Os materiais semicondutores são nominalmente pequenos isoladores de bandas. A propriedade definidora de um material semicondutor é que ele pode ser dopado com impurezas que alteram suas propriedades eletrônicas de maneira controlável.
Por causa de sua aplicação na indústria de computadores e fotovoltaicos – em dispositivos como transistores, lasers e células solares – a busca por novos materiais semicondutores e o aprimoramento de materiais existentes é um importante campo de estudo em ciência de materiais.
Os materiais semicondutores mais usados são os sólidos inorgânicos cristalinos. Estes materiais são classificados de acordo com os grupos de tabelas periódicas de seus átomos constituintes.
Diferentes materiais semicondutores diferem em suas propriedades. Assim, em comparação com o silício, os semicondutores compostos têm vantagens e desvantagens. Por exemplo, o arsenieto de gálio (GaAs) possui seis vezes mais mobilidade de elétrons do que o silício, o que permite uma operação mais rápida; intervalo de bandas mais amplo, que permite a operação de dispositivos de energia em temperaturas mais altas, e proporciona menor ruído térmico a dispositivos de baixa potência em temperatura ambiente; seu gap de banda direto lhe confere propriedades optoeletrônicas mais favoráveis que o gap de bandas indireto de silício; pode ser ligado a composições ternárias e quaternárias, com largura de intervalo de banda ajustável, permitindo a emissão de luz em comprimentos de onda escolhidos e permitindo, por exemplo, a correspondência com comprimentos de onda com menores perdas em fibras ópticas. Os GaAs também podem ser cultivados em uma forma semi-isolante, o que é adequado como um substrato isolante de correspondência de treliça para dispositivos de GaAs. Por outro lado, o silício é robusto, barato e fácil de processar, enquanto o GaAs é frágil e caro, e as camadas de isolamento não podem ser criadas apenas pelo crescimento de uma camada de óxido; O GaAs é, portanto, usado somente quando o silício não é suficiente.
Através da liga de múltiplos compostos, alguns materiais semicondutores são sintonizáveis, por exemplo, na folga da banda ou na constante da rede. O resultado é composições ternárias, quaternárias ou até quinárias. Composições ternárias permitem ajustar o intervalo de bandas dentro do intervalo dos compostos binários envolvidos; no entanto, no caso de combinação de materiais de fenda de banda direta e indireta, existe uma relação onde o intervalo de banda indireta prevalece, limitando a faixa utilizável para optoeletrônica; Por exemplo, os LEDs da AlGaAs são limitados a 660 nm por isso. Constantes de rede dos compostos também tendem a ser diferentes, e a incompatibilidade de rede contra o substrato, dependente da taxa de mistura, causa defeitos em quantidades dependentes da magnitude da incompatibilidade; isso influencia a proporção de recombinações radiativas / não radiativas alcançáveis e determina a eficiência luminosa do dispositivo. Composições quaternárias e superiores permitem ajustar simultaneamente o intervalo de bandas e a constante de rede, permitindo aumentar a eficiência radiante em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda; por exemplo, AlGaInP é usado para LEDs. Materiais transparentes ao comprimento de onda gerado pela luz são vantajosos, pois isso permite a extração mais eficiente de fótons da maior parte do material. Isto é, em materiais tão transparentes, a produção de luz não se limita apenas à superfície. O índice de refração também é dependente da composição e influencia a eficiência de extração de fótons do material.
Tipos de materiais semicondutores
Semicondutores elementares do grupo IV (C, Si, Ge, Sn)
Semicondutores compostos do grupo IV
Semicondutores elementares do grupo VI, (S, Se, Te)
Semicondutores III – V: Cristalizando com alto grau de estequiometria, a maioria pode ser obtida tanto em tipo n quanto em tipo p. Muitos têm alta mobilidade de portadores e lacunas de energia direta, tornando-os úteis para a optoeletrônica.
Semicondutores II-VI: geralmente do tipo p, exceto ZnTe e ZnO, que é do tipo n
Semicondutores I – VII
Semicondutores IV – VI
Semicondutores V – VI
Semicondutores II – V
Semicondutores I-III-VI2
Óxidos
Semicondutores em camadas
Semicondutores magnéticos
Semicondutores orgânicos
Complexos de transferência de carga
Outras
Semicondutores compostos
Um semicondutor composto é um composto semicondutor composto de elementos químicos de pelo menos duas espécies diferentes. Esses semicondutores normalmente formam-se em grupos de tabela periódica 13 a 15 (grupos antigos III-V), por exemplo, elementos do grupo Boro (antigo grupo III, boro, alumínio, gálio, índio) e do grupo 15 (antigo grupo V, nitrogênio). fósforo, arsênico, antimônio, bismuto). O intervalo de fórmulas possíveis é bastante amplo porque esses elementos podem formar binário (dois elementos, por exemplo, arsenieto de gálio (III) (GaAs)), ternário (três elementos, por exemplo, arseneto de índio gálio (InGaAs)) e quaternário (quatro elementos, por exemplo, alumínio ligas de fosforeto de gálio e índio (AlInGaP).
Fabricação
A epitaxia em fase de vapor de metalorgânico (MOVPE) é a tecnologia de deposição mais popular para a formação de filmes finos semicondutores compostos para dispositivos [carece de fontes].Utiliza metalorgicos e / ou hidretos ultrapuros como materiais fonte de precursor num g ambiente como o hidrogio.
Outras técnicas de escolha incluem:
Epitaxia por feixe molecular (MBE)
Epitaxia em fase de vapor de hidreto (HVPE)
Epitaxia em fase líquida (LPE)
Epitaxia com feixe molecular metal-orgânico (MOMBE)
Deposição de camada atômica (ALD)
Tabela de materiais semicondutores
Grupo | Elem. | Material | Fórmula | Banda gap (eV) | Tipo de lacuna | Descrição |
---|---|---|---|---|---|---|
IV | 1 | Diamante | C | 5,47 | indireto | Excelente condutividade térmica. Propriedades mecânicas e ópticas superiores. Fator de qualidade do ressonador nanomecânico extremamente alto. |
IV | 1 | Silício | Si | 1,12 | indireto | Usado em células solares de silício cristalino convencional (c-Si) e em sua forma amorfa como silício amorfo (a-Si) em células solares de película fina.Material semicondutor mais comum em energia fotovoltaica; domina o mercado mundial de PV; fácil de fabricar; boas propriedades elétricas e mecânicas. Forma óxido térmico de alta qualidade para fins de isolamento.Material mais comum usado na fabricação de circuitos integrados. |
IV | 1 | Germânio | Ge | 0,67 | indireto | Usado nos primeiros diodos de detecção de radar e primeiros transistores;requer menor pureza do que o silício. Um substrato para células fotovoltaicas multijuncionais de alta eficiência. Constante de rede muito semelhante ao arsenieto de gálio. Cristais de alta pureza usados para espectroscopia gama.Pode crescer bigodes, que prejudicam a confiabilidade de alguns dispositivos. |
IV | 1 | Estanho cinza, α -Sn | Sn | 0,00,0,08 | indireto | Alótropo de baixa temperatura (treliça cúbica de diamante). |
IV | 2 | Carboneto de silício, 3C-SiC | SiC | 2,3 | indireto | usado para LEDs amarelos precoces |
IV | 2 | Carboneto de silício, 4H-SiC | SiC | 3.3 | indireto | |
IV | 2 | Carboneto de silício, 6H-SiC | SiC | 3,0 | indireto | usado para LEDs azuis precoces |
VI | 1 | Enxofre, α-S | S 8 | 2,6 | ||
VI | 1 | Selênio cinza | Se | 1,74 | indireto | Usado em retificadores de selênio. |
VI | 1 | Selênio vermelho | Se | 2,05 | indireto | |
VI | 1 | Telúrio | Te | 0,33 | ||
III-V | 2 | Nitreto de boro, cúbico | BN | 6,36 | indireto | potencialmente útil para LEDs ultravioleta |
III-V | 2 | Nitreto de boro hexagonal | BN | 5,96 | quase direto | potencialmente útil para LEDs ultravioleta |
III-V | 2 | Nanotubo de nitreto de boro | BN | ~ 5,5 | ||
III-V | 2 | Fosforeto de boro | BP | 2 | indireto | |
III-V | 2 | Arsenieto de boro | BAs | 1,14 | direto | Resistente a danos por radiação, possíveis aplicações em betavoltaics. |
III-V | 2 | Arsenieto de boro | B12como2 | 3,47 | indireto | Resistente a danos por radiação, possíveis aplicações em betavoltaics. |
III-V | 2 | Nitreto de alumínio | AlN | 6,28 | direto | Piezoelétrico. Não usado sozinho como um semicondutor; Al-close GaAlN possivelmente utilizável para LEDs ultravioleta. Emissão ineficiente em 210 nm foi alcançada em AlN. |
III-V | 2 | Fosfeto de alumínio | Alpes | 2,45 | indireto | |
III-V | 2 | Arsenieto de alumínio | AlAs | 2,16 | indireto | |
III-V | 2 | Antimonida de alumínio | AlSb | 1,6 / 2,2 | indireta / direta | |
III-V | 2 | Nitreto de gálio | GaN | 3,44 | direto | problemática ser dopada com o tipo p, dopagem com Mg e recozimento permitiram LEDs azuis de alta eficiência e lasers azuis. Muito sensível ao ESD. Insensível à radiação ionizante, adequado para painéis solares espaciais. Os transistores de GaN podem operar em voltagens mais altas e temperaturas mais altas que os GaAs, usados em amplificadores de potência de microondas. Quando dopado com, por exemplo, manganês, torna-se um semicondutor magnético. |
III-V | 2 | Fosforeto de gálio | GaP | 2,26 | indireto | Usado em LEDs vermelhos / laranja / verdes baratos de baixo a médio brilho.Usado como autônomo ou com GaAsP. Transparente para luz amarela e vermelha, usado como substrato para LEDs vermelhos / amarelos de GaAsP.Dopado com S ou Te para o tipo n, com Zn para o tipo p. O GaP puro emite uma GaP dopada com nitrogênio verde emite amarelo-verde, a GaP dopada com ZnO emite vermelho. |
III-V | 2 | Arsenieto de gálio | GaAs | 1,43 | direto | o segundo mais comum em uso após o silício, comumente usado como substrato para outros semicondutores III-V, por exemplo, InGaAs e GaInNAs.Frágil. Menor mobilidade dos furos do que os transistores CMOS do tipo P, do tipo Si, inviáveis. Alta densidade de impurezas, difícil de fabricar pequenas estruturas. Usado para LEDs de infravermelho próximo, eletrônica rápida e células solares de alta eficiência. Constante de rede muito semelhante ao germânio, pode ser cultivada em substratos de germânio. |
III-V | 2 | Antimoneto de Gálio | GaSb | 0,726 | direto | Usado para detectores de infravermelho e LEDs e termofotovoltaicos.Dopado n com Te, p com Zn. |
III-V | 2 | Nitreto de índio | Pousada | 0,7 | direto | Possível uso em células solares, mas doping tipo-p difícil. Usado frequentemente como ligas. |
III-V | 2 | Fosfeto de índio | InP | 1,35 | direto | Comumente usado como substrato para InGaAs epitaxiais. Velocidade eletrônica superior, usada em aplicações de alta potência e alta frequência.Usado em optoeletrônica. |
III-V | 2 | Arsenieto de índio | InAs | 0,36 | direto | Usado para detectores de infravermelho de 1 a 3,8 µm, resfriado ou não resfriado. Alta mobilidade eletrônica. Os pontos InAs na matriz InGaAs podem servir como pontos quânticos. Pontos quânticos podem ser formados a partir de uma monocamada de InAs em InP ou GaAs. Emissor forte foto-Dember, usado como fonte de radiação terahertz. |
III-V | 2 | Antimoneto de índio | InSb | 0,17 | direto | Usado em detectores de infravermelho e sensores de imagem térmica, alta eficiência quântica, baixa estabilidade, requer resfriamento, usado em sistemas de imagens térmicas militares de longo alcance. AlInSb-InSb-AlInSb estrutura utilizada como poço quântico. Mobilidade eletrônica muito alta, velocidade do elétron e comprimento balístico. Os transistores podem operar abaixo de 0,5 V e acima de 200 GHz. Frequências de Terahertz podem ser alcançadas. |
II-VI | 2 | Seleneto de cádmio | CdSe | 1,74 | direto | Nanopartículas usadas como pontos quânticos. Tipo n intrínseco, difícil de dopar tipo p, mas pode ser dopado com nitrogênio. Possível uso em optoeletrônica. Testado para células solares de alta eficiência. |
II-VI | 2 | Sulfeto de cádmio | CdS | 2,42 | direto | Usado em fotoresistores e células solares; CdS / Cu 2 S foi a primeira célula solar eficiente. Usado em células solares com CdTe. Comum como pontos quânticos. Cristais podem atuar como lasers de estado sólido.Eletroluminescente. Quando dopado, pode atuar como um fósforo. |
II-VI | 2 | Telureto de cádmio | CdTe | 1,49 | direto | Usado em células solares com CdS. Usado em células solares de película fina e outros fotovoltaicos de telureto de cádmio; menos eficiente que o silício cristalino, mas mais barato. Alto efeito eletro-óptico, usado em moduladores eletro-ópticos. Fluorescente a 790 nm. Nanopartículas utilizáveis como pontos quânticos. |
II-VI, óxido | 2 | Óxido de zinco | ZnO | 3,37 | direto | Fotocatalítico. A folga das bandas pode ser ajustada de 3 a 4 eV por liga com óxido de magnésio e óxido de cádmio. Doping tipo-P intrínseco é difícil. A dopagem com alumínio pesado, índio ou gálio produz revestimentos condutores transparentes; ZnO: Al é usado como revestimento transparente em visível e refletivo na região do infravermelho e como filmes condutivos em displays LCD e painéis solares como substituto do óxido de estanho e índio.Resistente a danos por radiação. Possível uso em LEDs e diodos de laser.Possível uso em lasers aleatórios. |
II-VI | 2 | Seleneto de zinco | ZnSe | 2,7 | direto | Usado para lasers e LEDs azuis. Fácil de doping do tipo n, o doping do tipo p é difícil, mas pode ser feito com nitrogênio, por exemplo. Material óptico comum em óptica de infravermelhos. |
II-VI | 2 | Sulfeto de zinco | ZnS | 3,54 / 3,91 | direto | Banda gap 3,54 eV (cúbico), 3,91 (hexagonal). Pode ser dopado tanto no tipo n quanto no tipo p. Cintilador / fósforo comum quando adequadamente dopado. |
II-VI | 2 | Telureto de zinco | ZnTe | 2,25 | direto | Pode ser cultivado em AlSb, GaSb, InAs e PbSe. Usado em células solares, componentes de geradores de microondas, LEDs azuis e lasers. Usado em eletro-ópticos. Juntamente com o niobato de lítio usado para gerar radiação terahertz. |
I-VII | 2 | Cloreto Cuproso | CuCl | 3,4 | direto | |
I-VI | 2 | Sulfeto de cobre | Cu2 S | 1,2 | indireto | tipo-p, Cu 2 S / CdS foi a primeira célula solar de filme fino eficiente |
IV-VI | 2 | Seleneto de chumbo | PbSe | 0,27 | direto | Usado em detectores de infravermelho para geração de imagens térmicas.Nanocristais utilizáveis como pontos quânticos. Bom material termelétrico de alta temperatura. |
IV-VI | 2 | Sulfeto de chumbo (II) | PbS | 0,37 | Galena mineral, primeiro semicondutor em uso prático, usado em detectores de bigode de gato; os detectores são lentos devido à alta constante dielétrica de PbS. Material mais antigo usado em detectores de infravermelho. Na temperatura ambiente pode detectar SWIR, comprimentos de onda mais longos exigem refrigeração. | |
IV-VI | 2 | Telureto de chumbo | PbTe | 0,32 | Baixa condutividade térmica, bom material termelétrico a temperatura elevada para geradores termoelétricos. | |
IV-VI | 2 | Sulfeto de estanho | SnS | 1,3 / 1,0 | direto indireto | O sulfeto de estanho (SnS) é um semicondutor com gap óptico direto de 1,3 eV e coeficiente de absorção acima de 10 4 cm- 1 para energias de fótons acima de 1,3 eV. É um semicondutor do tipo p cujas propriedades elétricas podem ser adaptadas por dopagem e modificação estrutural e emergiu como um dos materiais simples, não tóxicos e acessíveis para células solares de filmes finos desde uma década. |
IV-VI | 2 | Sulfeto de estanho | SnS 2 | 2,2 | O SnS 2 é amplamente utilizado em aplicações de detecção de gás. | |
IV-VI | 2 | Telureto de estanho | SnTe | Estrutura de banda complexa. | ||
IV-VI | 3 | Chumbo telureto de estanho | PbSnTe | Usado em detectores de infravermelho e para geração de imagens térmicas. | ||
IV-VI | 3 | Telureto de estanho | Tl2SnTe5 | |||
IV-VI | 3 | Telureto de germânio e tálio | Tl2GeTe5 | |||
V-VI, em camadas | 2 | Telureto de bismuto | Bi2Te3 | Material termoelétrico eficiente próximo à temperatura ambiente quando ligado com selênio ou antimônio. Semicondutor de camadas estreitas. Alta condutividade elétrica, baixa condutividade térmica. Isolador topológico. | ||
II-V | 2 | Fosfeto de cádmio | Cd3 P2 | |||
II-V | 2 | Arsenieto de cádmio | Cd3As2 | 0,14 | Semicondutor intrínseco do tipo-N. Mobilidade eletrônica muito alta. Usado em detectores de infravermelho, fotodetectores, sensores dinâmicos de película fina e magnetoresistores. Medições recentes sugerem que o 3D Cd 3As 2 é, na verdade, um semimetal de Dirac com faixa zero, no qual os elétrons se comportam relativisticamente como no grafeno. | |
II-V | 2 | Antimonido de cádmio | Cd3Sb2 | |||
II-V | 2 | Fosfeto de zinco | Zn3 P2 | 1,5 | direto | |
II-V | 2 | Arsenieto de zinco | Zn3As2 | |||
II-V | 2 | Antimoneto de zinco | Zn3Sb2 | Usado em detectores de infravermelho e termovisores, transistores e magnetoresistores. | ||
Óxido | 2 | Dióxido de titânio, anatase | TiO 2 | 3,2 | indireto | fotocatalítico, tipo n |
Óxido | 2 | Dióxido de titânio, rutilo | TiO 2 | 3,02 | direto | fotocatalítico, tipo n |
Óxido | 2 | Dióxido de titânio, brookite | TiO 2 | 2,96 | ||
Óxido | 2 | Óxido de cobre (I) | Cu2 O | 2,17 | Um dos semicondutores mais estudados. Muitos aplicativos e efeitos foram demonstrados pela primeira vez com ele. Anteriormente usado em diodos retificadores, antes do silício. | |
Óxido | 2 | Óxido de cobre (II) | CuO | 1,2 | Semicondutor tipo P | |
Óxido | 2 | Dióxido de urânio | UO2 | 1,3 | Alto coeficiente de Seebeck, resistente a altas temperaturas, prometendo aplicações termelétricas e termofotovoltaicas. Anteriormente usado em resistores URDOX, conduzindo a alta temperatura. Resistente a danos por radiação. | |
Óxido | 2 | Trióxido de urânio | UO3 | |||
Óxido | 2 | Trióxido de bismuto | Bi2 O3 | Condutor iônico, aplicações em células de combustível. | ||
Óxido | 2 | Dióxido de estanho | SnO 2 | 3,7 | Semicondutor do tipo n deficiente em oxigênio. Usado em sensores de gás. | |
Óxido | 3 | Titanato de bário | BaTiO 3 | 3 | Ferroelétrico, piezoelétrico. Usado em alguns termovisores não resfriados.Usado em óptica não linear. | |
Óxido | 3 | Titanato de estrôncio | SrTiO 3 | 3.3 | Ferroelétrico, piezoelétrico. Usado em varistores. Condutivo quando dopado com nióbio. | |
Óxido | 3 | Niobato de lítio | LiNbO3 | 4 | Ferroelétrico, piezoelétrico, mostra o efeito Pockels. Ampla utilização em eletro-óptica e fotônica. | |
Óxido | 3 | Óxido de cobre lantânio | La2CuO 4 | 2 | supercondutor quando dopado com bário ou estrôncio | |
Em camadas | 2 | Chumbo (II) iodeto | PbI2 | |||
Em camadas | 2 | Dissulfeto de molibdênio | Mês 2 | 1,23 eV (2H) | indireto | |
Em camadas | 2 | Seleneto de gálio | GaSe | 2,1 | indireto | Fotocondutor. Usa em óptica não linear. |
Em camadas | 2 | Sulfeto de estanho | SnS | |||
Em camadas | 2 | Sulfeto de bismuto | Bi2 S3 | |||
Magnético, diluído (DMS) | 3 | Arsenieto de manganês gálio | GaMnAs | |||
Magnético, diluído (DMS) | 3 | Arsenieto de manganês índio | InMnAs | |||
Magnético, diluído (DMS) | 3 | Telureto de manganês de cádmio | CdMnTe | |||
Magnético, diluído (DMS) | 3 | Telureto de manganês de chumbo | PbMnTe | |||
Magnético | 4 | Manganato de cálcio lantânio | La0,7Ca0,3MnO 3 | magnetorresistência colossal | ||
Magnético | 2 | Óxido de ferro (II) | FeO | antiferromagnético | ||
Magnético | 2 | Óxido de níquel (II) | NiO | 3,6–4,0 | direto | antiferromagnético |
Magnético | 2 | Óxido de európio (II) | EuO | ferromagnético | ||
Magnético | 2 | Sulfeto de európio (II) | EuS | ferromagnético | ||
Magnético | 2 | Brometo de cromo (III) | CrBr3 | |||
de outros | 3 | Seleneto de cobre e índio, CIS | CuNsE 2 | 1 | direto | |
de outros | 3 | Sulfeto de gálio prata | AgGaS 2 | propriedades ópticas não lineares | ||
de outros | 3 | Fosfeto de silício de zinco | ZnSiP2 | |||
de outros | 2 | Arsenic sulfideOrpiment | Como2 S3 | semicondutor em estado cristalino e vítreo | ||
de outros | 2 | Sulfeto de arsênicoRealgar | Como4 S4 | semicondutor em estado cristalino e vítreo | ||
de outros | 2 | Siliceto de platina | PtSi | Usado em detectores de infravermelho por 1 a 5 µm. Usado na astronomia infravermelha. Alta estabilidade, baixa deriva, usada para medições. Baixa eficiência quântica. | ||
de outros | 2 | Iodeto de bismuto (III) | BiI3 | |||
de outros | 2 | Iodeto de mercúrio (II) | HgI2 | Usado em alguns detectores de raios gama e raios-x e sistemas de imagens operando à temperatura ambiente. | ||
de outros | 2 | Brometo de Tálio (I) | TlBr | Usado em alguns detectores de raios gama e raios-x e sistemas de imagens operando à temperatura ambiente. Usado como um sensor de imagem de raio-x em tempo real. | ||
de outros | 2 | Sulfeto de prata | Ag2 S | 0,9 | ||
de outros | 2 | Dissulfeto de ferro | FeS 2 | 0,95 | Pirita Mineral. Usado em detectores de bigodes de gato posteriores, investigados para células solares. | |
de outros | 4 | Sulfeto de cobre de zinco, CZTS | Cu2ZnSnS 4 | 1,49 | direto | O Cu 2 ZnSnS 4 é derivado do CIGS, substituindo o Índio / Gálio por Zinco / Estanho abundante em terra. |
de outros | 4 | Sulfeto de antimônio de cobre e zinco, CZAS | Cu1,18Zn0,40Sb1,90 S7,2 | 2,2 | direto | O cobre sulfato de zinco e antimônio é derivado do sulfeto de cobre e antimônio (CAS), uma classe de composto de famatinita. |
de outros | 3 | Sulfeto de cobre, CTS | Cu2SnS 3 | 0,91 | direto | Cu 2 SnS 3 é semicondutor do tipo p e pode ser usado na aplicação de células solares de filme fino. |