POLUPROVODNICI

1. Еlektrotehnički fakultet, Beograd Materijali u elektrotehnici POLUPROVODNICI 9.11.2010.

2. UVOD • Poluprovodnici se odlikuju relativno uskim energetskim procepom (Eg< 3,5 eV) i specifičnom električnom otpornošću ρ~ 10─6 – 1010 Ωm, koja pokazuje da je njihova električna provodnost na sobnoj temperaturi između provodnosti metala i izolatora. Dominantno svojstvo poluprovodnika je da njihova specifična električna otpornost izrazito zavisi od koncentracije i vrste primesnih atoma u materijalu. • Jedna od bitnijih karakteristika za primenu poluprovodničkih materijala jeste smanjenje specifične električne otpornosti sa povećanjem temperature (za gotovo sve temperature) usled povećanja koncentracije slobodnih nosilaca naelektrisanja (elektrona i šupljina), od kojih se elektroni pod dejstvom električnog polja premeštaju unutar (skoro prazne) provodne zone, a šupljine unutar (skoro pupunjene) valentne zone. • Ovo povećanje koncentracije nosilaca može se lako ostvariti i pod dejstvom drugih spoljašnjih činilaca, pre svega raznih vrsta elektromagnetnih zračenja (vidljivo, infracrveno itd.), što im daje veliku mogućnost praktične primene u izradi detektora zračenja. Obrnuti proces rekombinacije provodnih elektrona i šupljina uz emisiju zračenja omogućava primenu poluprovodnika u izradi izvora zračenja. • Glavna primena poluprovodnika je u izradi integrisanih kola i diskretnih komponenata (tranzistora, dioda, tiristora), različitim kombinacijama primesnih p-n spojeva.

3. Zbog velikih mogućnosti primene, od poluprovodničkih materijala se zahtevaju precizno definisana svojstva, pre svega veličina i tip energetskog procepa, što se realizuje kroz tehnike inženjeringa energetskog procepa, izradom poluprovodničkih višekomponentnih legura i nano-struktura. • Osim toga, zbog zahteva što veće brzine rada i manjih dimenzija polu-provodničkih naprava, poluprovodnici se praktično isključivo izrađuju u formi monokristala.

4. SPECIFIČNA ELEKTRIČNA PROVODNOST POLUPROVODNIKA • Da bi se prikazala temperaturska zavisnost specifične električne provodnosti σ, posmatraće se primesni poluprovodnik n-tipa (za p-tip je analogno): σ ≈ σn= enμn. U ovom izrazu temperaturno zavisne veličine su koncentracija provodnih elektrona (n) i njihova pokretljivost (μn). • Uočavaju se tri karakteristične oblasti u zavisnosti n(T): (I) primesna oblast - u intervalu 0 – Tp koncentracija provodnih elektrona raste usled jonizacije donorskih primesnih atoma (male energije aktivacije ΔEd) na račun toplotnih vibracija atoma rešetke, pa koncentracija provodnih elektrona pri temperaturi Tp~ 200 K postaje jednaka koncentraciji donorskih primesnih atoma (n=Nd). (II) oblast zasićenja- u intervalu Tp – Ts koncentracija provodnih elektrona se ne menja, pa se ova oblast naziva i oblast iscrpljenja). (III) sopstvena oblast (iznad sopstvene temperature poluprovodnika,Ts~Eg/k~ 400 K,energija toplotnih vibracija atoma kristalne rešetke postaje dovoljna za pobuđivanje elektrona sa vrha valentne na dno provodne zone, formirajući provodni par elektron-šupljina, i u toj oblasti vrlo brzo broj parova elektron-šupljina znatno nadmašuje koncentracijuprovodnih elektrona nastalih jonizacijom donorskih primesnih atoma (a analogno važi i za p-tip poluprovodnika), čime se termalno razrušuju p-n spojevi.

5. Temperaturska zavisnost: (a) koncentracije; (b) pokretljivosti; (c) specifične električne provodnosti i (d) specifične električne otpornosti primesnog poluprovodnika n-tipa.

6. Isprekidanom linijom prikazana je temperaturska promena koncentracije nprovodnih nosilaca (elektrona i šupljina) kada nema primesa u poluprovodniku. Iz nje se vidi da postoje procesi direktnog obrazovanja i nestajanja(rekombinovanja) parova elektron-šupljina i pri temperaturi T<Ts, ali da pri T>Ts ovaj proces postaje izuzetno aktivan. • Na slici b) prikazana je temperaturska promena pokretljivosti μnprovodnih elektrona. Na pokretljivost provodnih elektrona u primesnom poluprovodniku za T < Tf(~ 60 K) najviše utiču jonizovane primese u materijalu elektrostatičkim privlačnim silama. Sa povećanjem temperature povećava se i brzina provodnih elektrona, što umanjuje uticaj kulonovskih privlačnih sila jonizovanih primesa, pa pokretljivost raste. Međutim, pri T > Tfvibracije atoma kristalne rešetke (fononi) dominantno smanjuju pokretljivost elektrona, koji se rasejavaju na dinamičkoj (fononskoj) difrakcionoj rešetki kristala većeg parametra periodičnosti (a')u odnosu na statičku difrakcionu rešetku(a)(na kojoj se i ne difraktuju!). • Zbog direktne zavisnosti specifične električne provodnosti i od koncentracije i od pokretljivosti slobodnih nosilaca (σn= enμn), iz dijagrama a) i b) lako se dobija (grafičkim množenjem) temperaturska zavisnost specifične električne provodnosti (slika c). • Vidi se da specifična električna provodnost σnuglavnom raste sa porastom temperature, izuzev u temperaturskom intervalu od Tfdo Ts. Specifična električna otpornost, ρn ≈ 1/σn(slika d) zato uglavnom opada sa povećanjem temperature, usled čega poluprovodnici imaju negativan temperaturski koeficijent otpornosti.

7. Određivanje veličine energetskog procepa materijala termičkom metodom (Eg) Određivanje veličine energetskog procepa iz grafika lnR = f(1/T), korišćenjem izraza Eg = 2k tgα, u sopstvenoj oblasti poluprovodnika.

8. Određivanje veličine i vrste energetskog procepa materijala optičkom metodom (Egdiri Egind ) Određivanje veličine i tipa energetskog procepa materijala iz položaja minimalnih energija (a) direktnog i (b) indirektnog prelaza, Eg = min{Edir,Eind}.

9. Određivanje transportnih svojstava materijala Holovom metodom Šema Holovog efekta

10. Određivanje transportnih svojstava materijala metodama "vruće tačke"i "četiri tačke" Šema ‘vruće tačke’ Šema ‘četiri tačke’ Tip poluprovodnika

11. INŽENJERING ENERGETSKOG PROCEPA: POLUPROVODNIČKA JEDINJENJA, LEGURE I NANOSTRUKTURE • Veličina i vrsta energetskog procepa su značajni za primenepoluprovodničkih materijala. Međutim, u prirodi je na raspolaganju ograničen broj poluprovodničkih elemenata i jedinjenja, a za određene opsege veličine energetskog procepa uopšte ih i nema. • U tom slučaju je neophodno pribeći tzv. inženjeringu energetskog procepa, odnosno sintezi poluprovodničkih trokomponentnih (nekada i višekomponentnih) legura, pa i finih nanostruktura željenog energetskog procepa. • Poslednjih dve-tri decenije ovo je predstavljalo veliki tehnološki napredak nauke o materijalima, koji je doprineo naglom razvoju poluprovodničkih tehnologija za različite primene.

12. Trokomponentne poluprovodničke legure opšte formule AxB1-xC, dobijaju se kombinovanjem različitih sadržaja dvokomponentnih jedinjenja AC i BC (očigledno je (AC)x(BC)1-x = AxB1-xC), gde su A, B i C simboličke oznake hemijskih elemenata u leguri. Za većinu trokomponentnih legura postoji linearna promena energetskog procepa (Eg) sa promenom molarnog sastava (x) legure,koja se može izraziti Vegardovim linearnim pravilom: • Zahtevajući određeni energetski procep legure, Eg(x), i znajući energetske procepe polaznih jedinjenja, EgBC i EgAC, može se odrediti molarni sastav trokomponentne legure AxB1-xC (odnosno broj molova x jedinjenja AC, i broj molova 1-x jedinjenja BC). Treba istaći da se izradom trokomponentnih legura kombinovanjem dva jedinjenja od kojih jedno ima direktni energetski procep (recimo BC), a drugo indirektni (recimo AC), za x < 0,5 dobijaju se legure direktnog energetskog procepa, a za x > 0,5 legure indirektnog energetskog procepa - saglasno dominantnom udelu jedinjenja BC, odnosno AC, u sastavu legure.

13. Šematski prikaz Vegardovog pravila promene veličine i tipa energetskog procepa trokomponentne legure sastava AxB1-xC≡ (AC)x(BC)1-x dobijane kombinovanjem x molova dvokomponentnog jedinjenja AC i 1-x molova jedinjenja BC. Ako jedinjenje BC ima direktni energetski procep, a AC indirektni - tada će legura (AC)x(BC)1-x imati direktni procep za x < 0,5 (puna linija na slici), a indirektni za x > 0,5 (isprekidana linija na slici), zavisno od dominantnog udela jedinjenja BC, odnosno AC, u sastavu legure.

14. Poslednjih godina sve širu primenu u izradi kontrolisanog energetskog procepa nalaze višeslojne poluprovodničke nanostrukture, tzv. superrešetke, kvantne žice i kvantne tačke. • Superrešetke se dobijaju naizmeničnom izradom tankih monokristalnih slojeva (debljine nekoliko nm) dva poluprovodnička elementa, jedinjenja ili legure različitih energetskog procepa. Zbog male debljine slojeva provodni elektroni u slojevima materijala manjeg energetskog procepa (Eg2) kreću se u potencijalnoj jami, slično situaciji u atomima. Usled toga, unutar provodne zone elektroni mogu zauzimati samo određene energetske nivoe (n =1, 2, ...), a slično važi i za šupljine u valentnoj zoni tih slojeva. Kao rezultat, energetski procep slojeva materijala manjeg energetskog procepa povećao se od Eg2 na Eg2eff, i to utoliko više ukoliko su debljine slojeva d2z manje.

15. Naime, nivoi n =1, 2, ... u provodnoj zoni su posledica kretanja elektrona unutar potencijalne jame. Tada elektron može postojati samo na onim energetskim nivoima koji obezbeđuju De Broljijev uslov da se unutar potencijalne jame u pravcu ose superrešetke (z-osa) obrazuju stojeći elektronski talasi: nλn/2 = d2z(n = 1, 2, ...). Odgovarajući talasni broj elektrona je kn = 2π/λn = nπ/d2z, a impuls . Tako je kinetička energija elektrona (u odnosu na dno provodne zone) na n-tom nivou jednaka (n = 1, 2, ... ) gde je me* - efektivna masa elektrona. Slično važi i za šupljine u valentnoj zoni, koje imaju kinetičku energiju ΔEn(h). Tako je efektivni energetski procep materijala manjeg energetskog procepa jednak rastojanju između najbližih dozvoljenih energetskih nivoa n = 1 u valentnoj i provodnoj zoni • Na ovaj način može kontrolisano da se menja energetski procep materijala promenom debljine d2zslojeva u superrešetki (i to čak pouzdanije nego kontrolom sastava višekomponentnih poliprovodničkih legura) sa kontrolom monoatomskih debljina (~ 0,2 nm).

16. U superrešetkama je energija elektrona kvantizirana u pravcu jedne ose, tako da provodni elektroni i šupljine formiraju kvazidvodimenzioni (Q2D) gas. • U poslednje vreme su konstruisane kvantne žice u kojima je kretanje provodnih elektrona i šupljina kvantizirano u pravcu dveju osa, tako da provodni nosioci naelektrisanja formiraju kvazijednodimenzioni (Q1D) gas. • Takođe, napravljene su i kvantne tačke u kojima je kretanje provodnih elektrona i šupljina kvantizirano u pravcu sve tri ose, čime provodni nosioci naelektrisanja formiraju kvazinultodimenzioni (Q0D) gas. • Posebno su zanimljive za primenu kvantne tačke, kod kojih su kvantni efekti izraženi u pravcu sve tri ose (za razliku od njih, kod superrešetki i kvantnih žica nekvantizirani stepeni slobode "razmazuju" kvantne energetske nivoe kvantiziranih stepeni slobode, znatno prekrivajući kvantnomehaničke efekte u tim nano­strukturama). • Iz tog razloga nizovi kvantnih tačaka postaju najznačajniji kandidati za nanoelektronske naprave, gde bi se interakcije između susednih kvantnih tačaka odvijale posredstvom naponski kontrolisanog rezonantnog podešavanja njihovih kvantnih nivoa u provodnoj i/ili valentnoj zoni. • Da bi kvantni efekti bili što izrazitiji, potrebno je birati poluprovodnički materijal sa što manjom efektivnom masom elektrona i šupljina. • Čak i tada ostaje veoma značajno temperatursko "razmazivanje" kvantnih nivoa, zbog čega nanoelektronske naprave moraju da radena vrlo niskim temperaturama.

17. Prikaz energetskih zona dva različita poluprovodnička materijala a) pre i b) posle formiranja heterospoja.U termičkoj ravnoteži Fermijev nivo postaje prava linija kroz obe oblasti, što ima za posledicu krivljenje valentne i provodne zone. Tunelovanjem provodnih elektrona iz N-oblasti u p-oblast oni se zadržavaju u potencijalnoj jami provodne zone u blizini p-N spoja formirajući Q2D elektronski gas.

18. Prikaz energetskih zona nekoliko različitih tipova heterospojeva.

19. PRIMENA MATERIJALA PREMA VELIČINI I VRSTI Eg • Veličina i vrsta energetskog procepa materijala, posebno poluprovodnika, suštinski određuje potencijalne mogućnosti njihove primene. • INTEGRISANA KOLAzahtevaju poluprovodnike što većegEgind: (1) Veći Eg obezbeđuje višu gornju graničnu radnu temperaturu, pri kojoj nastaju intenzivni termalni prelasci elektrona iz valentne u provodnu zonu, čime se formiraju provodni parovi elektron-šupljina u provodnoj, odnosno valentnoj zoni. Broj tako stvorenih parova tada postaje znatno veći od broja jonizovanih primesnih centara, čime prestaje definisanost n-, odnosno p-tipa poluprovodnika, a samim tim i mogućnost primene p-n spojeva u integrisanim kolima. (2) Indirektni Eg otežava rekombinaciju injektovanih nosilaca u aktivnoj oblasti tranzistora, čime se postiže veće pojačanje. Oba navedena zahteva zadovoljava silicijum (Si), ali je izuzetak galijum-arsenid (GaAs), koji ima Egdir, no veliku pokretljivost i brzinu nosilaca ("brži" je materijal od silicijuma), čime se smanjuje vreme preleta nosilaca kroz aktivnu oblast tranzistora a time i njihova rekombinacija; osim toga GaAs ima i višu gornju graničnu radnu temperaturu od Si, zbog većeg energetskog procepa. • Veoma zanimljivi materijali za izradu visokotemperaturskih integrisanih kola jesu poluprovodnici velikog energetskog procepa: dijamant (C), silicijum-karbid (SiC), i III-V nitridi (BN, GaN, AlN). Radne temperature čipova na bazi ovih materijala prevazilazile bi 600 oC, što im daje prednost za primenu u kosmičkoj mikroelektronici na stanicama bez ljudske posade (gde temperature dostižu i 350 oC sa osunčane strane).

20. DETEKTORI ZRAČENJA (infracrvenih, vidljivih i ultraljubičastih) najčešće koriste inverzno polarisane poluprovodničke diode, i to prvenstveno od materijala sa Egdir. Kod takvih poluprovodnika elektron brže prelazi iz valentne u provodnu energetsku zonu, čime se stvaraju parovi slobodnih nosilaca elektron-šupljina, pod uslovom da je energija fotona jednaka vrednosti Eg ili veća. Električno polje inverzno polarisanog p-n spoja odmah razdvaja generisane parove elektron-šupljina, sprečavajući njihovu rekombinaciju i dajući izlaznu struju ili napon detektora. • Detektori infracrvenog zračenja, umnogo primenjivanoj infracrvenoj tehnici, koristite samo materijale veoma male vrednosti energetskog procepa (Eg < 0,2 eV). Energetski procep materijala detektora zračenja određen je gornjom granicom opsega detektovanih zračenja [λ1, λ2]: Eg = hc/λ2= 1,24/λ2(μm) (eV) Materijali za izradu detektora infracrvenog zračenja biraju se u zavisnosti od opsega talasnih dužina u kome se detektor koristi. Postoje dva karakter-istična atmosferska "prozora" (3–5 μm i 8–13 μm), gde je atmosfera najpropusnija. U tim talasnim opsezima apsorpcija zračenja vodenom parom je najmanja. • Indijum-antimonid (InSb) koristi se za detekciju zračenja u opsegu od 3–5 μm, dok se legura Hg1-xCdxTe i superrešetka HgTe-CdTe koriste za detekciju zračenja u opsegu 8–13 μm. Kod ovih primena mora se voditi računa da se smanji terminalni šum koji je na sobnoj temperaturi reda veličine infracrvenog signala, pa se zbog toga detektori obično hlade tečnim azotom (na 77,3 K).

21. Transmisioni spektar atmosfere u infracrvenoj oblasti

22. Fotodetektori u optičkim komunikacijama zahtevaju veličinu Eg prema spektralnim oblastima u kojima postoji minimum slabljenja optičkih vlakana na bazi kvarcnog stakla (SiO2). • U početnoj fazi razvoja optičkih komunikacija (I generacija), pre tridesetak godina, najbolji svetlosni detektori (i izvori) na bazi GaAs i InP radili su u oblasti λ ≈0,85 μm. Za izradu detektora zračenja koristio i Si iako ima indirektan procep, ali izrazito nižu cenu od konkurentskih materijala. • Međutim, minimumi slabljenja SiO2 vlakana su na λ ≈1,3 μm i λ ≈ 1,55 μm, pa je u II generaciji optičkih komunikacija bilo neophodno napraviti detektore (i izvore) u toj oblasti. Za izradu detektora su tu korišćeni (InAs)1-x(GaP)x, In1-xGaxAs, Hg1-xCdxTe i Ge, uz isti komentar za Ge kao i u slučaju Si. Zavisnost slabljenja optičkog signala u funkciji talasne dužine za kvarcno staklo (SiO2).

23. Sunčeve ćelije zahtevaju energetski procep u granicama od 1 do 2,5 eV, gde je najveća gustina sunčeve energije i najveći maksimalni koeficijent iskorišćenja (ηT) sunčevih ćelija na bazi različitih poluprovodničkih materijala. • Danas se najviše istražuju sunčeve ćelije na bazi Si, pri čemu najviše amorfni (α-Si) i polikristalni (poly-Si) zbog niske cene, iako imaju slabiju detektivnost i koeficijent konverzije od monokristalnog Si. Koeficijent korisnog dejstva sunčevih ćelija od različitih materijala

24. IZVORI ZRAČENJA (u širem smislu) po pravilu su direktno polarisane poluprovodničke diode izrađene od materijala sa Egdir, kako bi se povećala efikasnost rekombinacije provodnih parova elektron-šupljina pri kojoj se izračuju fotoni. Veličina energetskog procepa se bira prema zahtevanoj boji zračenja: Eg= hc/λg = 1,24/λg(μm) (eV) • Laserske diode specijalne konstrukcije po pravilukoriste materijale sa Egdir:GaAs, InP, In1-xGaxAs, (InAs)1-x(GaP)x, superrešetke GaAs-Al1-xGaxAs, ..., sa pretežnom primenom u oblasti optičkih komunikacija I i II generacije, kao i u izradi lasera u vidljivoj oblasti spektra. U oblasti optičkih komunikacija razvijena su integrisana optoelektronska kola, sa objedinjenim optičkim i elektronskim funkcijama na istom čipu, na bazi sledećih materijala: Al1–xGaxAs-GaAs heterospojne strukture u I generaciji optičkih komunikacija, i In1–xGaxAs-InP i (InAs)1-x(GaP)x-InP heterospojne strukture u II generaciji optičkih komunikacija. • Luminiscentne (LED) diode izrađuju se od Al1–xGaxAs, GaP (crvene i zelene), SiC (crvene), ZnSe (plave), CdS (zelene), za LED ekrane bolje rezolucije i većeg sjaja od tečnokristalnih. GaP i SiC imaju Egind, ali se kod njih rekombinacija provodnih nosilaca ostvaruje sa primesnim centrima koji leže unutar zabranjene zone, tako da se dodavanjem različitih primesa može menjati i boja zračenja LED diode.

25. Iako je do sada komercijalno korišćenje poluprovodničkih legura bilo ograničeno na neorganske komponente, poslednjih godina se pojavila interesantna klasa organskih jedinjenja, provodnih polimera, čijim se kontinuiranim dopiranjem primesama i do nekoliko desetina molarnih procenata (čime se praktično dobija organska legura) energetski procep kontinuirano smanjuje od nekoliko eV do nule, dok im se specifična električna otpornost smanjuje i do 18 redova veličine (do 1018 puta), što je neuporedivo više nego kod neorganskih legura. Kada se reše tehnološki problemi izrade monokristalnih provodnih polimera, njihove stabilnosti i obradivosti, može se očekivati široka primena ovih materijala u elektrotehnici. • Kao što se vidi iz prethodnog razmatranja, osnovni kriterijum pri izboru materijala za neku od navedenih naprava je veličina energetskog procepa, potom njegov tip, zatim pokretljivost slobodnih nosilaca naelektrisanja i još neke druge karakteristike, zavisno od specifične namene. • U svakom slučaju, raznolikost primenjenih poluprovodničkih materijala u obliku jedinjenja, legura i nanostruktura ukazuje na to da je tehnološki moguće vršiti sintezu materijala željenih svojstava energetskog procepa, što je u poslednjih tridesetak godina doprinelo brzom razvoju mnogih oblasti elektrotehnike.

26. UPOREDNE KARAKTERISTIKE Si, Ge, GaAs • Do razvoja integrisanih kola, nekada se za izradu tranzistora i dioda najviše koristio germanijum (Ge). Međutim, početkom 1960-tih sa razvojem integrisanih mikroelektronskih kola dominantnu ulogu u poluprovodničkoj tehnologiji preuzima silicijum (Si). Poslednjih godina sve više se koristi i galijum-arsenid (GaAs), posebno u optoelektronici ili gde je potrebna veća brzina rada. • U tabeli su date uporedne karakteristike važnijih parametara Si, Ge i GaAs, koje su diktirale pomenutu dinamiku razvoja poluprovodničke mikroelektronske tehnologije. • S obzirom da Ge ima najmanju vrednost energetskog procepa (Eg=0,67 eV), naprave načinjene od njega mogu se koristiti ispod 100oC. Tu počinje sopstvena oblast za Ge, i praktično se na toj temperaturi izjednačava koncentracija slobodnih elektrona i šupljina, pa naprave na bazi p-n spojeva više ne mogu da rade. Za Si čiji je energetski procep veći (Eg= 1,11 eV), radna temperatura je ispod 200oC, dok je za GaAs ona ispod 300oC jer je njegov energetski procep još veći (Eg=1,43 eV). • Prednost GaAs u odnosu na Ge i Si je utome što ima znatno veću pokretljivost elektrona μn ~ 9500 cm2/Vs, što je dva puta više od odgovarajuće vrednosti za Ge, odnosno sedam puta više od Si. Osim toga, GaAs ima znatno veću srednju driftovsku brzinu zasićenja () od Ge i Si.

29. Isto tako, GaAs je veoma pogodan i za izradu lasera jer ima direktan energetski procep, a poznato je da su potrebne gustine struje kod lasera desetak puta manje ako poluprovodnik ima direktan energetski procep. • Ako se GaAs dopira hromom, tada dobija poluizolaciona svojstva pošto mu se specifična električna otpornost poveća sa 10-1Ωm na 106Ωm. Ako se ovakav poluizolatorski GaAs koristi kao podloga za izradu polu-provodničkih komponenata, tada se neželjene parazitne kapacitivnosti i vremenska konstanta τRC bitno smanjuju, tako da gornja granična radna učestanost (fg) naprava od GaAs dostiže 350 GHz, što je znatno viša učestanost u odnosu na naprave od Si, koje imaju veće parazitne kapacitivnosti. • Od GaAs se ne prave bipolarni tranzistori zbog velikog nepovoljnog odnosa pokretljivosti elektrona i šuljina (μn/μp ~ 21), dok je taj odnos mnogo povoljniji kod Si (i Ge), pa se od silicijuma prave najkvalitetniji bipolarni tranzistori i integrisana kola. • Na površini Si veoma lako se formira izuzetno kvalitetan izolacioni sloj (od SiO2), i to jevtinom i pouzdanom tehnologijom oksidacije. To nije moguće postići na GaAs (ili Ge), pa se u tom slučaju kao izolacioni sloj koriste najčešće Si3N4 (silicijum-nitrid), čija je tehnologija izrade znatno skuplja. • Najmanju specifičnu toplotnu provodnost (κ) od ova tri poluprovodnika ima GaAs, što mu je veliki nedostatak. Međutim, taj problem se rešava naparavanjem sloja dijamanta na donju površini GaAs pločice, čime se znatno povećava odvođenje toplote, pošto je dijamant najbolji provodnik toplote u prirodi. • Najmanju specifičnu gustinu (ρm) ima silicijum, što omogućava najlakše sklopove na bazi ovog materijala.

30. Najnižu cenu u izradi imaju integrisana kola i komponente na bazi Si zbog jednostavnosti i usavršenosti tehnološkog procesa, počev od niže cene sirovina i dobijanja monokristala do lakše oksidacije i izrade provodnih slojeva. Iz tog razloga će Si biti još dugo dominantan materijal za izradu integrisanih kola, dok će se GaAs koristiti samo tamo gde se zahtevaju velike brzine i izuzetno visoke radne učestanosti, kao i u optoelektronskim primenama, gde će Al1-xGaxAs–GaAs nanostrukture zadržati prednost i u odnosu na novokorišćene Si1-xGex–Si nanostrukture. • U bliskoj budućnosti se očekuje razvoj novih tipova tranzistora na novim principima, kao što su heterospojni i balistički tranzistori, “nizovi kvantnih tačaka", kod kojih se specijalnim konstrukcijama smanjuje srednje vreme rasejavanja nosilaca na najmanju meru, pa odlučujući značaj imaju tzv. vreme relaksacije odnosno srednje vreme između dva sudara elektrona (τr) i maksimalna driftovska brzina elektrona (Δvdmax). I Si i GaAs su potencijalno primenjivi materijali za ove nove vrste kola, mada bolje perspektive ima GaAs zbog manje efektivne mase elektrona. Tome treba još dodati da se GaAs koristi i za mikrotalasne izvore manje snage. • Iako se Ge ne koristi za izradu integrisanih kola, on je zbog malog Eg dobar za izradu detektora zračenja, između ostalog i nuklearnog gde jedna α-čestica može generisati veći broj provodnih parova elektron-šupljina. Osim toga, on efikasno apsorbuje zračenje iz oblasti vidljivog dela spektra propuštajući samo niskoenergetsko zračenje iz infracrvene oblasti, pa se zato koristi za izradu infracrvenih prozora ispred detektora u termoviziji, čime se drastično smanjuje šum u detektoru koji bi poticao od generisanih provodnih parava elektron-šupljina pri apsorpciji vidljive svetlosti. Zbog velike primene termoviziskih kamera u vojne svrhe, Ge je ponovo postao veoma traženi materijal, za izradu pomenutih infracrvenih prozora.

31. OSTALI VAŽNIJI POLUPROVODNIČKI ELEMENTI, JEDINJENJA, LEGURE I NANOSTRUKTURE • Od elementarnih poluprovodnika, osim Si i Ge, u elementarnoj formi koriste se još selen (Se) i ugljenik (C), koji se javlja u tri alotropske modifikacije: dijamant, grafit i molekul C60. • Selen se koristi za izradu ispravljača, fotoćelija, uređaja za kopiranje, u televiziskim kamerama itd. • Dijamant ima izuzetno veliki energetski procep (5,6 eV), karakterističan za dielektrike, ali se zbog dijamantske kubične kristalne rešetke, slično Si i Ge, može lako dopirati donorima i akceptorima i obrazovati p-n spojeve. Zbog velikog energetskog procepa, naprave na bazi dijamanta imale bi izrazito visoku radnu temperaturu (višu od 1000oC), a integrisana kola bi imala potencijalno viši stepen minijaturizacije od Si-kola zbog najveće specifične toplotne provodnosti u prirodi (2000 W/mK) koja omogućava lako hlađenje čipova. Za sada se tanki dijamantski filmovi naparavaju sa donje strane poluprovodničkih pločica radi boljeg odvođenja toplote sa čipova. • Grafit se ubraja u polumetale sa specifičnom otpornošću na granici između metala i poluprovodnika (~10-6Ωm). On ima slojevitu strukturu sa ravanskim pakovanjem atoma u šestouganoj formi (pčelinjeg saća), što mu daje Q2D- električna svojstva (provodnost u ravnima je oko 100 puta veća od one normalno na ravan). Inače, sam grafit se koristi za izradu grejača i posuda za topljenje drugih poluprovodničkih materijala, zbog izvanredno visoke temperature topljenja (3845oC). • Ugljenične nanotube su Q1D-grafitne nanocevi, koje mogu provoditi električnu struju duž jednog pravca, sa očekivanom velikom primenom u molekularnoj elektronici. Imaju i znatno bolja mehanička svojstva od čelika.

32. C60 je molekularna forma ugljenika, gde su atomi ugljenika raspoređeni po površini u temenima zamišljenih krivouglih šestougaonika i petougaonika koji prekrivaju površinu lopte (slično fudbalskoj lopti). Molekularni slojevi C60 u formi gusto pakovanih sfera C60-molekula imaju kristalografski kontinuitet sa GaAs-podlogom, pri čemu ti slojevi dopirani nekim primesama (K, Rb, Tl) postaju i superprovodni. Ovo im daje perspektivu u GaAs-višeslojnoj mikroelektronici. • Od poluprovodničkih jedinjenja, osim najpoznatijeg III-V jedinjenjaGaAs, najviše su korišćeni InP, InSb, GaP, zatim II-VI jedinjenja CdTe, HgTe i ZnSe, IV-VI jedinjenja PbTe, SnTe, PbS, IV-IV jedinjenje SiC, itd. • Indijum-antimonid (InSb) koristi se za izradu specijalnih Holovih sondi za merenje magnetnog polja, kamera za termoviziju, infracrvenih detektora itd. Odlikuju se najvećom pokretljivošću provodnih elektrona (do 80.000 cm2/Vs). • Indijum-fosfid (InP) jedan je od najproučavanijih poluprovodnika danas, i već su realizovani laboratorijski tranzistori sa radnom učestanošću ~350 GHz! • Galijum-fosfid(GaP) koristi se za izradu detektora zračenja i svetlećih (LED) dioda. Koeficijent korisnog dejstva ove LED diode je manji od 1%, ali se one dopirane azotom odlikuju velikim sjajem jer je oko najosetljivije baš na spektralnu oblast zelene boje na kojoj one zrače. • Cink-selenid (ZnSe) takođe se široko koristi za izradu LED dioda, i to u plavoj spektralnoj oblasti.

33. Kadmijum-telurid (CdTe) najviše se koristi kao monokristalna podloga za izradu infracrvenih detektora na bazi Hg1-xCdxTe legura i CdTe-HgTe superrešetki, gde se u poslednjem slučaju koristi u kombinaciji sa slojevima živa-telurida (HgTe) za izradu ovih struktura. Za izradu infracrvenih detektora nekada se mnogo koristio i olovo-telurid(PbTe). • Silicijum-karbid (SiC) interesantan je materijal zbog visoke radne temperature pa je realizacija monokristalnog SiC otvorila mogućnost izrade integrisanih kola za radne temperature više od 600oC. • Od poluprovodničkih legura najviše su korišćene Al1-xGaxAs, In1-xGaxAs, (InAs)1-x(GaP)x, Hg1-xCdxTe, Sn1-xPbxTe..., mada bi u ovu klasu mogli da se svrstaju i jako dopirani provodni polimeri: poliacetilen, polipirol, polianilin... • Jedna od najznačajnih legura je Al1-xGaxAs, koja se koristi za izradu lasera u I generaciji optičkih komunikacija (0,85 μm) i u vidljivoj oblasti. Osim toga, kombinacije slojeva Al1-xGaxAs i GaAs danas se intezivno proučavaju za izradu novih ultrabrzih nanoelektronskih tranzistora, sa gornjim graničnim učestanostima višim od 350 GHz. Legure In1-xGaxAs, (InAs)1-x(GaP)x primenjuju se u izradi lasera i detektora II generacije optičkih komunikacija (1,3 μm i 1,55 μm). Legure Hg1-xCdxTe (sa viškom žive) najviše se koriste za izradu infracrvenih detektora u oblasti 8-13 μm, gde se nekada puno koristila i Sn1-xPbxTe legura.

34. Od poluprovodničkih nanostruktura najviše su korišćene superrešetke, GaAs-Al1-xGaxAs za izradu lasera u vidljivoj oblasti spektra, i CdTe-HgTe za izradu detektora infracrvenog zračenja u oblasti 8-13 μm. Osim toga, izrađene su rezonantne tunelske nanoelektronske strukture u formi nizova kvantnih tačaka, koje mogu predstavljati osnovu za novu generaciju tzv. nanoelektronskih integrisanih kola, baziranih na kvantnomehaničkim principima.