C1 seminar

- miniaturizare- lucrul la frecvente ridicate- functionarea in conditii variate- etc.

Ge: E = 0.7 eV 60 – 80 oC; mareSi: E = 1.12 eV 200 – 210 oC; mic

puritate: max 10-14 %

Dopingcm-3

ElectronMobility

(cm2 /Vsec)

1014 1500

1015 1500

1016 1400

1017 1200

1018 800

1019 200

1020 90

numarul materialelor semiconductoare este de ordinul sutelor!!!!Calsificare cantitativa si calitativa

Conductoare: 104 – 106 -1cm-1

Semiconductori: 10-10 – 104 -1cm-1

Izolatoare: 10-20 – 10-10 -1cm-1

(T) = 0(1+T); >0

(T) = 0exp(b/T);

fotoconductia!!!

RETEAUA CRISTALINA:

Vectori de translatie :

n1, n2 şi n3 fiind numere întregi arbitrare.

Celula elementară pentru o reţea tridimensională.

Caracteristicile reţelelor tridimensionale (spaţiale).

Paralelipipedul figurat cu linii continue reprezină celula elementară

(paralelipipedul vectorilor de bază).

A21

b

OA0 A2A1 x

A02

a

y

z

A001

A002

A01c

A11

A12

c

b

a

y

x

z

Tabelul 1.

Nr crt Sistemul

Nr. reţe-lelor din sis-tem

Relaţii între

mărimile vectorilor de bază

Unghiurile dintre vectorii de bază

Tipul reţelei spaţiale

Notaţii

1. Cubic 3 a = b = c = =

= 90o

Cubică simplă (P)

CS

Cubică cu feţe centrate (F)

CFC(c.f.c.)

Cubică cu volum centrat

(I)

CVC(c.v.c.)

2. Tetragonal 2 a = b c = =

= 90o

Tetragonală simplă (P)

TS

Tetragonală cu volum centrat (I)

TVC

3.Rombic

(ortorombic, ortogonal)

4 a b c = =

= 90o

Rombică simplă (P)

Rombică cu baze centrateRombică cu feţe centrate

(F)Rombică cu

volum centrat (I)

4.Romboedric

(trigonal)1 a = b = c

= = 90o

Romboedrică simplă (P)

5. Monoclinic 2 a b c = = 90o

Monoclinică simplă (P)

Monoclinică cu baze centrate

6. Triclinic 1 a b c 90o

Triclinică simplă (P)

7. Hexagonal 1a1 = a2 = a3

c

1 = 2 = 3 = 90o

1 = 2 = 3 = 120o

Hexagonală simplă (P)

H

SISTEMULCUBIC

SISTEMUL TETRAGONAL

SISTEMUL ROMBIC

SISTEMUL ROMBOEDRIC

SISTEMUL MONOCLINIC

SISTEMUL TRICLINIC

SISTEMUL HEXAGOLNAL

RETEAUA RECIPROCA

;

Prima zonă Brillouin pentru reţelele reciproce cubice

cu volum centrat (a) şi cubică cu feţe centrate (b). În cazul reţelei cubice cu feţe centrate un anumit nod

este înconjurat de 12 noduri vecine de ordinul întâi

(b)(a)

Celula primitivă Wigner-Zeitz în reţeaua reciprocă de tip CVC. Sunt indicate punctele şi liniile de simetrie:

(0,0,0) – centrul zonei

L - limita zonei după direcţia (axele

<111>)X (0,0,1) – limita zonei după direcţia (axele <100>

K - limita zonei după direcţia (axele

Clasificare dupa compoziţia chimică a materialelor semiconductoare:

- elemente semiconductoare (semiconductori elementari);

- compuşi semiconductori, care, după numărul componentelor, pot fi binari (cu două

componente), ternari (cu trei componente), cuaternari etc;

- aliaje semiconductoare;

- semiconductori oxidici;

- semiconductori feromagnetici;

- semiconductori feroelectrici (seignettoelectrici);

- semiconductori refractari;

- semiconductori sticloşi (cu structură sticloasă sau sticle semiconductoare);

- semiconductori organici.

mai putem menţiona semiconductorii necristalini (amorfi) şi semiconductorii în stare lichidă.

1. Elemente semiconductoare (semiconductori elementali, semiconductori atomici)

GrupaPerioada

III IV V VI VII VIII

Structura cristalină a diamantului. Se poate observa caracterul

tetraedric al legăturilor.

Structura cristalină de tip blendă (de zinc)

Structura cristalină de tip würtzit.

Aranjamentul atomic în structura de tip würtzit (a)

şi în structura de tip blendă de zinc (b).

Structura cristalină a seleniului şi telurului.

II 5B 6C N O F Ne

III Al 14Si 15P 16S Cl Ar

IV Ga 32Ge 33As 34Se Br Kr

V In 50Sn 51Sb 52Te 53I Xe

VI Tl Pb 83Bi Po At Rn

a. Din grupa a III-a a sistemului periodic, borul are unele proprietăţi semiconductoare.

b – Grupa a IV-a include elementele semiconductoare tipice: carbon (cu cele două

modificaţii: diamant şi grafit), siliciu, germaniu şi staniu.

- structură de tip diamant,

- legătură chimică covalentă formată după hibridizarea de tip sp3 a atomilor. Unghiul dintre

legături este de 109o28’ (Fig. 2.4).

Configuraţia tetraedrică a atomilor de carbon în structura de tip diamant.

Tabelul 2.2. Elementele semiconductoare din grupa a IV-a care posedă structură cristalină de tip diamant.

Elementul SimbolulRaza

covalentă (Ǻ)Parametrul reţelei (Ǻ)

Distanţa interatomică (Ǻ)

Diamant C 0,77 3,5598 1,542Siliciu Si 1,17 5,434 2,35 Germaniu Ge 1,22 5,657 2,446Staniu (gri) -Sn 1,40 6,46 2,8

Carbonul două modificaţii alotropice, diamantul şi grafitul, ambele fiind incluse în

categoria materialelor semiconductoare.

Grafitul Structura cristalină este hexagonală, parametrii reţelei fiind:

a = 2,462 Å şi c = 6,701 Å.

- plane (straturi) paralele formate din hexagoane regulate, în vârfurile cărora se găsesc

5

4

3

1

2

a/2

= 109o28’

atomi de carbon.

- proprietăţi fizice puternic anizotrope. (conductivitatea electrică măsurată într-o direcţie

paralelă cu staturile de atomi de carbon este aproape de o mie de ori mai mare decât

cea măsurată într-o direcţie perpendiculară pe aceste straturi).

Fig. 2.5. Structura cristalină a grafitului: (a) – grafit normal; (b) - modificarea romboedrică a grafitului (cu trei straturi).

Siliciul 27,6% din masa scoarţei Pământului.

se găseşte sub forma unor compuşi (bioxid de siliciu, silicaţi etc.).

structură de tip diamant

latura cubului fiind a = 5,434 Å

punctul de topire a siliciului cristalin este de 1423oC.

Germaniul (1885 de către C.A. Winkler)

structură de tip diamant

latura cubului fiind a = 5,657 Å

punctul de topire a siliciului cristalin este de 959oC.

Staniu

- trei modificaţii alotropice. Staniu- (-Sn) sau staniul gri (cenuşiu) cristalizează într-o reţea

de tip diamant, fiind stabil până la o temperatură de 13,2oC. La această temperatură, staniu-

se transformă în staniu metalic, numit şi staniu alb sau -Sn, care are o structură cristalină

tetragonală (parametrii reţelei sunt a = 5,831 Å şi c = 3,176 Å).

- Modificaţia -Sn (staniul gri) are caracteristici semiconductoare

(a) (b)

(c)

(c)

(a) (a)

c – Unele elementele din grupa a V-a a Sistemului periodic al elementelor (fosfor,

arsen, stibiu, bismut) au caracteristici semiconductoare.

Fosforul

Fosforul are trei modificaţii alotropice mai importante: fosforul „alb”, fosforul „roşu” şi

fosforul „negru”.

- Structură cristalină rombică (ortogonal), parametrii celulei elementare având valorile: a =

3,31 Ǻ; b = 4,38 Ǻ; c = 10,50 Ǻ.

- structură este stratificată, distanţa dintre straturi fiind de 3,68 Ǻ, iar între atomii de fosfor

dintr-un strat distanţa este de 2,18 Ǻ.

Fig. 2.7. Structura cristalină a fosforului „negru”.

Arseniul - mai multe modificaţii alotropice.

Fig. 2.8. Structura cristalină a arseniului „gri” (-As). O structură similară au Sb şi Bi.

Stibiul (antimoniul)

- o singură formă de structură cristalină şi mai multe faze amorfe (stibiu „galben” şi stibiu

„negru”).

- faza cristalină romboedrică (cu parametrii a = 4,5064 Ǻ şi = 57,1o) asemănătoare cu

structura cristalelor de arsen).

Bismutul

reţea romboedrică (a = 4,7458 Ǻ, = 57o14’13’’) (Fig. 2.8).

- elementele semiconductoare din grupa a V-a nu au aplicaţii semnificative

- componente a unui număr foarte mare de compuşi semiconductori.

d – Din grupa a VI-a a sistemului periodic: sulful, seleniul şi telurul.

Aceste trei elemente, precum şi compuşilor binari ai acestora, de tipul sulfuri, seleniuri,

telururi se numesc de regulă, calcogenuri (calcogeni sau semiconductori calcogeni ).

Sulful,

- număr mare de modificaţii cristaline şi amorfe.

- structura rombică (-sulf, -S) (Fig. 2.9).

- structura monoclinică (-sulf, -S).

Fig. 2.9. Structura cristalină a sulfului romboedric (-sulf). Se observă prezenţa unor „inele” formate din câte şase atomi de sulf.

Seleniul

- caracteristici semiconductoare tipice.

- mai multe modificaţii alotropice ale seleniului.

- se topeşte la 217oC.

- Structura hexagonală este cea mai importantă din punct de vedere a proprietăţilor

semiconductoare.

Telurul.

Punctul de topire este 449,8OC.

Structura cristalină a seleniului şi telurului.(a) – celula elementară a structurii;

(b) – proiecţiile atomilor din catene pe un plan paralel cu baza prismei hexagonale.

e – Iodul,

- sistemul rombic (parametrii reţelei: a = 7,250 Ǻ, b = 9,772 Ǻ, c = 4,774 Ǻ).

- cristalele de iod se topesc la 113,5oC

conductivitate electrică mică ( = 1,7.10–7 –1cm–1 la 25oC)

2. Compuşii semiconductori

- compuşi cu două componente (compuşi binari),

- cu trei componente (compuşi ternari),

- cu patru componente (cuaternari) ş.a.m.d.

Compuşi semiconductori binari

Legătura cristalină în aceşti compuşi este mixtă: ionică şi covalentă.

a. Compuşi de tipul AIIIBV

Tabelul 2.2

Formula chimică

Denumirea compusului

Tipul reţelei

Parametrii reţelei

(Ǻ)

Temperatura

de topire(oC)

Distanţa dintre doi atomi vecini

A şi B (Ǻ)

BNnitrid (nitrură)

de borblendă

a = 2,504c = 3,65

3000 1,58

BP fosfid de bor blendă a = 4,533 2500 1,97BAs arsenid de blendă a = 4,7586 2000 2,06

BSbantimonid

(antimoniură) de bor

blendă a = 5,1744 –– 2,24

AlNnitrid (nitrură) de aluminiu

würtzit a = 4,5276 2200 1,96

AlPfosfid de aluminiu

blendă a = 5,4516 > 1800 2,36

AlAsarsenid de aluminiu

blendă a = 5,62 > 1700 2,43

AlSbantimonid

(antimoniură) de aluminiu

blendă a = 6,13 1065 2,66

GaNnitrid (nitrură)

de galiuwürtzit a = –– 1300 1,96

GaPfosfid de

galiublendă a = 5,45 1550 2,36

GaAs arsenid de blendă a = 5,64 1237 2,44

GaSbantimonid

(antimoniură) de galiu

blendă a = 6,09 703 2,64

InNnitrid (nitrură)

de indiuwürtzit a = 4,9434 1200 2,14

InP fosfid de indiu blendă a = 5,86 1058 2,54

InAsarsenid de

indiublendă a = 6,05 943 2,62

InSb antimonid (antimoniură)

blendă a = 6,64 525 2,80

Grupa, din sistemul periodic, din care face parte componentul respectiv

AIIBVIAIIIBVA2IIIB3

VIAlte notaţiiII-VI2-6III-V

3-5CdSAlSbIn2Se3ZnSInSbIn2Te3ExempleCdSe

GaSbGa2Se3ZnSeGaAsGa2Te3

Numărul de atomi din element în compus

de indiu

b – Compuşi semiconductori de tipul AIIBVI

SimbolDenumirea compusului

Valorile parametrilor celulei elementare

Distanţa interatomică

în configuraţie tetraedrică

(Ǻ)

Temperatura de topire

(OC)

blendă de zinc

würtzit

a (Ǻ) a (Ǻ) c (Ǻ)

-ZnS sulfură de zinc 5,4145 – –2,34 1830- ZnS sulfură de zinc – 3,8230 3,8230

-ZnSe seleniură de zinc 5,653 – –2,45 1515-ZnSe seleniură de zinc – 3,9966 6,652

-CdS sulfură de cadmiu – 4,1348 6,74902,52 1750-CdS sulfură de cadmiu 5,832 – –

-CdSeseleniură de cadmiu

– 4,1348 6,7490

2,62 1258-CdSe

seleniură de cadmiu

6,05 – –

-ZnTe telurură de zinc 6,101 – –2,64 1295-ZnTe telurură de zinc – 4,27 6,99

-CdTe telurură de cadmiu 6,4822 – –2,80 1098-CdTe telurură de cadmiu 4,57 7,47

HgS sulfură de mercur 5,8410 – – 2,53 1450

HgSeseleniură de mercur

6,084 – – 2,63 800

HgTe telurură de mercur 6,423 – – 2,80 670

Compuşii de tipul AIVBVI

Formula chimică


Tipul reţelei

Parametrii reţelei (Ǻ)


(oC)

GeS Sulfură de germaniu ortorombicăa = 4,301b = 3,649c = 10,45

665

GeSe Seleniură de germaniu ortorombicăa = 4,403b = 3,852c = 10,82

670

GeTe Telurură de germaniu NaCl a = 5,98 725

SnS Sulfură de staniu ortorombicăa = 4,349b = 3,988c = 11,202

881

SnSe Seleniură de staniu ortorombicăa = 4,46b = 4,19c = 11,57

860

SnTe Telurură de staniu NaCl a = 6,352 806PbS Sulfură de plumb NaCl a = 5,936 1119

PbSe Seleniură de plumb NaCl a = 6,15 1076PbTe Telurură de plumb NaCl a = 6,46 917

Compuşii de tipul şi

Tabelul 1.30

Formula chimică


Tipul reţeleiParametrii reţelei (Ǻ)


(oC)

Al2S3 sulfură de aluminiuhexagonală

(würtzit)a = 3,579c = 5,829

1100

Al2Se3 seleniură de aluminiuhexagonală

(würtzit)a = 3,89c = 6,3

980

Al2Te3 telurură de aluminiuhexagonală

(würtzit)a = c =

895

Ga2S3 sulfură de galiuhexagonală

(würtzit)a = c =

1125

Ga2Se3 seleniură de galiucubică

(blendă de zinc)a = 5,429 747

Ga2Te3 telurură de galiucubică


In2S3 sulfură de indiucubică

(blendă de zinc)a = 1090

In2Se3 seleniură de indiuhexagonală

(würtzit)a = 7,14c = 19,38

660

In2Te3 telurură de indiucubică


Compuşi de tipul

Formula chimică




(oC)

Se2S3 sulfură de arsenmonoclinică

(auripigment)

a = 11,46b = 9,57c = 4,22 = 99o

325

Se2Se3 seleniură de arsenmonoclinică

(auripigment)

a = b = c =

360

Se2Te3 telurură de arsenmonoclinică

(auripigment)

a = 14,339b = 9,873c = 4,006 = 95o

362

Sb2S3 sulfură de stibiuortorombică

(stibnit)

a = 11,20b = 11,28c = 3,83

546

Sb2Se3 seleniură de stibiuortorombică

(stibnit)

a = 11,62b = 11,77c = 3,962

612

Sb2Te3 telurură de galiu romboedrică a = 621

(tetradimit)b = c =

Bi2S3 sulfură de bismutortorombică

(stibnit)

a = b = c =

750

Bi2Se3

seleniură de bismutromboedrică(tetradimit)

a = b = c =

706

Bi2Te3

telurură de bismutromboedrică(tetradimit)

a = b = c =

585

Compuşi de tipul AIIBV

patru clase importante de compuşi: AIIBV, , şi .

Formula chimică




(oC)Zn3P2 fosfid de zinc tetragonală 1180ZnP2 difosfid de zinc (negru) monoclinicăZnP2 difosfid de zinc (roşu) tetragonalăCd3P2 difosfid de cadmiu tetragonală 739

CdP2difosfid de cadmiu

(modificaţia )ortorombică

a = 5,28c = 17,70

CdP4 tetrafosfid de cadmiua = b = c =

Zn3As2 diarsenid de zinc tetragonalăa = b = c =

1015

ZnAs2 diarsenid de zinc monoclinică

a = 9,13b = 7,72c = 7,79 = 102o12’

771

Cd3As2 diarsenid de cadmiu tetragonalăa = b = c =

721

CdAs2 diarsenid de cadmiu tetragonală 621ZnSb antimonid de zinc rombică 546

Zn4Sb3 triantimonid de zinc monoclinică 563Zn3Sb2 diantimonid de zinc monoclinică 566CdSb antimonid de cadmiu rombică 456

Cd4Sb2 diantimonid de cadmiu rombică

Mg3Sb2diantimonid de

magneziutetragonală 1228

Ca3Sb2 diantimonid de calciuHg3Sb2 diantimonid de mercur

Compuşi de tipul

ETC.......

Compuşi semiconductori ternari şi cuaternari

- substituţii transversale (se efectuează deplasări în direcţii perpendiculare pe „şirul”

elementelor care formează grupa a IV-a),

- păstrând „regula valenţei”, se pot obţine compuşi binari care sunt consideraţi ca făcând

parte din „serii analoage orizontale”. Astfel de serii sunt:

Ge GaAs ZnSe CuBr

-Sn InSb CdTe AgI

semisuma valenţelor componentelor compuşilor este egală cu patru, adică 4 pentru Ge; (3 +

5)/2 = 4, pentru GaAs; (2 + 6)/2 = 4 pentru ZnSe; (1 + 7)/2 = 4 pentru CuBr.

- substituţii longitudinale, înlocuind un anumit element cu altul din aceeaşi grupă. Vom avea

de exemplu, seriile de compuşi: GaN GaP GaAs GaSb sau AlP GaP InP.

Exemplu: GaAs ZnSiAs2, ZnGeAs2, CdSnAs2 etc.

- atomul de Ga, cu valenţa 3, este înlocuit de doi atomi: unul cu valenţa 2 (Zn, Cd) şi unul cu

valenţa 4 (Si, Ge, Sn). Valenţa „medie” a celor doi atomi este deci egală cu 3, identică cu cea

a atomului de Ga care a fost înlocuit. În fond se poate scrie această substituţie sub forma:

Ga2As2 ZnSiAs2 CdSnAs2 etc.

- compuşii ternari mai intens studiaţi: AIBVIIICVI, , , , ,

, , , , ş.a.

Tabelul 1.31. Structura cristalină a compuşilor de tipul

Formula chimică



(oC)

MgSiP2 calcopirităa = 5,718c = 10,114

MgGeP2 blendă de zinc a = 5,652calcopirită a = 5,399

c = 10,435

ZnSiP2 würtzita = 5,400c = 10,441

1300

ZnSiAs2calcopirită

a = 5,606c = 10,800

blendă de zinc a = 5,601 1038

ZnGeP2 würtzita = 5,491c = 10,800

1300

ZnGeAs2calcopirită

a = 5,672c = 11,153

blendă de zinc a = 5,640

ZnSnP2calcopirită

a = 5,651c = 11,302

blendă de zinc a = 5,652

ZnSnAs2calcopirită

a = 5,852c = 11,703

775

blendă de zinc a = 5,851ZnSnSb2 blendă de zinc a = 6,281

CdSiP2 calcopirităa = 5,671c = 10,423

1120

CdSiAs2 calcopirităa = 5,884c = 10,775

1038

CdGeP2 würtzita = 5,743c = 10,744

CdGeP2 blendă de zinc a = 5,76 800

CdGeAs2 calcopirităa = 5,943c = 11,217

850

CdSnP2 calcopirităa = 5,900c = 11,518

CdSnAs2 calcopirităa = 6,094c = 11,918

CdSnAs2 blendă de zinc a = 6,051

Parametrii reţelei cristaline a unor compuşi de tipul

Formula chimică

a (Ǻ) c (Ǻ) c/aTemperatura

de topire (oC)

CuAlS2 5,31 10,4 1,96CuAlSe2 5,60 10,9 1,94 1000CuAlTe2 5,96 11,7 1,97 890CuGaS2 5,34 10,4 1,95

CuGaSe2 5,60 10,9 1,96 861CuGaTe2 5,99 11,9 1,98 872CuInS2 5,51 11,0 2,00

CuInSe2 5,77 11,5 2,00 980CuInTe2 6,16 12,3 2,00 791CuTlS2 5,58 11,1 2,00

CuTlSe2 5,83 11,6 1,99 405AgAlS2 5,69 10,2 1,80

AgAlSe2 5,95 10,7 1,80 950AgAlTe2 6,29 11,8 1,87 729AgGaS2 5,74 10,2 1,78

AgGaSe2 5,97 10,8 1,82 883AgGaTe2 6,28 11,9 1,89 714AgInS2 5,81 11,1 1,92

AgInSe2 6,09 11,6 1,91 780AgInTe2 6,40 12,5 1,96 692

3. Semiconductori oxidici

- semiconductorii oxidici binari (Cu2O, ZnO, TiO2, SnO2, In2O3 etc)

- semiconductorii feromagnetici (oxizii dubli formaţi din trioxidul de

fier şi oxizii unor metale)

- semiconductorii segnettoelectrici (titanaţi, zirconaţi ş.a.).

Oxidul de cupru

Cu2O (oxid cupros, denumit mineralogic cuprit) şi CuO (oxid

cupric).

Oxidul de zinc (ZnO)

Bioxidul de titan (TiO2)

Bioxidul de siliciu (SiO2)

SiO2 se topeşte la 1728 oC.

Oxizi conductori transparenţi

semiconductori oxidici binari (SnO2, In2O3, ZnO, CdO, Ga2O3),

semiconductori binari dopaţi (SnO2:Sb/F, In2O3:Sn/F/Sb/Pb,

ZnO:In/Al/F/B/Ga, CdO:Sn/Sb), precum şi oxizi dubli (Zn2SnO4, MgInO4,

ZnGa2O4 etc.) sau combinaţii de oxizi (de exemplu, este foarte mult

utilizată combinaţia In2O3 + SnO2, denumită ITO – I (indium), T(tin –

staniu), O (oxide)).

4. Aliaje semiconductoare

Def. materiale semiconductoare caracterizate prin compoziţii

variabile, într-un interval larg de concentraţii.

- aliaje dintre semiconductori elementari;

- aliaje dintre semiconductori elementari şi compuşi semiconductori;

- aliaje dintre compuşi semiconductori.

5. Semiconductorilor organici

6. Semiconductori necristalini (amorfi)

7. Semiconductori lichizi

Ex. (Se, Te) Astfel, seleniul se topeşte la 297oC, însă îşi păstrează proprietăţile semiconductoare, în stare lichidă, până la temperatura de 800oC. Mai mult, în stare topită, caracteristicile semiconductoare ale Se se „îmbunătăţesc”: lărgimea benzii interzise scade de la 2,7 eV a 1,7 eV,

8, 9, 10.... ETC. (ceramici, zeoliti.....)

C1 seminar

Documents

Transcript of C1 seminar