POLUPROVODNICI

Еlektrotehnički fakultet, Beograd, 2016.

Materijali u elektrotehnici

Poluprovodnici se odlikuju relativno uskim energetskim procepom (Eg < 3,5 eV) i specifičnom električnom otpornošću ρ ~ 10−6 – 1010 Ωm. Električna provodnost poluprovodnika na sobnoj temperaturi je 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). Provođenje struje se sa energetskog stanovišta odvija tako što se pod dejstvom električnog polja elektroni premeštaju unutar (skoro prazne) provodne zone, a šupljine unutar (skoro pupunjene) valentne zone. Povećanje koncentracije nosilaca može lako da se ostvari 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 električnih komponenti (tranzistora, dioda, tiristora), različitim kombinacijama primesnih p-n spojeva.

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 ili nano-struktura.

Osim toga, zbog zahteva što veće brzine rada i manjih dimenzija poluprovodničkih naprava, poluprovodnici se praktično isključivo izrađuju u formi monokristala.

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) oblast jonizacije primesa - u intervalu od 0 K do Tp koncentracija provodnih elektrona raste usled jonizacije donorskih primesnih atoma koja se dešava zbog toplotnih vibracija atoma rešetke. Koncentracija provodnih elektrona pri temperaturi Tp ~ 200 K postaje približno jednaka koncentraciji donorskih primesnih atoma (n ≈ Nd).

(II) primesna oblast - u intervalu od Tp do Ts koncentracija provodnih elektrona se gotovo ne menja, jer su sve primese već jonizovane, a termičko generisanje parova elektron-šupljina, iako prisutno, nije značajnije izraženo (ni << Nd). Koncentracija provodnih elektrona ostaje jednaka koncentraciji donorskih primesa (n ≈ Nd).

(III) sopstvena oblast - iznad temperature Ts ~ 400 K energija toplotnih vibracija atoma kristalne rešetke dovodi do izraženog pobuđivanja elektrona sa vrha valentne na dno provodne zone, čime se formiraju provodni parovi elektron-šupljina. Daljim povećanjem temperature, broj termički generisanih parova elektron-šupljina znatno nadmašuje koncentraciju provodnih elektrona nastalih jonizacijom donorskih primesnih atoma (ni >> Nd), tj. koncentraciju šupljina nastalih jonizacijom akceptorskih primesnih atoma u p-tipu poluprovodnika, čime se gubi određenost tipa poluprovodnika.

Temperaturska zavisnost specifične električne otpornosti poluprovodnika

Temperaturska zavisnost: a) koncentracije elektrona; b) pokretljivosti elektrona; c) specifične električne provodnosti i

d) specifične električne otpornosti primesnog poluprovodnika n-tipa. Isprekidanom linijom prikazane su zavisnosti za

sopstveni (besprimesni) poluprovodnik.

~ 200 K ~ 400 K

~ 60 K

≈ const

ni(300 K) ~ 1010 − 1013 cm−3

Nd ~ 1017 − 1020 cm−3

ni(T)

Isprekidanom linijom prikazana je temperaturska promena koncentracije provodnih nosilaca (elektrona i šupljina) za sopstveni poluprovodnik (bez primesa). Iz nje se vidi da je termičko obrazovanje parova elektron-šupljina prisutno i pri temperaturama T < Ts, ali da tek pri T > Ts ovaj proces postaje izuzetno aktivan.

Na slici b) prikazana je temperaturska promena pokretljivosti μn provodnih 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 > Tf vibracije 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).

λe >> a (pri ovom odnosu talasne dužine elektrona λe = h/pe i parametra kristalne rešetke a nema rasejavanja elektrona) λe ~ a' (kada zbog fononskih pobuda rešetke sa istom fazom osciluju atomi u nesusednim (udaljenim) ćelijama, parametar rešetke se povećava a' > a i rasejavanje elektrona je moguće - za detaljnije obajšnjenje videti str. 95 u knjizi prof. Rakovića)

Zbog direktne zavisnosti specifične električne provodnosti i od koncentracije i od pokretljivosti slobodnih nosilaca (σn = enμn), iz dijagrama a) i b) se grafičkim množenjem dobija temperaturska zavisnost specifične električne provodnosti (slika c).Vidi se da specifična električna provodnost σn uglavnom raste sa porastom temperature, izuzev u temperaturskom intervalu od Tp do Ts. Specifična električna otpornost, ρn = 1/σn (slika d) zato uglavnom opada sa povećanjem temperature, usled čega poluprovodnici imaju negativan temperaturski koeficijent otpornosti.

Veličina i vrsta energetskog procepa su značajni za primene poluprovodničkih materijala. Međutim, u prirodi je na raspolaganju ograničen broj poluprovodničkih elemenata i jedinjenja, a za određene opsege veličine energetskog procepa uopšte ih nema.

U tom slučaju je neophodno pribeći inženjeringu energetskog procepa, odnosno sintezi poluprovodničkih trokomponentnih (ili višekomponentnih) legura, kao i nanostruktura, željenog energetskog procepa.

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:

Inženjering energetskog procepa: poluprovodnička jedinjenja, legure i nanostrukture

( ) ( ) xEEExE BCg

ACg

BCgg ⋅−+=

Zahtevajući određeni energetski procep legure Eg(x) i znajući energetske procepe polaznih jedinjenja Eg

BC i EgAC, može se odrediti molarni sastav trokomponentne

legure AxB1-xC (odnosno broj molova x jedinjenja AC, i broj molova 1-x jedinjenja BC). 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.

Eg(AC) (BC)x -x1

EgBC

EgAC

0 0.5 1x

Šematski prikaz Vegardovog pravila promene veličine i tipa energetskog procepa trokomponentne legure sastava AxB1−xC dobijene kombinovanjem x molova

dvokomponentnog jedinjenja AC i 1−x molova jedinjenja BC. Ako jedinjenje BC ima direktni energetski procep, a AC indirektni, legura AxB1−xC imaće 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.

Poslednjih godina sve širu primenu u inženjeringu energetskog procepa nalaze poluprovodničke nanostrukture: superrešetke, kvantne žice i kvantne tačke. Superrešetka je višeslojna nanostruktura koja se dobija naizmeničnom izradom tankih monokristalnih slojeva (debljine nekoliko nm) dva poluprovodnička materijala različitih energetskih procepa (Eg1 ≠ Eg2). 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 da zauzimaju samo određene diskretne energetske nivoe (n = 1,2,3,...), a slično važi i za šupljine u valentnoj zoni tih slojeva. Kao rezultat, energetski procep slojeva materijala manjeg energetskog procepa povećava se sa Eg2 na Eg2

ef.

Ep

Ev

n=2Z

n=2

n=1

n=1

Eg1 Eg2 Eg2 ef

z

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 Broljev uslov da se unutar potencijalne jame u pravcu ose superrešetke (z osa) obrazuju stojeći elektronski talasi: nλn/2 = d2z (n = 1,2,3 ...). 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 = 1,2,3 ...)

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 energetski procep materijala može kontrolisano da se menja promenom debljine d2z slojeva u superrešetki i to čak pouzdanije nego kontrolom sastava višekomponentnih poliprovodničkih legura, zahavljujući nanometarski preciznoj kontroli debljina slojeva (preciznost ~ 0,2 nm).

2n n zp k n dπ= =

( )22 2

* *22 2

e nn

ze e

p nEdm mπ∆

= =

( ) ( )22

2 22 1 1 * *2

1 12

h eefg gg

z e hE E E E E

d m mπ = ∆ + + ∆ = + +

U superrešetkama je energija elektrona kvantizirana u pravcu jedne ose (osa z na slici, koja je normalna na slojeve materijala), tako da provodni elektroni i šupljine formiraju dvodimenzionalni (2D) gas unutar slojeva. U kvantnim žicama kretanje provodnih elektrona i šupljina je kvantizirano u pravcu dveju osa, tako da provodni nosioci naelektrisanja formiraju jednodimenzionalni (1D) gas. Napravljene su i kvantne tačke u kojima je kretanje provodnih elektrona i šupljina kvantizirano u pravcu sve tri ose, čime nosioci naelektrisanja formiraju nultodimenzionalni (0D) gas. Kvantne tačke su posebno zanimljive za primenu, jer su kvantni efekti izraženi u pravcu sve tri ose. Za razliku od tačaka, kod superrešetki i kvantnih žica nekvantizirani stepeni slobode "razmazuju" kvantne energetske nivoe kvantiziranih stepena slobode (tj. daju im izvesnu širinu i tako čine manje određenim), znatno prekrivajući kvantnomehaničke efekte u tim nano-strukturama. Iz tog razloga, nizovi kvantnih tačaka postaju najznačajniji kandidati za nanoelektronske naprave. Kod njih se interakcije između susednih kvantnih tačaka odvijaju posredstvom naponski kontrolisanog rezonantnog podešavanja nivoa u provodnoj i valentnoj zoni.

Principi funkcionisanja i osnovne osobine p-n spoja U sopstvenom (besprimesnom, nedopiranom) poluprovodniku (eng. intrinsic semiconductor), svi elektroni u provodnoj zoni i odgovarajuće šupljine u valentnoj zoni nastaju termičkim pobuđivanjem. U tom slučaju, koncentracije elektrona i šupljina su jednake (ni = pi), jer svaki elektron termički pobuđen u provodnu zonu za sobom ostavlja šupljinu u valentnoj zoni.

Ova sopstvena koncentracija ni zavisi od veličine energetskog procepa poluprovodničkog materijala, kao i od temperature na kojoj se materijal nalazi. Na sobnoj temperaturi, sopstvena koncentracija u silicijumu je 1,5 · 1010 cm-3, a u germanijumu 2,4 · 1013 cm-3.

Procesom dopiranja, odnosno kontrolisanog dodavanja određene količine primesa čistom poluprovodniku, koncentarcije elektrona i šupljina se menjaju. Ako primese povećavaju koncentraciju elektrona u poluprovodniku, one su donorske, a poluprovodnik je n-tipa. Donorske primese stvaraju diskretan elektronski energetski nivo u zabranjenoj zoni, blizu donje ivice provodne zone. Energetski razmak ovog diskretnog nivoa i provodne zone je dovoljno mali da se sve donorske primese mogu smatrati jonizovanim već na sobnoj temperaturi. Elektroni svih atoma donora termički su pobuđeni u provodnu zonu. Koncentracija donorskih primesa Nd je najčešće mnogo veća od sopstvene koncentracije elektrona u provodnoj zoni (Nd >> ni). Stoga je ukupna koncentracija slobodnih elektrona u poluprovodniku n-tipa:

n = Nd + ni ≈ Nd

Zbog povećane koncentracije elektrona u provodnoj zoni, raste brzina rekombinacije elektrona i šupljina, što menja ravnotežne koncentracije dveju vrsta nosilaca naelektrisanja. Koncentracije elektrona i šupljina u dopiranom poluprovodniku, nezavisno od tipa primesa, povezane su relacijom:

np = nipi = ni2

Ako se silicijumu kao donorska primesa doda fosfor u koncentraciji Nd = 1017 cm-3, koncentracija slobonih elektrona biće n ~ 1017 cm-3, dok će koncentracija šupljina biti p ~ 103 cm-3. U poluprovodniku n-tipa elektroni predstavljaju većinske, a šupljine manjinske nosioce. Kako je ukupna koncentracija obe vrste nosilaca naelektrisanja u dopiranom poluprovodniku uvek veća nego u čistom (npr. 1017 cm-3 u odnosu na sopstvenih ~ 2 · 1010 cm-3), električna provodnost dopiranog poluprovodnika znatno je veća od provodnosti čistog materijala. Električna provodnost dopiranog poluprovodnika vezana je prevashodno za kretanje većinskih nosilaca naelektrisanja (npr. za n-tip je σ ≈ σn = enμn). Ako primese povećavaju koncentraciju šupljina u poluprovodniku, one su akceptorske, a poluprovodnik je p-tipa. Koncentracija akceptorskih primesa Na najčešće je mnogo veća od sopstvene koncentracije šupljina u valentnoj zoni (Na >> pi), pa je ukupna koncentracija šupljina u poluprovodniku p-tipa:

p = Na + pi ≈ Na U poluprovodniku p-tipa elektroni predstavljaju manjinske, a šupljine većinske nosioce.

p-n spoj nastaje kada se koncentracija primesa menja od donorskih u akceptorske u jednoj tački monokristala. Fermijev nivo (EF) predstavlja graničnu energiju do koje su na apsolutnoj nuli (T = 0 K) sva elektronska energetska stanja zauzeta, a iznad nje nezauzeta. Na temperaturama većim od apsolutne nule (T > 0 K), Fermijev nivo predstavlja energiju na kojoj je verovatnoća nalaženja elektrona 1/2. U sopstvenom poluprovodniku Fermijev nivo leži praktično u sredini zabranjene zone. Kod poluprovodnika n-tipa Fermijev nivo nalazi se u blizini provodne zone, a kod poluprovodnika p-tipa u blizini valentne, kao što je prikazano na slici, na kojoj je sa Ei označen položaj Fermijevog nivoa u sopstvenom poluprovodniku. a) b)

Zonska struktura i diskretni energetski nivoi p-n spoja a) pre i b) posle formiranja spoja

Sredina energetskog procepa

Kod poluprovodnika kod koga se p i n oblasti dodiruju, obrazujući p-n spoj, u termalnoj ravnoteži Fermijev nivo postaje jedinstvena prava linija kroz obe oblasti, što ima za posledicu krivljenje valentne i provodne zone, i stvaranje kontaktne razlike potencijala. Kontaktna razlika potencijala formira se uravnotežavanjem difuzionog kretanja elektrona i šupljina kroz spoj i električnog polja nastalog njihovim razdvajanjem, koje se protivi difuziji nosilaca. U okolini spoja ostaju nepokretni jonizovani atomi donora i akceptora, koji formiraju oblast prostornog naelektrisanja (ili oblast osiromašenja).

Heterospojevi su spojevi različitih poluprovodnika (Eg1 ≠ Eg2) istog tipa (n-N ili p-P), različitog tipa (n-P ili p-N) ili nedopiranih. Oznaka malim slovom n ili p odnosi se na poluprovodnik manjeg energetskog procepa, a velikim slovom N ili P na poluprovodnik većeg Eg. (Detaljnije o heterospojevima: odeljak D.3.6 u dodatku 3 knjige prof. Rakovića)

Slučaj dva nedopirana

poluprovodnika

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 2D elektronski gas.

Potencijalna jama

Veličina i vrsta energetskog procepa materijala, posebno poluprovodnika, suštinski određuje mogućnosti njihove primene. INTEGRISANA KOLA zahtevaju poluprovodnike što većeg Eg

ind: 1) Veći Eg obezbeđuje višu gornju graničnu radnu temperaturu, iznad koje se javlja intenzivno termičko generisanje parova elektron-šupljina. Kada broj termički stvorenih e-š parova postane znatno veći od broja jonizovanih primesnih atoma, gubi se definisanost n ili p tipa poluprovodnika, a samim tim i mogućnost funkcionisanja p-n spojeva u integrisanim kolima. 2) Indirektni Eg otežava rekombinaciju injektovanih nosilaca u aktivnoj oblasti tranzistora (npr. u bazi bipolarnog tranzistora), čime se postiže veće pojačanje. Silicijum zadovoljava oba zahteva. Galijum-arsenid (GaAs) ima Eg

dir, ali i veliku pokretljivost i brzinu nosilaca ("brži" je materijal od silicijuma), zahvaljujući čemu se smanjuje vreme preleta nosilaca kroz aktivnu oblast tranzistora, a time i njihova rekombinacija u ovoj oblasti. Osim toga, GaAs ima i višu gornju graničnu radnu temperaturu od Si, zbog većeg energetskog procepa. 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 prevazilaze 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).

Primena materijala prema veličini i vrsti Eg

POLUPROVODNIČKI DETEKTORI ZRAČENJA (infracrvene, vidljive i ultraljubičaste svetlosti, X zraka, gama zraka, ili čestičnog jonizujućeg zračenja) najčešće koriste inverzno polarisane diode, i to prvenstveno od materijala sa Eg

dir. Kod takvih poluprovodnika elektron lakše prelazi iz valentne u provodnu energetsku zonu (veća je verovatnoća stvaranja para elektron-šupljina), pod uslovom da je energija fotona ili naelektrisane čestice ≥ Eg. Osetljiva zapremina poluprovodničkog detektora je oblast osiromašenja p-n spoja, u kojoj apsorpcijom upadnih fotona ili sudarima naelektrisanih čestica sa valentnim elektronima nastaju parovi elektron-šupljina. Električno polje inverzno polarisanog spoja efikasno razdvaja generisane elektrone i šupljine, sprečavajući njihovu rekombinaciju i dajući izlazni strujni signal detektora. Energetski procep materijala detektora određuje gornju granicu talasnih dužina zračenja λg koje taj detektor može da detektuje:

λg = hc/Eg Detektori infracrvenog zračenja koristite samo materijale veoma male vrednosti energetskog procepa (Eg < 0,2 eV). Materijali za izradu detektora infracrvenog zračenja biraju se u zavisnosti od opsega talasnih dužina u kome se detektor koristi. Postoje dva karakteristična atmosferska "prozora" (3–5 μm i 8–13 μm) u kojim je atmosfera najpropusnija za IC zračenje. U tim talasnim opsezima apsorpcija zračenja vodenom parom je najmanja. Indijum-antimonid (InSb) koristi se za detekciju IC zračenja u opsegu 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 termički šum, koji je na sobnoj temperaturi reda veličine IC signala, pa se zbog toga detektori obično hlade tečnim azotom (na 77 K).

Transmisioni spektar atmosfere u infracrvenoj oblasti

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 se i Si, iako ima indirektan procep, zbog izrazito niže cene od konkurentskih materijala. Minimumi slabljenja intenziteta svetlosnog signala u SiO2 optičkim vlaknima 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 korišćeni (InAs)1-x(GaP)x, In1-xGaxAs, Hg1-xCdxTe i Ge, uz isti komentar za Ge kao u slučaju Si.

Zavisnost slabljenja optičkog signala u funkciji talasne dužine za kvarcno staklo (SiO2).

Sunčeve ćelije ili solrane ćelije zahtevaju energetski procep u opsegu od 1 do 2,5 eV, u kom je najveća gustina sunčeve energije i najveći 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 solarnih ćelija izrađenih od različitih materijala

ČVRSTI IZVORI SVETLOSTI po pravilu su direktno polarisane poluprovodničke diode izrađene od materijala sa Eg

dir, kako bi se povećala efikasnost rekombinacije provodnih parova elektron-šupljina, pri kojoj se izračuju fotoni. Veličina energetskog procepa se bira prema zahtevanoj boji zračenja:

λg= hc/Eg

pri čemu boja emitovane svetlosti zavisi od njene talasne dužine. Izvori zračenja su bazirani na radijativnoj deeksitaciji elektrona, tj. silasku elektrona sa pobuđenih u niža energetska stanja uz emisiju razlike energija ovih stanja u vidu svetlosti. Zavisno od toga da li je emitovano zračenje nekoherentno ili koherentno, postoje dva osnovna tipa čvrstih izvora zračenja: LED (Light-Emitting Diode) - nekoherentna svetlost Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = pojačanje svetlosti putem stimulisane emisije zračenja) - koherentna svetlost

Direktno polarisane svetleće diode (LED) koriste spontanu rekombinaciju injektovanih nosilaca (elektrona i šupljina) u okolini p-n spoja, praćenu emisijom nekoherentnog zračenja. Pod injektovanim nosiocima podrazumevaju se elektroni koji zbog direktne polarizacije pređu iz n strane na p stranu spoja, kao i šupljine koje pređu iz p strane na n stranu spoja. U zavisnosti od veličine energetskog procepa poluprovodničkog materijala LED diode, zračenje koje se emituje pri rekombinaciji elektrona i šupljina može biti u vidljivoj ili infracrvenoj oblasti elektromagnetnog spektra. Da bi radijativna rekombinacija bila olakšana, potrebno je da materijal LED diode bude poluprovodnik sa direktnim energetskim procepom. Ponekad mogu da se koriste i poluprovodnici sa indirektnim energetskim procepom, dopirani specijalnim primesama koje deluju kao "zamke" (tj. centri zahvata) za elektrone i omogućavaju radijativnu rekombinaciju (praćenu emisijom fotona). Ove primese dovode do pojave diskretnih energetskih nivoa unutar energetskog procepa. Kada "zamka" zahvati (veže) elektron, on na energetskoj skali dospeva na diskretan nivo unutar energetskog procepa. Energija svetlosti emitovane prilikom rekombina-cije ovakvog elektrona sa šupljinom odgovara razlici energija diskretnog nivoa i vrha valetne zone. Na taj način, dodavanjem različitih primesa, može da se menja boja zračenja LED diode. 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 Eg

ind, ali se kod njih rekombinacija provodnih nosilaca ostvaruje preko primesnih centara koji energetski leže unutar energetskog procepa. Izlazna snaga LED dioda je relativno mala (~ 1 μW), a spektralna širina zračenja (tj. neodređenost talasne dužine) relativno velika (~ 10 nm). Ovo omogućava njihovu primenu u izradi numeričkih i alfanumeričkih displeja, ali se zato sve manje koriste kao izvori zračenja u optičkim komunikacijama.

Pogodniji izvori zračenja u optičkim komunikacijama, kako zbog veće izlazne snage (~ 10 mW) tako i zbog manje spektralne širine zračenja (~ 10−2 - 10−1 nm), jesu poluprovodnički laseri. Funkcionisanje lasera bazirano je na kvantnomehaničkom principu po kom kada foton interaguje sa elektronom postoji određena verovatnoća: - da će foton biti apsorbovan, a elektron pobuđen na viši energetski nivo ili - da će se, ako je elektron već pobuđen, dogoditi stimulisana emisija drugog fotona, deeksitacijom elektrona iz pobuđenog stanja u energetski niže stanje. Ovaj drugi foton ima istu talasnu dužinu i fazu kao prvi (što znači da su koherentni), a takođe i istu polarizaciju i pravac prostiranja kao prvi foton. Tako se prvobitni foton može pojačati. Pitanje da li će prvobitni foton biti pojačan ili apsorbovan u poluprovodniku zavisi od toga da li je većina elektrona u pobuđenim ili u niskoenergetskim stanjima. Situacija u kojoj je većina elektrona u pobuđenim stanjima poznata je kao populaciona inverzija (ili inverzna naseljenost) i ne može normalno da postoji, osim ako se ne koriste specijalni načini za "pumpanje" (podizanje) elektrona u pobuđena stanja, pre započinjanja laserskog efekta.

Apsorpcija Stimulisana emisija

Populaciona inverzija se najčešće postiže injektovanjem nosilaca (elektrona i šupljina) u okolini p-n spoja direktno polarisane laserske diode. Zato se ovakvi poluprovodnički laseri nazivaju injekcionim. Veliki broj injektovanih nosilaca formira oblast u okolini spoja sa velikim brojem elektrona u provodnoj zoni i velikim brojem šupljina u valentnoj zoni, što i odgovara populacionoj inverziji. Neki od injektovanih elektrona će početi da se spontano rekombinuju sa injektovanim šupljinama, emitujući fotone koji će dalje da stimulišu koherentnu emisiju drugih fotona, itd. Ovi fotoni, došavši do ogledalaste kristalne površine laserske diode, doživljavaju unutrašnju refleksiju unatrag ka p-n spoju, gde u oblasti populacione inverzije stimulišu koherentno zračenje novih fotona, i zajedno sa njima dospevaju do suprotnog zida laserske diode. Neki se ponovo reflektuju i tako stimulišu sve jače koherentno svetlosno zračenje. Postoje i gubici: 1) zračenjem koherentne svetlosti u okolinu (transmisijom kroz zid diode) ili 2) apsorpcijom fotona unutar poluprovodnika daleko od spoja gde nema populacione inverzije Ako su ovi gubici manji od svetlosnog pojačanja stimulisanom emisijom, broj fotona i intenzitet svetlosti će se brzo povećavati, dok će jaka direktna struja laserske diode neprekidno da obnavlja populacionu inverziju. Intenzitet svetlosti će se stabilizovati na vrednosti pri kojoj su svetlosni gubici (koji rastu sa intenzitetom) uravnoteženi svetlosnim pojačanjem.

Šematski prikaz energetskih zona i strukture injekcionog poluprovodničkog lasera.

Glavna teškoća vezana za strukturu bazičnog injekcionog poluprovodničkog lasera je velika gustina struje potrebna za populacionu inverziju: ~ 105 A/cm2 na 300 K, odnosno ~ 103 A/cm2 na 77 K. Zato je on uglavnom bio korišćen na temperaturi tečnog azota (77 K), pa i tada u impulsnom režimu (da bi između impulsa bilo omogućeno hlađenje). Značajan napredak je postignut izradom poluprovodničkih injekcionih lasera na bazi višestrukih heterospojeva, omogućen novim tehnologijama izrade tankih slojeva, kao što je epitaksija molekularnim snopom (MBE). Kod lasera na bazi višestrukih heterospojeva, kao posledica različitih vrednosti energetskih procepa na mestima heterospojeva, pojavljuju se različite potencijalne barijere u provodnoj i valentnoj zoni. Pri direktnoj polarizaciji multiheterospojne laserske strukture dolazi do lokalizacije injektovanih nosilaca (elektrona i šupljina) unutar aktivne oblasti (širine 0,1 - 0,5 μm), gde dolazi do rekombinacije nosilaca i emisije fotona. S obzirom da promena u indeksu prelamanja istovremeno vrši lokalizaciju emitovanih fotona u ovoj aktivnoj oblasti (zbog totalne refleksije), to u toj oblasti postoji istovremeno visoka koncentracija elektrona, šupljina i fotona. Zato ovde laserski efekat nastaje pri znatno nižoj gustini struje (~ 500 A/cm2 na 300 K), što omogućava rad ovog lasera i u kontinualnom režimu, na sobnoj temperaturi.

Nepolarisan homospoj Direktno polarisan homospoj

Direktno polarisan heterospoj

p tip

n tip

n tip

p tip

Oblast barijere Oblast barijere Aktivna oblast

(d) Primer za direktno polarisan heterospoj, sa detaljnijim prikazom granica zona. Prema aktivnoj oblasti od nedopiranog galijum arsenida postoje dva različita heterospoja, jer je leva AlxGa1−xAs oblast p tipa, a desna n tipa. Na levom heterospoju se zato javlja uska potencijalna barijera za šupljine, a na desnom za elektrone. Pri direktnoj polarizaciji, šupljine tuneluju kroz barijeru iz leve AlxGa1−xAs oblasti, a elektroni iz desne oblasti. Nakon ove injekcije, obe vrste naelektrisanja ostaju lokalizovane unutar aktivne oblasti, zahvaljujući obliku potencijalih barijera na heterospojevima.

Pogodno dizajnirani laseri na bazi multiheterospojnih struktura (tzv. quantum well laseri, kod kojih su aktivne oblasti nanometarskih debljina) imaju koherentnost zračenja ~ 10−1 nm, što je desetak puta bolje od osnovnih poluprovodničkih lasera, a u rangu sa gasnim laserima. Ovo je posledica diskretne gustine stanja 2D elektronskog i šupljinskog gasa u ovim strukturama, koje su po svom karakteru superrešetke. Laserske diode po pravilu koriste materijale sa Eg

dir: • jedinjenja GaAs, InP • legure In1-xGaxAs, (InAs)1-x(GaP)x • superrešetke Al1-xGaxAs-GaAs 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 • In1–xGaxAs-InP i (InAs)1-x(GaP)x-InP heterospojne strukture u II generaciji

optičkih komunikacija.

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 (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. 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.

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 do 200oC, dok je za GaAs ona do 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 veću srednju driftovsku brzinu zasićenja ( ) od Ge i Si.

Uporedne karakteristike Si, Ge, GaAs

Dvds

maxΔ dv

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 10−1 Ωm na 106 Ωm. Ako se ovakav poluizolatorski GaAs koristi kao podloga za izradu poluprovodničkih komponenti, 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 jevtinim i pouzdanim postupkom termalne oksidacije. To nije moguće postići na GaAs (ili Ge), pa se u tom slučaju kao izolacioni sloj najčešće koristi 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, jer je odvođenje toplote sa inetgrisanih kola otežano. 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 gustinu (ρm) ima silicijum, zabog čega su kola na bazi ovog materijala najmanje težine.

Najnižu cenu izrade 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 gornjih provodnih (npr. aluminijumskih) 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 nove Si1-xGex–Si nanostrukture. U bliskoj budućnosti se očekuje razvoj novih tipova tranzistora na novim principima, kao što su nizovi kvantnih tačaka, heterospojni i balistički tranzistori. Si i GaAs su potencijalno primenjivi materijali za ove nove vrste kola, mada bolje perspektive ima GaAs zbog manje efektivne mase elektrona. 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 da generiše veliki broj 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 tražen materijal za izradu ovih infracrvenih prozora.

Od elementarnih poluprovodnika, osim Si i Ge, koriste se još selen (Se) i ugljenik (C).

Selen se koristi za izradu zaštitinika od prenapona u visokonaponskoj tehnici, fotoćelija, fotosenzitivnih slojeva na valjkovima uređaja za fotokopiranje, dok se radioizotop 75Se kokristi kao izvor gama zraka u industrijskoj radiografiji.

Ugljenik se javlja u više alotropskih modifikacija: dijamant, grafit, ugljenične nanocevi, molekul C60, grafen.

Dijamant ima izuzetno velik energetski procep (5,6 eV), karakterističan za dielektrike, ali se 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 (κ = 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 (~10−6 Ωm). On ima slojevitu strukturu paralelnih ravni u kojima su atomi ugljenika raspoređeni u šestouganu formu pčelinjeg saća. Provodnost u ravnima je oko 100 puta veća od provodnosti u pravcu normalnom na ravni. Grafit se koristi za izradu grejača i posuda za topljenje drugih poluprovodničkih materijala, zbog izvanredno visoke temperature topljenja (3845oC).

Ugljenične nanocevi (eng. carbon nanotubes) su 1D strukture koje mogu da provode električnu struju duž jednog pravca i ispoljavaju još čitav niz specifičnih električnih karakteristika. Imaju bolja mehanička svojstva od čelika.

Ostali važniji poluprovodnički elementi, jedinjenja, legure i nanostrukture

Alotropske modifikacije ugljenika

Mikrograf skupine nanocevi Šematski prikaz nanocevi sa jednim i dva zida

C60 fuleren C80 fuleren

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 podlogom od GaAs, pri čemu ti slojevi dopirani nekim primesama (K, Rb ili Tl) postaju i superprovodni. Ovo im daje perspektivu u višeslojnoj GaAs mikroelektronici.

Jedinstven naziv za molekule i strukture sačinjene isključivo od atoma ugljenika je fulereni, mada se ovaj termin često koristi samo za sferične ugljenične strukture, za koje je rasprostranjen i engleski termin buckyballs.

Grafen je monoatosmki sloj ugljenikovih atoma raspoređenih u pravilnu heksagonalnu strukturu (mrežu). Nazivi koji su ranije korišćeni za grafen su sloj grafita ili sloj ugljenika.

Grafen je otkriven još 1970-ih, ali fizičari su decenijama smatrali da ne može da se dobije kao nezavisna stabilna struktura, već samo naslagan u grafitu, umotan u nanocevi ili sklupčan u fulerene. Neki istraživači su čak uspevali da naprave grafen, nanošenjem ugljovodoničnih jedinjenja na metalne podloge procesom hemijske depozicije iz parne faze (CVD). Ovi rezultati, međutim, nisu privukli mnogo pažnje, jer niko nije pokušao da dobije grafen na izolatorskoj podlozi, kako bi mogle da se ispitaju električne osobine nanetog sloja.

Veća pažnja grafenu se posvećuje od 2004. godine, kada su Geim i Novoselov (dva ruska naučnika na Univerzitetu u Mančesteru u Engleskoj) uspeli da ga prenesu na pogodnu podlogu (SiO2) koja je omogućavala da se prouče njegove jedinstvene osobine. Za svoj rad na grafenu ova dva naučnika dobila su Nobelovu nagradu za fiziku 2010. godine.

Iako je grafen najtanji mogući sloj materijala, on je nepropustan za gasove, a takođe je mehanički najizdržljiviji 2D materijal za koji se zna, sa zateznom čvrstoćom 200 puta većom od čelika. Povrh toga, provodi toplotu bolje od bilo kog metala. Najimpresivnije su ipak električne karakteristike grafena, posebno pokretljivost nosilaca naelektrisanja koja je oko 2000 puta veća od pokretljivosti u silicijumu, zbog čega bi elektronske komponente izrađene na bazi grafena mogle da prekidaju (tj. menjaju logičko stanje) izuzetno brzo i tako znatno ubrzaju obradu podataka u novoj generaciji računara. Pod grafenom se, striktno, podrazumeva monoatosmki sloj ugljenikovih atoma, ali se zbog složenosti procesa dobijanja ove strukture u praksi grafenom smatraju i strukture koje imaju manje od 10 naslaganih monoatomskih slojeva ugljenika, dok one sa više od 10 slojeva već smatraju grafitom. Velika pokretljivost elektrona i šupljina u grafenu znači da se ovi nosioci naelektrisanja kreću balistički, prelazeći čak mikrometarske razdaljine bez rasejanja na atomima ugljenika ili strukturnim nesavršenostima. Tranzistori sa efektom polja (FET-ovi) kod kojih bi oblast sa ulogom provodnog kanala bila izrađena od grafena mogli bi da prekidaju izuzetno brzo, pod uslovom da se postigne upravljanje provodnim stanjem kanala pomoću napona polarizacije gejta, što do sada nije ostvareno na zadovoljavajući način. Posebno je značajna činjenica da pokretljivost elektrona u grafenu ostaje visoka čak i kad koncentracija elektrona u njemu dostigne nivo od 1019 cm−3. Ovako visoka koncentracija elektrona u klasičnim poluprovodnicima postiže se dopiranjem, što zbog prisustva atoma dopanata, na kojima se elektroni tokom drifta rasejavaju, obara pokretljivost nosilaca.

Kada se sloj klasičnog poluprovodnika koji provodi struju (kanal) učini tanjim, pokretljivost nosilaca opada, jer rasejavanje na površinskim defektima postaje izraženije. Ova neželjena pojava je znatno manje izražena kod grafena, u kom je pokretljivost gotovo nezavisna od slojeva koji ga okružuju sa gornje i donje strane. Velika toplotna provodnost grafena (toplota se prenosi horizontalno u sloju) je još jedna pogodnost, jer omogućava efikasnu disipaciju toplote koja se oslobađa radom elektronske komponente.

Tabela 1. Poređenje električnih osobina grafena i standardnih voluminoznih (eng. bulk) poluprovodnika. Veličine u tabeli su: širina enegetskog procepa (Eg), odnos efektivne mase elektrona i mase slobodnog elektrona (m*/me), pokretljivost elektrona (µe) i driftovska brzina zasićenja elektrona (vsat). 2D elektronski gas (2DEG) za koji su dati podaci odnosi se na heterospoj AlGaN/GaN.

Kretanje nosilaca naelektrisanja kroz grafen pri proticanju struje nije isto kao drift u klasičnim materijalma. Ono predstavlja kombinaciju balističkog transporta (bez rasejavanja, tj. bez sudara) i difuzionog transporta (sa rasejavanjem nosilaca). Balistički transport dominantan je samo u teorijski idealnom grafenu ili u grafenu visoke čistoće, dok se kod eksperimentalno ostvarivog grafena javlja nekoliko mehanizama rasejavanja nosilaca koji u izvesnoj meri smanjuju njihovu pokretljivost. Detalji mehanizma kretanja nosilaca zavise od koncentracije nosilaca naelektrisanja, čistoće grafena i podloge na koju je nanet. Od poluprovodničkih jedinjenja, osim najpoznatijeg III-V jedinjenja GaAs, najviše se koriste 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 velikom pokretljivošću provodnih elektrona (do 8·104 cm2/Vs). Indijum fosfid (InP) jedan je od najproučavanijih poluprovodnika danas. Već su realizovani tranzistori na bazi InP sa radnom učestanošću > 600 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 kada su dopirane azotom one se odlikuju velikim sjajem, jer je oko najosetljivije upravo na spektralnu oblast zelene boje na kojoj zrače. Cink selenid (ZnSe) takođe se široko koristi za izradu LED dioda, i to u plavoj spektralnoj oblasti.

Kadmijum telurid (CdTe) se koristi kao monokristalna podloga za izradu infracrvenih detektora na bazi Hg1-xCdxTe legura, u superrešetkama CdTe-HgTe, kao i za izradu ultra-tankih solarnih ćelija. 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 i 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 koriste se za izradu ultrabrzih nanoelektronskih tranzistora. 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 koristila i Sn1-xPbxTe legura. 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 nanoelektronskih integrisanih kola, baziranih na kvantnomehaničkim principima.