Какие существуют типы полупроводниковых материалов?

Полупроводники являются важными компонентами современных электронных устройств и, следовательно, являются одним из фундаментальных строительных блоков современной технологии. Чтобы быть пригодным в качестве полупроводникового материала, вещество должно иметь электрическую проводимость, которая лежит между проводниками изоляторов, которые проводят очень мало электричества, и проводниками, которые позволяют электричеству течь очень легко. Большинство полупроводниковых материалов представляют собой кристаллические неорганические твердые вещества, хотя существуют также полупроводники, изготовленные из аморфных твердых веществ и жидкостей. Обычные полупроводниковые материалы включают кремний, арсенид галлия и нитрид галлия, хотя существуют и другие. В дополнение к этим первичным материалам полупроводники часто также содержат небольшие количества других веществ, известных как легирующие примеси.

Проводимость полупроводникового материала может быть увеличена путем воздействия на него электрической энергии, магнитных полей или других раздражителей, которые увеличивают энергетические уровни электронов материала, заставляя некоторые из них переходить из низкоэнергетической валентной зоны в более высокую, менее многолюдная зона проводимости. Это позволяет возбужденным электронам перемещаться через материал более свободно, создавая при этом положительно заряженные промежутки в валентной зоне, называемые электронными дырками. Это позволяет электричеству течь через полупроводник. Управляя проводимостью полупроводника, он может использоваться в качестве переключателя. Полупроводники также используются для генерации солнечной энергии и датчиков обнаружения света, потому что они могут генерировать поток электрического тока, когда на них соответствующим образом подается поступающие фотоны света.

Наиболее часто используемым полупроводниковым материалом является кремний, 14-й элемент Периодической таблицы и один из наиболее распространенных элементов в земной коре. Большинство кремниевых полупроводников имеют правильную кристаллическую структуру, в которой расположены их атомы, но можно также использовать некристаллический или аморфный кремний. Полупроводники на основе аморфного кремния имеют худшие характеристики по сравнению с кристаллическим кремнием, но аморфный кремний может быть нанесен в виде более тонких слоев, что может снизить стоимость материала.

Следующим наиболее распространенным полупроводниковым материалом является арсенид галлия (GaAs). Арсенид галлия превосходит кремний по ряду аспектов, таких как более быстрое переключение и более высокая термостойкость. Однако он также является более дорогостоящим и более сложным в обработке, и поэтому обычно используется только для применений, в которых кремний является недостаточным. Это также страдает от более высокого энергопотребления. Арсенид галлия обычно используется для таких целей, как высокоскоростная электроника и высокоэффективные фотоэлементы.

Другим соединением галлия, используемым для полупроводников, является нитрид галлия (GaN), который может функционировать при очень высоких температурах и напряжениях и поэтому часто используется для применений, связанных с микроволнами. Нитрид галлия также используется в светодиодах (светодиодах) и высокочастотных лазерных диодах, а также в некоторых военных радарах. Он также может быть объединен с другим полупроводниковым материалом, нитридом индия (InN), для получения смеси, называемой нитридом индия-галлия. Нитрид индия-галлия обычно используется в светодиодах и также может быть чрезвычайно эффективным материалом для солнечных элементов.

Полупроводники часто содержат небольшое количество легирующих примесей, чтобы изменить их проводящие свойства в соответствии с их функцией. Обычные легирующие примеси в кремнии включают элементы бор, фосфор и мышьяк. Арсенид галлия и нитрид галлия, легированные такими металлами, как марганец, обладают как полупроводниковыми, так и ферромагнитными свойствами.