami nowoczesnych urządzeń elektronicznych, a zatem są jednym z podstawowych elementów składowych nowoczesnej technologii. Aby nadawać się jako materiał półprzewodnikowy, substancja musi mieć przewodność elektryczną, która leży między przewodnością izolatorów, które przewodzą bardzo mało prądu, a przewodnikami, które umożliwiają bardzo łatwy przepływ prądu. Większość materiałów półprzewodnikowych to krystaliczne nieorganiczne ciała stałe, chociaż istnieją również półprzewodniki wykonane z amorficznych ciał stałych i cieczy. Typowe materiały półprzewodnikowe obejmują krzem, arsen aralu i azotek galu, choć istnieją również inne. Oprócz tych pierwotnych materiałów półprzewodniki często zawierają również niewielkie ilości innych substancji, zwanych domieszkami.
Przewodność materiału półprzewodnikowego można zwiększyć, poddając go energii elektrycznej, polom magnetycznym lub innym bodźcom, które zwiększają poziomy energii elektronów materiału, powodując, że niektóre z nich przechodzą z pasma wartościowości niskoenergetycznej do energii wyższej, mniej zatłoczony zespół przewodzący. Umożliwia to energetyzowanym elektronom swobodne poruszanie się po materiale, tworząc dodatnio naładowane przerwy w paśmie walencyjnym zwanym dziurami elektronowymi. Umożliwia to przepływ prądu przez półprzewodnik. Manipulując przewodnością półprzewodnika, można go użyć jako przełącznika. Półprzewodniki są również wykorzystywane do wytwarzania energii słonecznej i czujników wykrywających światło, ponieważ mogą wytwarzać przepływ prądu elektrycznego, gdy są odpowiednio zasilane przez nadchodzące fotony światła.
Najczęściej stosowanym materiałem półprzewodnikowym jest krzem, czternasty element układu okresowego i jeden z najczęstszych elementów skorupy ziemskiej. Większość półprzewodników krzemowych ma regularną strukturę krystaliczną, w której rozmieszczone są ich atomy, ale można również zastosować krzem niekrystaliczny lub amorficzny. Półprzewodniki z bezpostaciowego krzemu mają gorszą wydajność w porównaniu z krzemem krystalicznym, ale bezpostaciowy krzem można osadzać w znacznie cieńszych warstwach, co może obniżyć koszt materiału.
Kolejnym najczęściej spotykanym materiałem półprzewodnikowym jest złożony arsenek galu (GaAs). Arsenek galu jest lepszy od krzemu pod wieloma względami, takimi jak szybsze przełączanie i większa odporność na ciepło. Jest jednak również bardziej kosztowny i trudniejszy do przetworzenia, dlatego zwykle stosuje się go tylko w aplikacjach, w których krzem jest nieodpowiedni. Cierpi również z powodu większego zużycia energii. Arsenek galu jest powszechnie stosowany do takich celów, jak szybka elektronika i wysokosprawne ogniwa fotowoltaiczne.
Innym związkiem galu stosowanym w półprzewodnikach jest azotek galu (GaN), który może działać w bardzo wysokich temperaturach i napięciach, dlatego często jest stosowany do zastosowań z wykorzystaniem mikrofal. Azotek galu jest również stosowany w diodach elektroluminescencyjnych (LED) i diodach laserowych wysokiej częstotliwości, a także w niektórych radarach wojskowych. Można go również połączyć z innym materiałem półprzewodnikowym, azotkiem indu (InN), w celu wytworzenia mieszaniny zwanej azotkiem indu galu. Azotek indu galu jest powszechnie stosowany w diodach LED i może być również niezwykle wydajnym materiałem na ogniwa słoneczne.
Półprzewodniki często zawierają niewielkie ilości domieszek, aby zmienić ich właściwości przewodzące zgodnie z ich funkcją. Typowe domieszki w krzemie obejmują pierwiastki boru, fosforu i arsenu. Arsenek galu i azotek galu domieszkowany metalami, takimi jak mangan, mają zarówno właściwości półprzewodnikowe, jak i ferromagnetyczne.