I materiali a semiconduttore sono isolatori a band gap nominalmente piccoli. La proprietà di definizione di un materiale semiconduttore è che può essere drogato con impurità che alterano le sue proprietà elettroniche in modo controllabile.

A causa della loro applicazione nel settore informatico e fotovoltaico, in dispositivi come transistor, laser e celle solari, la ricerca di nuovi materiali semiconduttori e il miglioramento dei materiali esistenti è un importante campo di studio nella scienza dei materiali.

I materiali semiconduttori più comunemente usati sono solidi inorganici cristallini. Questi materiali sono classificati in base ai gruppi di tabelle periodiche dei loro atomi costituenti.

Diversi materiali semiconduttori differiscono nelle loro proprietà. Pertanto, rispetto al silicio, i semiconduttori composti presentano sia vantaggi che svantaggi. Ad esempio, l’arseniuro di gallio (GaAs) ha una mobilità elettronica sei volte superiore rispetto al silicio, il che consente un funzionamento più veloce; gap band più ampio, che consente il funzionamento di dispositivi di potenza a temperature più elevate e offre un rumore termico inferiore ai dispositivi a bassa potenza a temperatura ambiente; il suo band gap diretto conferisce proprietà optoelettroniche più favorevoli rispetto al gap band indiretto del silicio; può essere legato a composizioni ternarie e quaternarie, con larghezza del gap di banda regolabile, consentendo l’emissione di luce a lunghezze d’onda prescelte e consentendo ad esempio l’adattamento a lunghezze d’onda con perdite minime in fibre ottiche.GaAs può anche essere coltivato in una forma semi-isolante, che è adatto come substrato isolante reticolato per dispositivi GaAs. Viceversa, il silicio è robusto, economico e facile da lavorare, mentre il GaAs è fragile e costoso, e gli strati isolanti non possono essere creati semplicemente crescendo uno strato di ossido; GaAs è quindi utilizzato solo dove il silicio non è sufficiente.

Legando più composti, alcuni materiali semiconduttori sono sintonizzabili, ad esempio in banda proibita o costante reticolare. Il risultato sono composizioni ternarie, quaternarie o persino quinarie.Le composizioni ternarie consentono di regolare il gap di banda all’interno del range dei composti binari coinvolti; tuttavia, in caso di combinazione di materiali a banda proibita diretta e indiretta, esiste un rapporto in cui prevale la banda proibita, limitando la gamma utilizzabile per l’optoelettronica; Ad esempio, i LED AlGaAs sono limitati a 660 nm. Anche le costanti del reticolo dei composti tendono ad essere diverse e il disallineamento del reticolo contro il substrato, dipendente dal rapporto di miscelazione, causa difetti nelle quantità che dipendono dalla grandezza del disallineamento; ciò influenza il rapporto tra ricombinazioni radiative / non radiative ottenibili e determina l’efficienza luminosa del dispositivo. Le composizioni quaternarie e superiori consentono di regolare simultaneamente l’intervallo di banda e la costante del reticolo, consentendo di aumentare l’efficienza radiante a una gamma più ampia di lunghezze d’onda; ad esempio AlGaInP viene utilizzato per i LED. I materiali trasparenti alla lunghezza d’onda della luce generata sono vantaggiosi, in quanto ciò consente un’estrazione più efficiente dei fotoni dalla maggior parte del materiale. Cioè, in materiali così trasparenti, la produzione di luce non è limitata alla sola superficie.L’indice di rifrazione dipende anche dalla composizione e influenza l’efficienza di estrazione dei fotoni dal materiale.

Tipi di materiali semiconduttori
Semiconduttori elementali di gruppo IV, (C, Si, Ge, Sn)
Semiconduttori composti del gruppo IV
Semiconduttori elementali di gruppo VI, (S, Se, Te)
Semiconduttori III-V: cristallizzando con un alto grado di stechiometria, la maggior parte può essere ottenuta sia come tipo n che come tipo p. Molti possiedono un’elevata mobilità dei vettori e lacune di energia diretta, rendendoli utili per l’optoelettronica.
Semiconduttori II-VI: di solito di tipo p, eccetto ZnTe e ZnO che è di tipo n
I-VII semiconduttori
Semiconduttori IV-VI
V-VI semiconduttori
II-V semiconduttori
I-III-VI2 semiconduttori
ossidi
Semiconduttori stratificati
Semiconduttori magnetici
Semiconduttori organici
Complessi di trasferimento di carica
Altri

Semiconduttori composti
Un semiconduttore composto è un composto semiconduttore composto da elementi chimici di almeno due specie diverse. Questi semiconduttori si formano tipicamente in gruppi di tavole periodiche 13-15 (vecchi gruppi III-V), ad esempio di elementi del gruppo Boro (vecchio gruppo III, boro, alluminio, gallio, indio) e del gruppo 15 (vecchio gruppo V, azoto , fosforo, arsenico, antimonio, bismuto). La gamma di possibili formule è abbastanza ampia perché questi elementi possono formare binarie (due elementi, ad esempio arseniuro di gallio (III)), ternario (tre elementi, ad esempio arseniuro di gallio indio (InGaAs)) e quaternario (quattro elementi, ad esempio alluminio leghe di gallio indio fosfuro (AlInGaP)).

costruzione
L’epitassia di fase di vapore in metallo (MOVPE) è la tecnologia di deposizione più popolare per la formazione di film sottili semiconduttori composti per dispositivi [citazione necessaria]. Utilizza sostanze organiche e / o idruri metallici ultrapuri come materiali di partenza precursori in un gas ambientale come l’idrogeno.

Altre tecniche di scelta includono:

Epitassia a fascio molecolare (MBE)
Epitassia fase vapore idruro (HVPE)
Epitassia in fase liquida (LPE)
Epitassia a fascio molecolare metallo-organico (MOMBE)
Deposizione di strati atomici (ALD)

Tabella dei materiali semiconduttori

Gruppo	Elem.	Materiale	Formula	Band gap (eV)	Gap type	Descrizione
IV	1	Diamante	C	5.47	indiretto	Eccellente conduttività termica. Proprietà meccaniche e ottiche superiori.Fattore di qualità del risonatore nanomeccanico estremamente alto.
IV	1	Silicio	Si	1.12	indiretto	Utilizzato nelle celle solari convenzionali al silicio cristallino (c-Si) e nella sua forma amorfa come silicio amorfo (a-Si) in celle solari a film sottile. Il materiale semiconduttore più comune nel fotovoltaico; domina il mercato mondiale del fotovoltaico; facile da fabbricare; buone proprietà elettriche e meccaniche.Forma l’ossido termico di alta qualità per l’isolamento. Materiale più comune utilizzato nella fabbricazione di circuiti integrati.
IV	1	Germanio	Ge	0.67	indiretto	Utilizzato nei primi diodi di rilevamento radar e nei primi transistor; richiede purezza inferiore rispetto al silicio. Un substrato per celle fotovoltaiche multigiunzione ad alta efficienza. Reticolo molto simile costante all’arseniuro di gallio. Cristalli di elevata purezza utilizzati per la spettroscopia gamma. Può crescere i baffi, che compromettono l’affidabilità di alcuni dispositivi.
IV	1	Latta grigia, α -Sn	Sn	0.00, 0,08	indiretto	Allotropo a bassa temperatura (reticolo cubico di diamante).
IV	2	Carburo di silicio, 3C-SiC	SiC	2.3	indiretto	utilizzato per primi LED gialli
IV	2	Carburo di silicio, 4H-SiC	SiC	3.3	indiretto
IV	2	Carburo di silicio, 6H-SiC	SiC	3.0	indiretto	utilizzato per i primi LED blu
VI	1	Zolfo, α -S	S 8	2.6
VI	1	Selenio grigio	Se	1.74	indiretto	Utilizzato nei raddrizzatori di selenio.
VI	1	Selenio rosso	Se	2.05	indiretto
VI	1	Tellurio	Te	0,33
III-V	2	Nitruro di boro, cubico	BN	6.36	indiretto	potenzialmente utile per i LED ultravioletti
III-V	2	Nitruro di boro esagonale	BN	5.96	semidiretto	potenzialmente utile per i LED ultravioletti
III-V	2	Nanotubi di nitruro di boro	BN	~ 5.5
III-V	2	Fosfuro di boro	BP	2	indiretto
III-V	2	Arsenide di boro	BAs	1.14	diretto	Resistente ai danni da radiazioni, possibili applicazioni in betavoltaics.
III-V	2	Arsenide di boro	B12come2	3.47	indiretto	Resistente ai danni da radiazioni, possibili applicazioni in betavoltaics.
III-V	2	Nitruro di alluminio	AIN	6.28	diretto	Piezoelettrico. Non utilizzato da solo come semiconduttore; GaAlN AlN-close eventualmente utilizzabile per i LED ultravioletti. L’emissione inefficiente a 210 nm è stata raggiunta su AlN.
III-V	2	Fosfuro di alluminio	AlP	2.45	indiretto
III-V	2	Arsenide di alluminio	AlAs	2.16	indiretto
III-V	2	Alluminio antimonio	AlSb	1.6 / 2.2	indiretta / diretta
III-V	2	Nitruro di gallio	GaN	3.44	diretto	problematico da drogare in p-type, p-doping con Mg e ricottura consentita dai primi LED blu ad alta efficienza e laser blu. Molto sensibile all’ESS. Insensibile alle radiazioni ionizzanti, adatto per i pannelli solari di veicoli spaziali. I transistor GaN possono funzionare a tensioni più elevate e temperature più elevate rispetto ai GaAs, utilizzati negli amplificatori di potenza a microonde.Se drogato con ad es. Manganese, diventa un semiconduttore magnetico.
III-V	2	Fosfuro di gallio	GaP	2.26	indiretto	Utilizzato nelle prime versioni a bassa / media luminosità LED rossi / arancioni / verdi. Usato standalone o con GaAsP. Trasparente per luce gialla e rossa, utilizzato come supporto per LED rosso / giallo GaAsP. Doped con S o Te per n-type, con Zn per p-type. GaP puro emette verde, GaP drogato con azoto emette giallo-verde, GaP drogato con ZnO emette rosso.
III-V	2	Arseniuro di gallio	GaAs	1.43	diretto	la seconda più comune in uso dopo il silicio, comunemente usata come substrato per altri semiconduttori III-V, ad esempio InGaAs e GaInNAs. Fragile.La mobilità del foro inferiore rispetto ai transistori CMOS Si, di tipo P, non è fattibile. Elevata densità di impurità, difficile da fabbricare piccole strutture.Utilizzato per LED near-IR, elettronica veloce e celle solari ad alta efficienza.Un reticolo molto simile, costante al germanio, può essere coltivato su substrati di germanio.
III-V	2	Gallio antimonide	GaSb	0,726	diretto	Utilizzato per rivelatori a infrarossi e LED e termofotovoltaici. Doped n con Te, p con Zn.
III-V	2	Nitruro di indio	Locanda	0.7	diretto	Possibile uso nelle celle solari, ma il doping di tipo p è difficile. Usato frequentemente come leghe.
III-V	2	Fosfuro di indio	InP	1.35	diretto	Comunemente usato come substrato per InGaAs epitassiali. Velocità di elettroni superiore, utilizzata in applicazioni ad alta potenza e ad alta frequenza. Utilizzato in optoelettronica.
III-V	2	Arsenide di indio	InAs	0,36	diretto	Utilizzato per i rivelatori a infrarossi per 1-3,8 μm, raffreddato o non raffreddato.Elevata mobilità degli elettroni. I punti InAs nella matrice InGaAs possono servire come punti quantici. I punti quantici possono essere formati da un monostrato di InAs su InP o GaAs. Forte emettitore foto-Dember, utilizzato come sorgente di radiazioni terahertz.
III-V	2	Indio antimonide	InSb	0,17	diretto	Utilizzato in rivelatori a infrarossi e sensori di immagini termiche, alta efficienza quantica, bassa stabilità, richiede raffreddamento, utilizzato nei sistemi di termocamere a lungo raggio militari. Struttura AlInSb-InSb-AlInSb utilizzata come pozzo quantico. Mobilità elettronica molto elevata, velocità degli elettroni e lunghezza balistica. I transistor possono operare al di sotto di 0,5 V e oltre 200 GHz. Le frequenze di Terahertz possono essere ottenute.
II-VI	2	Cadenio selenide	CdSe	1.74	diretto	Nanoparticelle usate come punti quantici. Tipo intrinseco di tipo n, difficile da drogare di tipo p, ma può essere drogato di tipo p con azoto. Possibile utilizzo in optoelettronica. Testato per celle solari ad alta efficienza.
II-VI	2	Solfuro di cadmio	CdS	2.42	diretto	Utilizzato in fotoresistenze e celle solari; CdS / Cu 2 S è stata la prima cella solare efficiente. Utilizzato nelle celle solari con CdTe. Comune come punti quantici. I cristalli possono agire come laser a stato solido.Elettroluminescente. Quando drogato, può agire come un fosforo.
II-VI	2	Tellururo di cadmio	CdTe	1.49	diretto	Utilizzato nelle celle solari con CdS. Utilizzato in celle solari a film sottile e altri fotovoltaici di tellururo di cadmio; meno efficiente del silicio cristallino ma più economico. Elevato effetto elettro-ottico, utilizzato nei modulatori elettro-ottici.Fluorescente a 790 nm. Nanoparticelle utilizzabili come punti quantici.
II-VI, ossido	2	Ossido di zinco	ZnO	3.37	diretto	Fotocatalitico. Il band gap è sintonizzabile da 3 a 4 eV legando con ossido di magnesio e ossido di cadmio. Il doping di tipo p intrinseco di tipo n è difficile. Il drogaggio pesante di alluminio, indio o gallio produce rivestimenti conduttivi trasparenti; ZnO: Al è usato come rivestimento per finestre trasparente in visibile e riflettente nella regione dell’infrarosso e come film conduttivo in display LCD e pannelli solari come sostituzione di ossido di indio-stagno.Resistente ai danni da radiazioni. Possibile utilizzo in LED e diodi laser.Possibile uso in laser casuali.
II-VI	2	Selenide di zinco	ZnSe	2.7	diretto	Utilizzato per laser e LED blu. Il drogaggio di tipo “easy to n”, il doping di tipo p è difficile ma può essere fatto con l’azoto. Materiale ottico comune nell’ottica a infrarossi.
II-VI	2	Zinco solfuro	ZnS	3.54 / 3.91	diretto	Larghezza di banda 3,54 eV (cubica), 3,91 (esagonale). Può essere drogato sia di tipo n che di tipo p. Scintillatore / fosforo comune quando opportunamente drogato.
II-VI	2	Zinco tellururo	ZnTe	2.25	diretto	Può essere coltivato su AlSb, GaSb, InAs e PbSe. Utilizzato nelle celle solari, componenti di generatori a microonde, LED blu e laser. Utilizzato in elettroottica. Insieme al niobato di litio utilizzato per generare radiazione terahertz.
I-VII	2	Cloruro rameoso	CuCl	3.4	diretto
I-VI	2	Solfuro di rame	Cu2 S	1.2	indiretto	di tipo p, Cu 2 S / CdS è stata la prima efficiente cella solare a film sottile
IV-VI	2	Piombo selenide	PbSe	0,27	diretto	Utilizzato nei rivelatori a infrarossi per la termografia. Nanocristalli utilizzabili come punti quantici. Buon materiale termoelettrico ad alta temperatura.
IV-VI	2	Solfuro di piombo (II)	PbS	0.37		Galena minerale, primo semiconduttore nell’uso pratico, utilizzato nei rilevatori a basette di gatto; i rivelatori sono lenti a causa dell’elevata costante dielettrica di PbS. Il materiale più antico utilizzato nei rivelatori a infrarossi. A temperatura ambiente può rilevare SWIR, le lunghezze d’onda più lunghe richiedono il raffreddamento.
IV-VI	2	Lead telluride	PbTe	0,32		Bassa conducibilità termica, buon materiale termoelettrico a temperatura elevata per i generatori termoelettrici.
IV-VI	2	Solfuro di stagno	SnS	1.3 / 1.0	diretto indiretto	Il solfuro di stagno (SnS) è un semiconduttore con gap di banda ottico diretto di 1,3 eV e coefficiente di assorbimento superiore a 10 4 cm -1 per energie fotoniche superiori a 1,3 eV. È un semiconduttore di tipo p le cui proprietà elettriche possono essere adattate dal drogaggio e dalle modifiche strutturali ed è emerso come uno dei materiali semplici, non tossici e convenienti per le celle solari a film sottile da un decennio.
IV-VI	2	Solfuro di stagno	SnS 2	2.2		SnS 2 è ampiamente utilizzato nelle applicazioni di rilevamento del gas.
IV-VI	2	Tellururo di stagno	SnTe			Struttura a banda complessa.
IV-VI	3	Piombo tellururo di stagno	PbSnTe			Utilizzato nei rivelatori a infrarossi e per la termografia.
IV-VI	3	Tellururo di tallio	Tl 2SnTe5
IV-VI	3	Tellururo di germanio di tallio	Tl 2GeTe5
V-VI, a strati	2	Tellururo di bismuto	Bi2Te3			Materiale termoelettrico efficiente vicino alla temperatura ambiente quando legato con selenio o antimonio. Semiconduttore a strati stretti. Alta conduttività elettrica, bassa conduttività termica. Isolante topologico
II-V	2	Fosfuro di cadmio	Cd3 P2
II-V	2	Arsenide di cadmio	Cd3come2	0.14		Semiconduttore intrinseco di tipo N. Mobilità di elettroni molto elevata.Utilizzato in rivelatori a infrarossi, fotorivelatori, sensori dinamici a pressione a film sottile e magnetoresistori. Misurazioni recenti suggeriscono che 3D Cd 3As 2 sia effettivamente un semimetallico Dirac a banda zero zero in cui gli elettroni si comportano relativisticamente come nel grafene.
II-V	2	Cadmio antimonide	Cd3Sb2
II-V	2	Fosfuro di zinco	Zn3 P2	1.5	diretto
II-V	2	Zinco-arsenico	Zn3come2
II-V	2	Zinco antimonide	Zn3Sb2			Utilizzato in rivelatori a infrarossi e termocamere, transistor e magnetoresistori.
Ossido	2	Diossido di titanio, anatasio	TiO2	3.2	indiretto	fotocatalitico, tipo n
Ossido	2	Diossido di titanio, rutilo	TiO2	3.02	diretto	fotocatalitico, tipo n
Ossido	2	Diossido di titanio, brookite	TiO2	2.96
Ossido	2	Ossido di rame (I)	Cu2 O	2.17		Uno dei semiconduttori più studiati. Molte applicazioni ed effetti hanno inizialmente dimostrato con esso. Precedentemente utilizzato nei diodi raddrizzatori, prima del silicio.
Ossido	2	Ossido di rame (II)	CuO	1.2		Semiconduttore di tipo P
Ossido	2	Uranio diossido	UO2	1.3		Alto coefficiente Seebeck, resistente alle alte temperature, promettenti applicazioni termoelettriche e termofotovoltaiche. Precedentemente utilizzato nei resistori URDOX, conduttore ad alta temperatura. Resistente ai danni da radiazioni.
Ossido	2	Triossido di uranio	UO3
Ossido	2	Triossido di bismuto	Bi2 O3			Conduttore ionico, applicazioni nelle celle a combustibile.
Ossido	2	Diossido di stagno	SnO 2	3.7		Semiconduttore di tipo n privo di ossigeno. Utilizzato nei sensori di gas.
Ossido	3	Titanato di bario	BaTiO3	3		Ferroelettrico, piezoelettrico. Utilizzato in alcune termocamere non raffreddate.Utilizzato in ottica non lineare.
Ossido	3	Titanato di stronzio	SrTiO3	3.3		Ferroelettrico, piezoelettrico. Utilizzato nei varistori. Conduttivo quando drogato con niobio.
Ossido	3	Niobato di litio	LiNbO3	4		Ferroelettrico, piezoelettrico, mostra l’effetto Pockels. Usi estesi in elettroottica e fotonica.
Ossido	3	Ossido di rame lantanio	La2CuO 4	2		superconduttivo se drogato con bario o stronzio
Layered	2	Ioduro di piombo (II)	PbI2
Layered	2	Disolfuro di molibdeno	MoS 2	1,23 eV (2H)	indiretto
Layered	2	Galeno Selenide	GaSe	2.1	indiretto	Fotoconduttore. Utilizza in ottica non lineare.
Layered	2	Solfuro di stagno	SnS
Layered	2	Solfuro di bismuto	Bi2 S3
Magnetico, diluito (DMS)	3	Arsenuro di manganese di gallio	GaMnAs
Magnetico, diluito (DMS)	3	Arsenide di manganese indio	InMnAs
Magnetico, diluito (DMS)	3	Tellururo di manganese di cadmio	CdMnTe
Magnetico, diluito (DMS)	3	Piombo tellururo di manganese	PbMnTe
Magnetico	4	Manganato di calcio di lantanio	La0.7Ca0.3MnO 3			magnetoresistenza colossale
Magnetico	2	Ossido di ferro (II)	FeO			antiferromagnetico
Magnetico	2	Ossido di nichel (II)	NiO	3,6-4,0	diretto	antiferromagnetico
Magnetico	2	Ossido di europio (II)	euo			ferromagnetico
Magnetico	2	Solfuro di europio (II)	EuS			ferromagnetico
Magnetico	2	Bromuro di cromo (III)	CrBr3
altro	3	Rame seleniuro di indio, CSI	CuInso2	1	diretto
altro	3	Argento al solfuro di gallio	AgGaS 2			proprietà ottiche non lineari
altro	3	Fosfuro di silicio di zinco	ZnSiP2
altro	2	Arsenico solforatoOrpimento	Come2 S3			semiconduttivo sia nello stato cristallino che vetroso
altro	2	Arsenico solforatoRealgar	Come4 S4			semiconduttivo sia nello stato cristallino che vetroso
altro	2	Silicio di platino	PtSi			Utilizzato nei rilevatori a infrarossi per 1-5 μm. Utilizzato nell’astronomia a infrarossi. Elevata stabilità, bassa deriva, utilizzata per le misurazioni. Bassa efficienza quantica.
altro	2	Ioduro di bismuto (III)	BiI3
altro	2	Ioduro di mercurio (II)	HgI2			Utilizzato in alcuni rivelatori di raggi gamma e raggi X e sistemi di imaging funzionanti a temperatura ambiente.
altro	2	Tallio (I) bromuro	TlBr			Utilizzato in alcuni rivelatori di raggi gamma e raggi X e sistemi di imaging funzionanti a temperatura ambiente. Utilizzato come sensore di immagini a raggi X in tempo reale.
altro	2	Solfuro d’argento	Ag2 S	0.9
altro	2	Disolfuro di ferro	FeS 2	0.95		Pirite minerale Utilizzato in rivelatori a baffi più tardi del gatto, studiato per le celle solari.
altro	4	Zinco rame stagno solfuro, CZTS	Cu2ZnSnS 4	1.49	diretto	Cu 2 ZnSnS 4 deriva da CIGS, sostituendo l’indio / gallio con terra abbondante di zinco / stagno.
altro	4	Solfuro di zinco antimonio di rame, CZAS	Cu1.18Zn0.40Sb1.90 S7.2	2.2	diretto	Il solfuro di antimonio di rame e zinco è derivato dal solfuro di antimonio di rame (CAS), una classe di composto di famatinite.
altro	3	Stagno di rame solfuro, CTS	Cu2SnS 3	0.91	diretto	Cu 2 SnS 3 è un semiconduttore di tipo p e può essere utilizzato in applicazioni di celle solari a film sottile.