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1.1 A Survey of Semiconductors

T h e f o l l o w i n g i s a b r i e f s u r v e y o f s e v e r a l t y p e s o f t h e b e t t e r - k n o w n s e m i c o n d u c t o r s .

1.1.1 Elemental Semiconductors

T h e b e s t - k n o w n s e m i c o n d u c t o r i s o f c o u r s e t h e e l e m e n t S i . T o g e t h e r w i t h g e r m a n i u m

( G e ) , i t i s t h e p r o t o t y p e o f a l a r g e c l a s s o f s e m i c o n d u c t o r s w i t h s i m i l a r

c r y s t a l s t r u c t u r e s . T h e c r y s t a l s t r u c t u r e o f S i a n d G e i s t h e s a m e a s t h a t

o f d i a m o n d a n d

- t i n ( a z e r o - g a p s e m i c o n d u c t o r a l s o k n o w n a s g r a y t i n ) . I n

t h i s s t r u c t u r e e a c h a t o m i s s u r r o u n d e d b y f o u r n e a r e s t n e i g h b o r a t o m s ( e a c h

a t o m i s s a i d t o b e

four-fold coordinated) , f o r m i n g a t e t r a h e d r o n . T h e s e

tetrahedrally

bondeds e m i c o n d u c t o r s f o r m t h e m a i n s t a y o f t h e e l e c t r o n i c s i n d u s t r y

a n d t h e c o r n e r s t o n e o f m o d e r n t e c h n o l o g y . M o s t o f t h i s b o o k w i l l b e d e v o t e d

t o t h e s t u d y o f t h e p r o p e r t i e s o f t h e s e t e t r a h e d r a l l y b o n d e d s e m i c o n d u c t o r s .

S o m e e l e m e n t s f r o m t h e g r o u p s V a n d V I o f t h e p e r i o d i c a l t a b l e , s u c h a s

p h o s p h o r u s ( P ) , s u l f u r ( S ) , s e l e n i u m ( S e ) a n d t e l l u r i u m ( T e ) , a r e a l s o s e m i c o n d u c t o r s .

T h e a t o m s i n t h e s e c r y s t a l s c a n b e t h r e e - f o l d ( P ) , t w o - f o l d ( S , S e ,

T e ) o r f o u r - f o l d c o o r d i n a t e d . A s a r e s u l t , t h e s e e l e m e n t s c a n e x i s t i n s e v e r a l

d i f f e r e n t c r y s t a l s t r u c t u r e s a n d t h e y a r e a l s o g o o d g l a s s - f o r m e r s . F o r e x a m p l e ,

S e h a s b e e n g r o w n w i t h m o n o c l i n i c a n d t r i g o n a l c r y s t a l s t r u c t u r e s o r a s a g l a s s

( w h i c h c a n a l s o b e c o n s i d e r e d t o b e a p o l y m e r ) .

1.1.2 Binary Compounds

C o m p o u n d s f o r m e d f r o m e l e m e n t s o f t h e g r o u p s I I I a n d V o f t h e p e r i o d i c

t a b l e ( s u c h a s G a A s ) h a v e p r o p e r t i e s v e r y s i m i l a r t o t h e i r g r o u p I V c o u n t e r p a r t s .

I n g o i n g f r o m t h e g r o u p I V e l e m e n t s t o t h e I I I V c o m p o u n d s , t h e b o n d i n g

b e c o m e s p a r t l y i o n i c d u e t o t r a n s f e r o f e l e c t r o n i c c h a r g e f r o m t h e g r o u p

I I I a t o m t o t h e g r o u p V a t o m . T h e i o n i c i t y c a u s e s s i g n i f i c a n t c h a n g e s i n t h e

s e m i c o n d u c t o r p r o p e r t i e s . I t i n c r e a s e s t h e C o u l o m b i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e

i o n s a n d a l s o t h e e n e r g y o f t h e f u n d a m e n t a l g a p i n t h e e l e c t r o n i c b a n d s t r u c t u r e .

T h e i o n i c i t y b e c o m e s e v e n l a r g e r a n d m o r e i m p o r t a n t i n t h e I I V I c o m p o u n d s

s u c h a s Z n S . A s a r e s u l t , m o s t o f t h e I I V I c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s

h a v e b a n d g a p s l a r g e r t h a n 1 e V . T h e e x c e p t i o n s a r e c o m p o u n d s c o n t a i n i n g

t h e h e a v y e l e m e n t m e r c u r y ( H g ) . M e r c u r y t e l l u r i d e ( H g T e ) i s a c t u a l l y a z e r o b a n d g a p

s e m i c o n d u c t o r ( o r a s e m i m e t a l ) s i m i l a r t o g r a y t i n . W h i l e t h e l a r g e

b a n d g a p I I V I c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s h a v e p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s f o r d i s p l a y s

a n d l a s e r s , t h e s m a l l e r b a n d g a p I I V I s e m i c o n d u c t o r s a r e i m p o r t a n t m a t e r i a l s

f o r t h e f a b r i c a t i o n o f i n f r a r e d d e t e c t o r s . T h e I V I I c o m p o u n d s ( e . g . ,

C u C l ) t e n d t o h a v e e v e n l a r g e r b a n d g a p s (

_

3 e V ) a s a r e s u l t o f t h e i r h i g h e r

1 . 1 A S u r v e y o f S e m i c o n d u c t o r s 3

i o n i c i t y . M a n y o f t h e m a r e r e g a r d e d a s i n s u l a t o r s r a t h e r t h a n s e m i c o n d u c t o r s .

A l s o , t h e i n c r e a s e i n t h e c o h e s i v e e n e r g y o f t h e c r y s t a l d u e t o t h e C o u l o m b

i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e i o n s f a v o r s t h e r o c k - s a l t s t r u c t u r e c o n t a i n i n g s i x - f o l d

c o o r d i n a t e d a t o m s r a t h e r t h a n t e t r a h e d r a l b o n d s . B i n a r y c o m p o u n d s f o r m e d

f r o m g r o u p I V a n d V I e l e m e n t s , s u c h a s l e a d s u l f i d e ( P b S ) , P b T e a n d t i n s u l f i d e

( S n S ) , a r e a l s o s e m i c o n d u c t o r s . T h e l a r g e i o n i c i t y o f t h e s e c o m p o u n d s a l s o

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f a v o r s s i x - f o l d c o o r d i n a t e d i o n s . T h e y a r e s i m i l a r t o t h e m e r c u r y c h a l c o g e n i d e s

i n t h a t t h e y h a v e v e r y s m a l l b a n d g a p s i n s p i t e o f t h e i r l a r g e i o n i c i t y . T h e s e

s m a l l b a n d g a p I V V I s e m i c o n d u c t o r s a r e a l s o i m p o r t a n t a s i n f r a r e d d e t e c t o r s .

G a N , a l a r g e b a n d g a p I I I V c o m p o u n d , a n d t h e m i x e d c r y s t a l s G a 1 _xI n xN a r e

b e i n g u s e d f o r b l u e l i g h t e m i t t i n g d i o d e s a n d l a s e r s [ 1 . 1 ] .

1.1.3 OxidesA l t h o u g h m o s t o x i d e s a r e g o o d i n s u l a t o r s , s o m e , s u c h a s C u O a n d C u

2

O , a r e

w e l l - k n o w n s e m i c o n d u c t o r s . S i n c e c u p r o u s o x i d e ( C u 2 O ) o c c u r s a s a m i n e r a l

( c u p r i t e ) , i t i s a c l a s s i c s e m i c o n d u c t o r w h o s e p r o p e r t i e s h a v e b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y .

I n g e n e r a l , o x i d e s e m i c o n d u c t o r s a r e n o t w e l l u n d e r s t o o d w i t h r e g a r d

t o t h e i r g r o w t h p r o c e s s e s , s o t h e y h a v e l i m i t e d p o t e n t i a l f o r a p p l i c a t i o n s

a t p r e s e n t . O n e e x c e p t i o n i s t h e I I V I c o m p o u n d z i n c o x i d e ( Z n O ) , w h i c h h a s

f o u n d a p p l i c a t i o n a s a t r a n s d u c e r a n d a s a n i n g r e d i e n t o f a d h e s i v e t a p e s a n d

s t i c k i n g p l a s t e r s . H o w e v e r , t h i s s i t u a t i o n h a s c h a n g e d w i t h t h e d i s c o v e r y o f s u p e r c o n d u c t i v i t y

i n m a n y o x i d e s o f c o p p e r .

T h e f i r s t m e m b e r o f t h e s e s o - c a l l e d h i g h -

Tc

s u p e r c o n d u c t o r s , d i s c o v e r e d

b y M u l l e r a n d B e d n o r z

2

, i s b a s e d o n t h e s e m i c o n d u c t o r l a n t h a n u m c o p p e r

o x i d e ( L a

2

C u O

4

) , w h i c h h a s a b a n d g a p o f a b o u t 2 e V . C a r r i e r s i n t h e f o r m

o f h o l e s a r e i n t r o d u c e d i n t o L a

2

C u O

4

w h e n t r i v a l e n t l a n t h a n u m ( L a ) i s r e p l a c e d

b y d i v a l e n t b a r i u m ( B a ) o r s t r o n t i u m ( S r ) o r w h e n a n e x c e s s o f o x y g e n

i s p r e s e n t . W h e n s u f f i c i e n t c a r r i e r s a r e p r e s e n t t h e s e m i c o n d u c t o r t r a n s f o r m s

i n t o a s u p e r c o n d u c t i n g m e t a l . S o f a r t h e h i g h e s t s u p e r c o n d u c t i n g t r a n s i t i o n

t e m p e r a t u r e a t a m b i e n t p r e s s u r e (

Tc_ 1 3 5 K ) f o u n d i n t h i s f a m i l y o f m a t e r i a l s

b e l o n g s t o H g B a C a

2

C u

3

O

8 _. H g B a C a

2

C u

3

O

8 _r e a c h e s a

Tc_ 1 6 4 K

u n d e r h i g h p r e s s u r e [ 1 . 2 ] . A t t h e t i m e t h i s t h i r d e d i t i o n w e n t i n t o p r i n t t h i s

r e c o r d h a d n o t y e t b e e n b r o k e n .

1.1.4 Layered Semiconductors

S e m i c o n d u c t i n g c o m p o u n d s s u c h a s l e a d i o d i d e ( P b I

2

) , m o l y b d e n u m d i s u l f i d e

( M o S

2

) a n d g a l l i u m s e l e n i d e ( G a S e ) a r e c h a r a c t e r i z e d b y t h e i r l a y e r e d c r y s t a l

s t r u c t u r e s . T h e b o n d i n g w i t h i n t h e l a y e r s i s t y p i c a l l y c o v a l e n t a n d m u c h

s t r o n g e r t h a n t h e v a n d e r W a a l s f o r c e s b e t w e e n t h e l a y e r s . T h e s e l a y e r e d s e m i c o n d u c t o r s

h a v e b e e n o f i n t e r e s t b e c a u s e t h e b e h a v i o r o f e l e c t r o n s i n t h e l a y e r s

i s q u a s i - t w o - d i m e n s i o n a l . A l s o , t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a y e r s c a n b e m o d - i f i e d b y i n c o r p o r a t i n g f o r e i g n

a t o m s b e t w e e n t h e l a y e r s i n a p r o c e s s k n o w n a s

i n t e r c a l a t i o n .

1.1.5 Organic SemiconductorsM a n y o r g a n i c c o m p o u n d s s u c h a s p o l y a c e t y l e n e [ ( C H

2

) n] a n d p o l y d i a c e t y l e n e

a r e s e m i c o n d u c t o r s . A l t h o u g h o r g a n i c s e m i c o n d u c t o r s a r e n o t y e t u s e d i n a n y

e l e c t r o n i c d e v i c e s , t h e y h o l d g r e a t p r o m i s e f o r f u t u r e a p p l i c a t i o n s . T h e a d v a n t a g e

o f o r g a n i c o v e r i n o r g a n i c s e m i c o n d u c t o r s i s t h a t t h e y c a n b e e a s i l y t a i l o r e d

t o t h e a p p l i c a t i o n s . F o r e x a m p l e , c o m p o u n d s c o n t a i n i n g c o n j u g a t e b o n d s

s u c h a s C = C C = h a v e l a r g e o p t i c a l n o n l i n e a r i t i e s a n d t h e r e f o r e m a y h a v e i m p o r t a n t

a p p l i c a t i o n s i n o p t o - e l e c t r o n i c s . T h e b a n d g a p s o f t h e s e c o m p o u n d s c a n

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b e c h a n g e d m o r e e a s i l y t h a n t h o s e o f i n o r g a n i c s e m i c o n d u c t o r s t o s u i t t h e a p p l i c a t i o n

b y c h a n g i n g t h e i r c h e m i c a l f o r m u l a s . R e c e n t l y n e w f o r m s o f c a r b o n ,

s u c h a s C 6 0 ( f u l l e r e n e ) , h a v e b e e n f o u n d t o b e s e m i c o n d u c t o r s . O n e f o r m o f

c a r b o n c o n s i s t s o f s h e e t s o f g r a p h i t e r o l l e d i n t o a t u b e o f s o m e n a n o m e t e r s

i n d i a m e t e r k n o w n a s nanotubes[ 1 . 3 , 4 ] . T h e s e c a r b o n n a n o t u b e s a n d t h e i r

c o u s i n , B N n a n o t u b e s , h o l d g r e a t p r o m i s e a s n a n o s c a l e e l e c t r o n i c c i r c u i t

e l e m e n t s . T h e y c a n b e m e t a l s o r s e m i c o n d u c t o r s d e p e n d i n g o n t h e i r p i t c h .

1.1.6 Magnetic Semiconductors

M a n y c o m p o u n d s c o n t a i n i n g m a g n e t i c i o n s s u c h a s e u r o p i u m ( E u ) a n d m a n g a n e s e

( M n ) , h a v e i n t e r e s t i n g s e m i c o n d u c t i n g a n d m a g n e t i c p r o p e r t i e s . E x a m p l e s

o f t h e s e m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s i n c l u d e E u S a n d a l l o y s s u c h a s

C d

1 _xM n

xT e . D e p e n d i n g o n t h e a m o u n t o f t h e m a g n e t i c i o n i n t h e s e a l l o y s ,

t h e l a t t e r c o m p o u n d s e x h i b i t d i f f e r e n t m a g n e t i c p r o p e r t i e s s u c h a s f e r r o m a g n e t i s m

a n d a n t i f e r r o m a g n e t i s m . T h e m a g n e t i c a l l o y s e m i c o n d u c t o r s c o n t a i n i n g

l o w e r c o n c e n t r a t i o n s o f m a g n e t i c i o n s a r e k n o w n a s d i l u t e m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s .

T h e s e a l l o y s h a v e r e c e n t l y a t t r a c t e d m u c h a t t e n t i o n b e c a u s e o f t h e i r

p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s . T h e i r F a r a d a y r o t a t i o n s c a n b e u p t o s i x o r d e r s o f m a g n i t u d e

l a r g e r t h a n t h o s e o f n o n m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s . A s a r e s u l t , t h e s e

m a t e r i a l s c a n b e u s e d a s o p t i c a l m o d u l a t o r s , b a s e d o n t h e i r l a r g e m a g n e t o o p t i c a l

e f f e c t s . T h e p e r o v s k i t e s o f t h e t y p e L a 0 . 7 C a 0 . 3 M n O 3 u n d e r g o m e t a l

s e m i c o n d u c t o r t r a n s i t i o n s w h i c h d e p e n d s t r o n g l y o n m a g n e t i c f i e l d , g i v i n g r i s e

t o t h e p h e n o m e n o n o f

collossal magneto-resistance( C M R ) [ 1 . 5 ] .

1.1.7 Other Miscellaneous Semiconductors

T h e r e a r e m a n y s e m i c o n d u c t o r s t h a t d o n o t f a l l i n t o t h e a b o v e c a t e g o r i e s . F o r

e x a m p l e , S b S I i s a s e m i c o n d u c t o r t h a t e x h i b i t s f e r r o e l e c t r i c i t y a t l o w t e m p e r a t u r e s .

C o m p o u n d s w i t h t h e g e n e r a l f o r m u l a I I I I V I

2

a n d I I I V V

2

( s u c h a s

A g G a S

2

, i n t e r e s t i n g f o r i t s n o n l i n e a r o p t i c a l p r o p e r t i e s , C u I n S e

2

, u s e f u l f o r

s o l a r c e l l s , a n d Z n S i P

2

) c r y s t a l l i z e i n t h e c h a l c o p y r i t e s t r u c t u r e . T h e b o n d i n g

i n t h e s e c o m p o u n d s i s a l s o t e t r a h e d r a l a n d t h e y c a n b e c o n s i d e r e d a s a n a l o g s

1 . 2 G r o w t h T e c h n i q u e s 5

o f t h e g r o u p I I I V a n d I I V I s e m i c o n d u c t o r s w i t h t h e z i n c - b l e n d e s t r u c t u r e .

C o m p o u n d s f o r m e d f r o m t h e g r o u p V a n d V I e l e m e n t s w i t h f o r m u l a s s u c h

a s A s 2 S e 3 a r e s e m i c o n d u c t o r s i n b o t h t h e c r y s t a l l i n e a n d g l a s s y s t a t e s . M a n y

o f t h e s e s e m i c o n d u c t o r s h a v e i n t e r e s t i n g p r o p e r t i e s b u t t h e y h a v e n o t y e t r e c e i v e d

m u c h a t t e n t i o n d u e t o t h e i r l i m i t e d a p p l i c a t i o n s . T h e i r e x i s t e n c e s h o w s

t h a t t h e f i e l d o f s e m i c o n d u c t o r