• Definicja

Półprzewodnik jest to materiał wykazujący w określonych warunkach własności izolatora (ciała nie przewodzącego elektryczności) a w innych - właściwości przewodnika prądu. Pod względem chemicznym półprzewodniki w zasadzie nie posiadają wolnych elektronów ostatniej powłoki (i dlatego są izolatorami), ale w warunkach odmiennych, przy dostarczeniu ich atomom dużej energii przez podgrzanie lub oświetlenie, pojawiają się wolne elektrony, opór ciała spada i w rezultacie prąd elektryczny może płynąć. Półprzewodnikami definiuje się też czasem jako substancje, których przewodnictwo elektryczne jest o kilka rzędów wielkości mniejsze niż dla metali. Popularnymi półprzewodnikami są krzem i german, oraz minerały: arsenek i antymonek galu,

Półprzewodnictwo polega na poruszaniu się ładunków swobodnych w materii pod wpływem przyłożonego napięcia. Wielkość przewodzenia prądu jest zależna nie tylko od temperatury, w jakiej ciało się znajduje, ale i od domieszkowania oryginalnego półprzewodnika inną substancją. Atom półprzewodnika ma zwykle na swej ostatniej powłoce kilka elektronów walencyjnych. Sieć krystaliczna ma przy tym taką budowę, że atomy są wzajemnie związane ze sobą poprzez uwspólnienie tych elektronów - jest to tzw. wiązanie kowalencyjne. Dopóki temperatura (i energia) kryształu jest niewielka, elektrony walencyjne są związane w sieci kryształu. Brak wolnych elektronów uniemożliwia zatem przepływ ładunku elektrycznego. Gdy jednak temperatura jest duża, związany z nie przyrost energii powoduje ruch cielny atomów kryształu i możliwe jest rozerwanie wiązań kowalencyjnych; wówczas elektrony mogą się uwolnić, i, już jako cząstki swobodne, zaczynają przewodzić prąd. Ciało staje się przewodnikiem. W miejscach pozostałych po związaniu elektronu pozostaje też oczywiście dodatni ładunek - tzw. dziura; ilość dziur w nie domieszkowanym półprzewodniku jest równa liczbie swobodnych elektronów. Gdy półprzewodnik znajduje się w polu elektrycznym, zaczyna działać na niego przyłożone napięcie, co objawia się przeciwbieżnym ruchem elektronów i dziur. Wolne elektrony są jednak niezbyt liczne i powstała różnica potencjałów ma dość małą wartość. Ładunki w półprzewodniku poruszają się także pod wpływem drgań sieci krystalicznej związanych z energią cieplną, gromadząc się w jednym obszarze i tworząc inne zjawisko - tzw. prąd dyfuzyjny (swobodny przepływ ładunków większościowych.)

  • Typy półprzewodników

Półprzewodniki podzielić można dwojako. Jeden z podziałów, uwzględniający budowę wewnętrzną i skład, klasyfikuje materiały półprzewodnikowe jako samoistne (pierwiastek lub związek, np. krzem Si, german G) i domieszkowe. Domieszkowanie polega na wprowadzeniu w sieć krystaliczną czystego półprzewodnika atomów pierwiastka pięciowartościowego (arsen As, fosfor P.) wówczas taki atom domieszkowy wykorzysta cztery wiązania walencyjne atomów sąsiadujących, pozostawiając jeden tylko wolny elektron, który następnie może odłączyć się od atomu i stać się elektronem swobodnym, przewodzącym elektryczność. Może także przyłączyć się do wolnych elektronów już istniejących w samoistnym przewodniku. Takie elektrony obsadzają część wolnych wiązań atomowych substancji i w rezultacie koncentracja tych wolnych wiązań - dziur - maleje. Atomy domieszkowe takiego półprzewodnika nazywa się donorami, a sam wzbogacony o nie materiał - półprzewodnikiem domieszkowym typu n.

Inny podział, czyli klasyfikacja półprzewodników na typ n i p, związany jest właśnie z koncentracją wolnych elektronów lub dziur. Typ n to tzw. przewodniki negatywne lub nadmiarowe i charakteryzują się one dużą ilością przewodzących, swobodnych elektronów. Są wywarzane poprzez domieszkowanie do krzemu niewielkich ilości pierwiastków pięciowartościowych. Typ p to półprzewodniki niedomiarowe, pozytywne, wykazujące koncentrację ładunków dodatnich - dziur. Powstają przykładowo przez dodanie do krzemu pewnego pierwiastka trójwartościowego, tak zwanego akceptora, którym może być aluminium (Al) lub bor (B).

  • Wykorzystanie

Jedne z najważniejszych elementów elektronicznych, bez których nie byłby możliwy rozwój informatyki i innych współczesnych technologii, to dioda półprzewodnikowa oraz złącze p-n. Złącze p-n jest to układ dwóch niesamoistnych półprzewodników o różnym przewodnictwie (p i n). W półprzewodniku n dominuję nośniki większościowe (elektrony) i donory, a w obszarze p - dziury dodatnie i atomy domieszkowe, tzw. akceptory. Gęstość nośników mniejszościowych jest większa niż mniejszościowych. W warunkach równowagi w obszarze styku półprzewodników obu typów nośniki swobodne dyfundują od obszarów przeciwnych na skutek różnicy w ich koncentracji. Elektrony przedostają się do obszarów p, a dziury - do n. Następuje wychwyt i rekombinacja z nośnikami większościowymi, które nie dyfundowały na druga stronę łącza: elektron łączy się z dodatnim ładunkiem dziury, co pociąga za sobą zneutralizowanie i związanie tych nośników. Powstaje warstwa zaporowa: nieruchome ładunki dodatnie w obszarze n skutecznie blokują przepływ dziur z obszaru p, i na odwrót. Przepływ nośników i prądu ustaje.

Złącze p-n jest podstawą konstrukcji diody półprzewodnikowej - urządzenia, które w elektronice zastąpiło niepraktycznie lampy elektronowe. Dioda działa na zasadzie polaryzacji w kierunku przepływu. W diodzie biegun dodatni i ujemny źródła napięcia łączy się odpowiednio z warstwami p i n złącza. Dyfuzja ładunków generuje barierę potencjału i pozwala na przemieszanie się elektronów z obszary n do p. Jeżeli zamienimy miejscami bieguny prądu, dioda nie może już jednak przewodzić prądu w kierunku odwrotnym. Diody wykorzystuje się m.in. w układach prostowniczych prądu przemiennego, w urządzeniach sygnalizacyjnych, układach fotometrii (dioda fotometryczna, fotodioda). Często używanym w rozmaitych przyrządach elementem jest dioda Zenera, mogąca zmienić swa oporność w dużej skali przy określonej wartości płynące prądu.

Tyrystor (tzw. "dioda sterowana") ma za zadania przewodzić prąd w jednym tylko kierunku. Przy każdej zmianie kierunku napięcia elektrycznego uruchamia się w nim stan efekt zaporowy i prąd nie płynie. Jest elementem prostowniczym - po przyłączeniu prądu zmiennego daje na wyjściu prąd połowy sinusoidy. Tyrystory znalazły zastosowanie w rozmaitych układach sterujących i kontrolujących, np. przyciemniaczach natężenia światła.

Inne elementy oparte na półprzewodnikach to termistory. Termistor cechuje się zależnością oporności od temperatury otoczenia i znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie niezbędny jest czujnik temperaturowy - urządzenia AGD, samochody, samoloty itp.)

Czasem wykorzystuje się trzy warstwy różnych półprzewodników i zarazem dwa łącza. Przykładem może tu być tranzystor - układ mający za zadanie wzmocnienie szumów elektrycznych. Tranzystor może być typu n-p-n lub p-n-p. W pierwszym przypadku obszar skrajny n łączy się z tzw. emiterem, leżącym w sąsiedztwie dużej gęstości atomów domieszkowych. Warstwa p natomiast odpowiada bazie tranzystora, a drugi obszar n wiąże się z kolektorem. Dzięki złączom p-n możliwe jest kierowanie prądem przepływającym z emitera do kolektora poprzez prąd środkowej bazy. Układy scalone, dobrze znane i powszechnie stosowane w nowoczesnej elektronice (komputery, procesory) są kolejnymi układami półprzewodników, nieco bardziej zło złożonymi. Zbudowane są z ogromnej liczby mniejszych podzespołów, głównie diód i tranzystorów.