Czym są półprzewodniki? Definicja, działanie i zastosowania

Poznaj półprzewodniki: definicję, zasadę działania, rodzaje (krzem, arsenek galu), domieszkowanie, tranzystory i kluczowe zastosowania w elektronice — od smartfonów po komputery.

Półprzewodnik to materiał, który w niektórych przypadkach będzie przewodził prąd, ale w innych nie. Dobre przewodniki elektryczne, takie jak miedziane czy srebrne, z łatwością pozwalają na przepływ prądu elektrycznego. Materiały, które blokują przepływ prądu elektrycznego, takie jak guma czy plastik, nazywane są izolatorami. Izolatory są często stosowane w celu ochrony ludzi przed porażeniem prądem elektrycznym. Jak sama nazwa wskazuje, półprzewodnik nie przewodzi tak dobrze jak przewodnik. Najczęściej stosowanym półprzewodnikiem jest silikon, ale stosuje się również arsenek galu.

Poprzez dodanie różnych atomów do sieci krystalicznej (siatki) półprzewodnika zmienia jego przewodnictwo, tworząc półprzewodniki typu n i p. Krzem jest najważniejszym komercyjnym półprzewodnikiem, choć używa się wielu innych. Mogą być one wykonane w tranzystorach, które są małymi wzmacniaczami. Tranzystory są stosowane w komputerach, telefonach komórkowych, cyfrowych odtwarzaczach audio i wielu innych urządzeniach elektronicznych.

Podobnie jak inne ciała stałe, elektrony w półprzewodnikach mogą posiadać energie tylko w pewnych pasmach (tj. zakresach poziomów energii) pomiędzy energią stanu grundu, odpowiadającą elektronom ściśle związanym z jądrami atomowymi materiału, a swobodną energią elektronów, która jest energią potrzebną do tego, aby elektron całkowicie uciekł z materiału.

Jak działają półprzewodniki?

Półprzewodniki opisuje się za pomocą teorii pasm energetycznych. Ważne są dwa główne pasma:

• pasmo walencyjne – w którym znajdują się elektrony związane z atomami,
• pasmo przewodnictwa – w którym elektrony są swobodne i mogą przewodzić prąd.

Między tymi pasmami występuje przerwa energetyczna (tzw. band gap), której wielkość decyduje o właściwościach materiału. Dla krzemu typowa wartość przerwy energetycznej wynosi około 1,12 eV w temperaturze pokojowej; dla arsenku galu jest ona większa (około 1,43 eV). Wzrost temperatury powoduje generowanie par elektron–dziura i zwykle zwiększa przewodnictwo półprzewodnika (w przeciwieństwie do metali, gdzie przewodnictwo maleje z temperaturą).

Domieszki i typy przewodnictwa

Przewodnictwo półprzewodników można regulować przez domieszkowanie — wprowadzanie kontrolowanych ilości innych atomów do sieci krystalicznej:

• półprzewodnik typu n – domieszki donorowe (np. fosfor, arsen) dostarczają dodatkowych elektronów, które stają się nośnikami prądu,
• półprzewodnik typu p – domieszki akceptorowe (np. bor, aluminium) tworzą „dziury” (braki elektronów) będące nośnikami ładunku o dodatnim znaku.

Dzięki precyzyjnemu kontrolowaniu rodzaju i koncentracji domieszek można uzyskać materiały o ściśle określonych właściwościach elektrycznych, niezbędnych w układach scalonych i elementach aktywnych.

Złącza p–n i elementy półprzewodnikowe

Połączenie obszaru typu p z obszarem typu n tworzy złącze p–n, które jest podstawą działania diod. Złącze p–n charakteryzuje się obszarem zubożonym (depletion region) i napięciem wbudowanym, które determinuje kierunkową przewodność diody.

Na bazie złączy p–n buduje się wiele elementów elektronicznych:

• diody (prostowanie prądu, diody LED, fotodiody),
• tranzystory bipolarny i unipolarne (MOSFET) – podstawowe elementy wzmacniające i przełączające w układach cyfrowych i analogowych,
• laser półprzewodnikowy – z wykorzystaniem złączy i materiałów o odpowiedniej przerwie energetycznej,
• ogniwa fotowoltaiczne – zamieniają światło w energię elektryczną.

Zastosowania półprzewodników

Półprzewodniki są fundamentem współczesnej elektroniki. Wybrane zastosowania:

• układy scalone i procesory w komputerach i telefonach,
• półprzewodnikowe źródła światła (LED), oświetlenie i wyświetlacze,
• fotowoltaika — panele słoneczne,
• czujniki (np. obrazujące, temperatury, optyczne),
• przetworniki mocy i elementy wykonawcze w elektronice mocy (MOSFETy, IGBT),
• komunikacja radiowa i optoelektronika (lasery, modulatory),
• technologia pamięci i nośników danych (flash, NAND).

Proces produkcji i materiały

Wytwarzanie elementów półprzewodnikowych to złożony proces obejmujący m.in.:

• hodowlę monokrystalicznych płyt krzemowych (metoda Czochralskiego),
• cięcie i polerowanie wafli,
• fotolitografię i trawienie dla formowania wzorów układów scalonych,
• implantację jonów lub epitaksję w celu wprowadzenia domieszek,
• metali­zację i pakowanie gotowych układów.

Oprócz krzemu stosuje się m.in. german (Ge), arsenek galu (GaAs), azotek galu (GaN) i inne związki, szczególnie tam, gdzie ważne są właściwości optyczne lub praca przy wysokich częstotliwościach.

Właściwości zależne od warunków

Właściwości półprzewodników silnie zależą od temperatury i natężenia światła. Pod wpływem światła generowane są elektrony i dziury (efekt fotowoltaiczny), co jest podstawą działania fotodetektorów i ogniw słonecznych. Zmiany temperatury wpływają na koncentrację nośników i ruchliwość, a zatem na przewodnictwo i parametry elementów.

Podsumowanie

Półprzewodniki łączą cechy przewodników i izolatorów, a dzięki możliwości kontroli przewodnictwa poprzez domieszkowanie stanowią podstawę nowoczesnej elektroniki i fotoniki. Od prostych diod po skomplikowane procesory i zaawansowane układy optoelektroniczne — technologia półprzewodnikowa jest kluczowa dla współczesnego świata technologii.

Historia

Półprzewodniki badano w laboratoriach już w latach trzydziestych XIX wieku. W 1833 r. Michael Faraday eksperymentował z siarczkiem srebra. Odkrył, że gdy materiał był podgrzewany, lepiej przewodził prąd. To było przeciwieństwo tego, jak działała miedź. Kiedy miedź jest podgrzewana, przewodzi mniej elektryczności. Wielu innych wczesnych eksperymentatorów odkryło inne właściwości półprzewodników. W 1947 roku w Bell Labs w New Jersey wynaleziono tranzystor. Doprowadziło to do rozwoju układów scalonych, które zasilają obecnie prawie wszystkie urządzenia elektroniczne.

Półprzewodnikowa-doping

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest półprzewodnik?

P: Co to są półprzewodniki typu n i typu p?

P: Do czego wykorzystywany jest krzem?

P: Jakie inne materiały są stosowane jako półprzewodniki?

P: Jak zachowują się elektrony w materiale stałym?

P: Dlaczego izolatory są często używane do ochrony ludzi przed porażeniem prądem?

P: Jak działają tranzystory?

Szukaj według litery