L'arseniuro di gallio è il composto binario covalente formato dal gallio con l'arsenico in uguale proporzione. È un composto non molecolare avente formula minima GaAs, dove sia il gallio che l'arsenico sono entrambi tetracoordinati e tetraedrici.
L'arseniuro di gallio è un tipico semiconduttore del tipo III-V. Si presenta come un materiale cristallino di media durezza, 4,5 sulla scala di Mohs, sensibilmente meno del germanio (6,0) o del silicio (6,5); la sua struttura è cubica, del tipo della sfalerite (o blenda di zinco, ZnS). Il cristallo di GaAs è strettamente isoelettronico a quello di germanio ed anche isostrutturale con esso; ne differisce per il valore del band gap, che è circa il doppio, e per il fatto che tale band gap è di tipo diretto, caratteristica di primaria importanza in applicazioni di optoelettronica.
Per queste caratteristiche e per essere caratterizzato da un'alta mobilità elettrica dei portatori liberi di carica (elettroni e lacune), trova applicazioni nei dispositivi elettronici ad alta velocità e nei dispositivi emettitori di luce (componenti per microonde, diodi LED e laser, componenti per lettori DVD e per radar automobilistici), nonché nelle celle fotovoltaiche.
Proprietà e struttura
A temperatura e pressione ambiente GaAs si presenta in forma di cristalli opachi di colore grigiastro, praticamente insolubili in acqua, alcool, o acetone, ma che si disciolgono in acidi minerali decomponendosi.
L'arseniuro di gallio è un composto termodinamicamente stabile, la sua formazione dagli elementi è esotermica, anche se non di molto: ΔHƒ° = −(87,7±0,5) kJ/mol.
Configurazione elettronica e struttura cristallina L'arseniuro di gallio GaAs è formato dall'unione 1:1 di gallio, avente 3 elettroni esterni (4s2 4p1), con l'arsenico, che ha 5 elettroni esterni (4s2 4p3); si viene in tal modo a formare un cristallo in cui vi sono 8 elettroni di valenza sia per gli atomi di Ga che per gli atomi di As, come accade per i cristalli isoelettronici di valenza di Ge, Si e C(diamante).
La struttura cristallina cubica, analoga a quella del germanio, è quella della sfalerite (gruppo spaziale F(-4)3m (N° 216) e 4 unità formula nella cella elementare) ed è composta da due sottoreticoli cubici a facce centrate, uno composto di atomi Ga e l'altro di As (entrambi gli atomi ibridati sp3), che sono sovrapposti con uno sfasamento di un quarto di diagonale. In tale struttura il lato della cella elementare cubica è a = 565,3 pm e la lunghezza dei legami Ga−As è di 245 pm; questo valore ben si confronta con quello atteso, cioè la somma dei raggi covalenti di Ga e As, pari a 242 pm.
Questa è la fase stabile di GaAs in condizioni ambiente, presente anche nel fosfuro di gallio, analogo semiconduttore III-V; tuttavia, a temperature di almeno 200 °C, diviene stabile una fase avente una struttura esagonale del tipo della wurtzite, che è l'altra struttura tipica dei semiconduttori III-V, analoga al diamante esagonale (lonsdaleite), struttura che è preferita dal nitruro di gallio e dal nitruro di alluminio.
Proprietà elettroniche Il band gap diretto di GaAs cubico ammonta a 1,424 eV a 300 K ed è maggiore, oltre che di quello del germanio (0,66 eV), anche di quello del silicio (1,11 eV); può essere confrontato inoltre con i corrispondenti valori di altri semiconduttori III-V, come GaP (2,272 eV) e GaN (3,4 eV): come si vede, questi crescono al diminuire del numero quantico principale degli elettroni di valenza nell'elemento a 5 elettroni esterni (As, P, N), nonché all'aumentare della sua elettronegatività. L'energia del band gap di GaAs corrisponde a quella di un fotone nel vicino infrarosso, λ = 871 nm.
Il potenziale di estrazione dell'arseniuro di gallio (cubico, superficie cristallina 111) ammonta a 4,69 eV.
La concentrazione dei portatori di carica nel GaAs intrinseco è di 1,79×106/cm³ , circa quattro ordini di grandezza in meno di quella del silicio (1,45×1010/cm³) e la mobilità elettrica è di 8.500 cm2/(V·s), più di cinque volte maggiore di quella del Si (1.500 cm2/(V·s).
Sintesi del composto Il composto può essere sintetizzato in forma di monocristallo, allo scopo di produrre dei wafer, o come film sottile.
Per produrre l'arseniuro di gallio in forma monocristallina è possibile usare il processo Czochralski, largamente utilizzato per produrre il silicio monocristallino. Un'altra possibilità è il metodo Bridgman-Stockbarger in cui la crescita del cristallo avviene all'interno di una fornace orizzontale, in cui vengono fatti reagire vapori di gallio e arsenico e il composto si deposita su un seme monocristallino.
Anche per produrre un film sottile esistono diverse possibilità: Deposizione chimica da vapore, a partire da gallio metallico gassoso e tricloruro di arsenico: 2 Ga + 2 → 2 GaAs + 3 . MOCVD da trimetilgallio e arsina: + → GaAs + 3 . Epitassía da fasci molecolari di gallio e arsenico: 4 Ga + → 4 GaAs oppure 2 Ga + → 2 GaAs.
Note
Voci correlate Fisica dei semiconduttori Semiconduttore Nitruro di gallio Semiconduttore composto Arseniuro di gallio e alluminio
Altri progetti
Collegamenti esterni
http://tesi.cab.unipd.it/26376/1/Arseniuro_di_Gallio,_ULSI.pdf (Università di Padova, sull'impiego dell'Arseniuro di Gallio)
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