2.1 Ábra: A periódusos táblázat eleminek félvezetőkre vonatkozó tartománya.

A 2.1 ábra a periódusos táblázatnak azt a részletét mutatja, amelyben szereplő elemek többsége fontos helyet foglal el a félvezető elektronikában és a félvezető fotonikában.

Elemi félvezetők

A periódusos táblázat IV. oszlopában található szilícium (Si) és germánium (Ge) fontos elemi félvezetők. Tulajdonképpen minden kereskedelmi elektronikus integrált áramkört és készüléket Si felhasználásával állítanak elő. Mind a Si, mind pedig a Ge széleskörű alkalmazásával találkozunk a fotonikában is, elsősorban fotodetektorként. Ezeket az anyagokat tradicionálisan, nem alkalmazzák fényemitterek előállítására, mivel ezek az anyagok indirekt tiltott sávú félvezetők. Azonban a Si bizonyos formái alkalmasak fényemitterek készítésre és így a szilícium fotonika is egyre fejlődik. A 2.1 táblázat a Si és a Ge alaptulajdonságait tartalmazza.

Félvezető vegyületek

Binér (III.-V.) vegyület-félvezetők

A periódusos táblázat III. oszlopa egy elemének [pl. az alumíniumnak (Al), a galliumnak (Ga), vagy az indiumnak (In)] az V. oszlop egy elemével [pl. a nitrogénnel (N), a foszforral (P), az arzénnal (As) vagy az antimonnal (Sb)] való kombinációja (lásd 2.2 ábra) a fotonikában fontos 12 vegyület-félvezető előállítására vezet.

2.2 Ábra:

A III.-V. oszlop elemeiből képzett 12 félvezető vegyületet a 2.2 táblázatban soroljuk fel, megadva a kristályszerkezetüket (Z = cinkblende vagy W = wurtzit, lásd im_2_2]2.2 Animáció és im_2_3]2.3 Animáció), a tiltott sáv típusát (D = direkt tiltott energiasáv vagy I = indirekt tiltott energiasáv), a tiltott energiasáv $E_{g}$ értékét és az $E_{g}$ energiájú foton szabad térbeli $\lambda _{g}=hc_{0}/E_{g}\approx 1,24/E_{g}$ hullámhosszát is.

A kétkomponensű (biner) félvezető vegyületek többsége alkalmas foton-források (fényemittáló diódák és lézerek) és foton-detektorok készítésére. Az első kétkomponensű félvezető, amelyről megállapították, hogy használható a fotonikában, a galliumarzenid (GaAs) volt, amelyet néha a Si alternatívájaként is használtak elektronikus készülékek és áramkörök előállításánál. A galliumnitrid (GaN) központi szerepet játszik a fotonikában, elsősorban annak köszönhetően, hogy az $E_{g}$ tiltott sávszélességének a közeli ultraibolya fény hullámhossza felel meg ( $\lambda _{g}=hc_{0}/E_{g}$). Ugyancsak fontos ez az anyag az elektronika számára is, mivel képes ellenállni a magas hőmérsékleteknek. Valamennyi III.-V. vegyület közül az AlN – amely szigetelő – rendelkezik a legnagyobb tiltottsávszélességgel (lásd 2.2 táblázat) és a legrövidebb hullámhosszúságnál emittál fotonokat, a középső ultraibolya tartományban.

Terner (III-V) vegyület-félvezetők

Fontos terner félvezetőket nyerünk, ha a periódusos táblázat III. oszlopának két eleméből és az V. oszlop egy eleméből (vagy a III. oszlop egy eleméből és az V. oszlop két eleméből) vegyületeket képezünk (lásd 2.3 ábra).

Az $\mathbf{(\text {Al}_{x}\text {Ga}_{1-x})\text {As}}$ pl. egy olyan vegyület, amelynek félvezető tulajdonságai az AlAs és a GaAs biner alkotók tulajdonságaiból interpolációval közelíthetőek. Az $x$ összetétel-paraméter (az összetevők keverési aránya) azt mutatja meg, hogy a GaAs-ben a Ga atomok hányad részét helyettesítik az Al atomok. Ha $x$ 0 és 1 között változik, akkor a $\text {Al}_{x}\text {Ga}_{1-x}\text {As}$ vegyület-félvezető $E_{g}$ tiltottsávszélessége a GaAs-re vonatkozó $1,42\mathrm {eV}$ és az AlAs-er vonatkozó $2,16\mathrm {eV}$ között változik, közel lineárisan. Mivel az $\text {Al}_{x}\text {Ga}_{1-x}\text {As}$ rácsa illeszkedik a GaAs rácsához, ezért ennek az anyagnak tetszőleges összetételű rétege – rácstorzulás nélkül – különböző összetételű rétegekre növeszthető.

Az $\mathbf{(\text {In}_{x}\text {Ga}_{1-x})\text {As}}$ vegyület-félvezetőt széleskörűen alkalmazzák a spektrum közeli infravörös tartományában foton forrásokként és detektorokként. Hasonlóképpen az $(\text {Al}_{x}\text {Ga}_{1-x})\text {N}$ és az $(\mathbf{\text {In}_{x}\text {Ga}_{1-x})\text {N}}$ fontos vegyület-félvezetők azokban a fotonikus készülékekben, amelyek a spektrum ultraibolya, ibolya, kék és zöld tartományában működnek.

Kvaterner (III-V) vegyület-félvezetők

Ezek a vegyületek úgy keletkeznek, hogy a periódusos táblázat III. oszlopának két elemét összevegyítjük az V. oszlop két elemével (vagy a III. oszlop három elemét az V. oszlop egy elemével).

2.4 Ábra:

A kvaterner vegyület-félvezetők nagyobb lehetőséget kínálnak előírt tulajdonságokkal rendelkező anyagok készítéséhez, mint a terner vegyület-félvezetők, elsősorban eggyel több szabadsági fokuknál fogva. Példaként vegyük az $\mathbf{\text {In}_{1-x}\text {Ga}_{x}\text {As}_{1-y}\text {P}_{y}}$ vegyületet, amelynek a tiltott sávszélessége $0,36\mathrm {eV}$ (InAs) és $2,26\mathrm {eV}$ (GaP) között változik, amint a komponensek $x$ és $y$ keverési arányai $0$ és $1$ között változik. A rácsállandó rendszerint lineárisan változik a keverési aránnyal (Vegard-törvénye). Az $x$ és $y$ olyan keverési arányára, amely kielégíti az $y=2,16(1-x)$ összefüggést, az $\text {In}_{1-x}\text {Ga}_{x}\text {As}_{1-y}\text {P}_{y}$ rácsa hozzáilleszthető az InP rácsához, amelyik ily módon alkalmas hordozóként (szubsztrátként) szolgál. Ezt a négykomponensű vegyületet használják fényemittáló diódák, lézerdiódák és fotodetektorok készítésére, főként az $1550\mathrm {nm}$-es hullámhosszak környékén működő optikai szállal történő hírközlések esetén. További példa az $\mathbf{(Al_{x}\text {In}_{y}\text {Ga}_{1-x-y})\text {P}}$, amelyhez a GaAs szolgál hordozóként. Ez a félvezető nagy fényerősségű emissziót nyújt a vörös, a narancs és a sárga spektrumtartományokban. Más fontos négykomponensű anyag a III- $\mathbf{(Al_{x}\text {In}_{y}\text {Ga}_{1-x-y})\text {N}}$- nitrid vegyület, amely ugyanilyen módon működik a zöld, a kék, az ibolya és az ultraibolya spektrumtartományokban. A III-nitrid vegyületek számára a zafír és a SiC a szokásos hordozó anyag.

Egyéb félvezető vegyületek

Az IV. oszlop elemeit is lehet ötvözni, félvezető vegyületek létrehozása céljából. A kétkomponensű szilíciumkarbid (SiC) ötvözet, amely karborundumként is ismeretes, indirekt tiltott sávval rendelkezik és ultraibolya fotodtektorok gyártásához használják, valamint szubsztrátként alkalmazzák III-nitrid vegyületek számára. A szilícium germanid ($\text {Si}_{1-x}\text {Ge}_{x}$) széleskörű és változatos alkalmazásra talál az elektronikában és a fotonikában, beleértve infravörös fotodetektorként való használatát is. A három- és négykomponensű vegyületek közé számítjuk a $\text {Si}_{1-x-y}\text {Ge}_{x}\text {C}_{y}$, illetve a $\text {Si}_{1-x-y-z}\text {Ge}_{x}\text {C}_{y}\text {Sn}_{z}$ vegyületeket is.

A kétkomponensű II-VI oszlopbeli anyagok, azaz a periódusos táblázat II. oszlopbeli elemeiből (pl. a Zn, Cd, Hg) és a VI. oszlopbeli elemeiből (pl. S, Se, Te) előállított vegyületek szintén felhasználhatóak félvezetőkként. Ehhez a családhoz tartozik a ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe és HgTe. Mindezek az anyagok cinkblende szerkezetűek és direkt tiltott sávval rendelkeznek; kivételt képeznek a HgSe és a HgTe. A ZnSe speciális előnye, hogy a GaAs szubsztrátra viszonylag kicsiny hibahely sűrűséggel rakódik le, ugyanis a két anyag rácsállandója közel egyenlő. Továbbá, a HgTe és a CdTe rácsai megközelítőleg összeilleszthetőek, így $\text {Hg}_{x}\text {Cd}_{1-x}\text {Te}$ háromkomponensű félvezető feszültség nélkül ránöveszthető egy CdTe szubsztrátra. Ezt az anyagrendszert széleskörűen használják foton-detektorok előállítására, ahogyan más II-VI vegyületeket. A III-V ötvözetektől eltérően, a II-VI vegyületek széleskörűen előfordulnak a természetben, de az ezekből az anyagokból készült foton-források jelenleg korlátozott élettartamúak. A háromkomponensű IV-VI félvezető vegyületek, mint például a $\text {Pb}_{x}\text {Sn}_{1-x}\text {Te}$ és a $\text {Pb}_{x}\text {Sn}_{1-x}\text {Se}$, használatosak, mint infravörös foton-detektorok és lézerdiódák. Ezek az ötvözetek azonban alacsonyabb átviteli idővel rendelkeznek, mivel nagy a dielektromos állandójuk. Ugyancsak nagy a hőtágulási együtthatójuk, ami problematikussá teheti a szoba- és hidegkeverék hőmérsékletek közötti váltásokat.

Adalékolt félvezetők; n- és p-típusú félvezetők

Félvezetők elektromos és optikai tulajdonságai jelentősen változhatnak, ha az anyagba kontrollált módon, kis mennyiségben, speciálisan választott szennyezéseket, ún. adalék atomokat viszünk be. Ezeknek a szennyezéseknek a bevitele a mozgékony töltéshordozók koncentrációját több nagyságrenddel megváltoztathatja. A valencia elektrontöbblettel rendelkező adalék atomok – az ún. donorok, amelyek a kristályrács normál atomjainak egy kicsiny hányadát helyettesítik – a mozgékony elektronok túlnyomó részét hozhatják létre. Az anyagot ekkor n-típusú félvezetőknek mondjuk. Ily módon, ha a periódusos táblázat V. oszlopbeli atomjai (pl. P vagy As) helyettesítik, a IV. oszlop atomjait egy elemi félvezetőben (pl. Si-ban, vagy Ge-ban), vagy ha a VI. oszlop atomjai (pl. Se vagy Te) helyettesítik a V. oszlopbeli atomokat egy III.-V. komponensű félvezetőben (pl. As vagy Sb atomokat), akkor egy n-típusú anyagot kapunk. Hasonlóképpen, p-típusú félvezető készíthető kevesebb valencia elektronnal rendelkező adalék atomok használatával. Ezeket az atomokat akceptor atomoknak hívjuk. Ebben az esetben a mozgékony lyukak dominanciáját kapjuk eredményül. A IV. oszlop atomjait a III. oszlop atomjaival (pl. B-ral vagy In-mal) helyettesítve, vagy a III. oszlop atomjait egy III.-V. kétkomponensű félvezetőben a II. oszlop atomjaival (pl.Zn-kel vagy Cd-mal) helyettesítjük, akkor p-típusú anyagot kapunk. A IV. oszlop atomjai donorokként hatnak a III. oszlop atomjaira és akceptorokként a V. oszlopbeli atomokra, ennélfogva használni lehet a III.-V. anyagokban mind az elektronok, mind a lyukak többletének az előállításához. Természetesen az anyagok töltéssemlegessége nem változik az adalékok bevezetésével.

A nem adalékolt (azaz a szándékos adalékolástól mentes) félvezetőkre, mint intrinsic anyagokra hivatkozunk, míg az adalékolt félvezetőket extrinsic anyagoknak nevezzük. Az intrinsic félvezetőkben a mozgékony elektronok és lyukak koncentrációja egyenlő: $n=p=n_{i}$, ahol az $n_{i}$ intrinsic koncentráció exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel. Másrészről a mozgékony elektronok koncentrációja egy n-típusú félvezetőben (többségi töltéshordozók) sokkal nagyobb, mint a lyukak (kisebbségi töltéshordozók) koncentrációja, azaz az $n\gg p$. Egy p-típusú félvezetőben az ellenkezője igaz, itt a lyukak a többségi töltéshordozók: $n\ll p$. Egy adalékolt félvezető szobahőmérsékleten tipikusan olyan többségi töltéshordozó koncentrációval rendelkezik, amely megközelítőleg egyenlő az adalékolt atomok koncentrációjával.

Ion-implantációs technikákat lehet használni olyan félvezető anyagok gyártásához, amelyekben az adalékolt atomok száma és azok helye pontosan kontrollált. A nyert anyagok olyan meghatározott tulajdonságokat mutatnak, amelyek hasznosak bizonyos alkalmazásokban.

Szerves félvezetők

A szerves félvezetők ma már egyre szélesebb körű alkalmazást nyernek a legkülönbözőbb területeken. A fotonikában például fotovoltaikus eszközök, fényemittáló diódák és kijelzők készítéséhez használhatók. Bár a szerves félvezetők sem nem olyan nagy érzékenységűek, sem nem olyan kicsiny méretűek, mint a hagyományos félvezető szerkezetek, azonban olcsón lehet őket előállítani vékonyrétegek formájában, alacsony a gyártásiköltségük, és mechanikailag hajlékony optoelektronikai alkatrészeket lehet belőlük gyártani.

A szerves félvezetők két fő változatát sematikusan a 2.5 (a) ábra illusztrálja. Az egyik fő változat (2.5 (a) ábra) kicsiny szerves molekulákból áll, mint a pentacén, amelyik 5-lineárisan kapcsolódó benzolgyűrűt tartalmaz. A másik fő változat (2.5 (b) ábra) egymáshoz csatlakozó polimerláncokat foglal magában, mint a poliacetilén, amely száz vagy ezer szén atomot tartalmaz.

Adalékolatlan állapotban a konjugált polimerlánc valenciasávja rendszerint telített, és a vezetési sávja üres, ily módon szigetelőként viselkedik. Azonban, amint azt a 2.5 (c) ábrán illusztráltuk, az olyan adalékok, mint a nátrium és a jód, donorokként és akceptorokként hatnak, létrehozva a vezetés n- és p-típusú változatát. Kicsiny szerves molekulák tiszta állapotukban gyakran vezetőképesek.