Czym są materiały półprzewodnikowe?

Półprzewodniki są substancjami krystalicznymi, których konduktywność w temperaturze pokojowej waha się w granicach od 10-7 S/m do 105 S/m. Mając na względzie zdolność przewodzenia, umieszczamy półprzewodniki pomiędzy dielektrykami, a przewodnikami. Materiały półprzewodnikowe posiadają dosyć specyficzne właściwości, odmienne od właściwości metali. Półprzewodniki powszechnie stosowane w elektronice posiadają regularną budowę krystaliczną, która jest charakterystyczna dla pierwiastków pochodzących z grupy IV tablicy okresowej Mendelejewa. Pierwiastkami tymi są krzem, german, a także związki pierwiastków grup II i VI oraz III i V. Przykładami takich związków są arsenek galu oraz antymonek indu. Aby w pełni zrozumieć zjawisko przewodnictwa występujące w półprzewodnikach, należy zanalizować pod kątem jakościowym procesy które zachodzą w kryształach półprzewodników.

Popularne elementy półprzewodnikowe

Cały postęp technologiczny który się dokonał w ostatnich kilkudziesięciu latach, był możliwy dzięki umiejętnemu domieszkowaniu i łączeniu ze sobą obszarów półprzewodnikowych typu n i typu p. Podstawowym budulcem większości elementów elektronicznych, w tym także skomplikowanych układów scalonych jest złącze n-p. Omówmy teraz podstawowe elementy elektroniczne oparte na złączach n-p:

Dioda półprzewodnikowa

Zanim podepniemy zasilanie złącze p-n znajduje się w stanie równowagi. Prąd dyfuzyjny elektronów z obszaru typu n jest równoważony przez prąd unoszenia elektronów z obszaru typu p. W przypadku prądu dziurowego sytuacja jest analogiczna. Podłączamy dodatni biegun zasilania z warstwą typu p, natomiast ujemny z warstwą typu n, co spowoduje zwiększenie prądu dyfuzyjnego elektronów i dziur do obszarów o mniejszej koncentracji. Możliwe jest to dzięki obniżeniu bariery potencjału. Mówimy, że złącze zostało spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Co by się stało jeśli podpięlibyśmy odwrotnie bieguny zasilania? Bariera potencjału zostałaby jeszcze bardziej zwiększona co spowodowałoby uniemożliwienie zjawiska prądu dyfuzyjnego, otrzymalibyśmy jedynie niewielki prąd wsteczny. W takim wypadku mówimy, że dioda została spolaryzowana w kierunku zaporowym. Właściwość ta jest jedną z przyczyn stosowania diod tzw. prostowniczych. Przewodzą one prąd w jednym kierunku, natomiast nie pozwalają na przepływ prądu w drugą stronę. Umożliwia to wyprostowanie prądu zmiennego o przebiegu sinusoidalnym, wszystkie ujemne połówki sinusoidy zostają obcięte. Istnieje również pewien rodzaj diody, który jest specjalnie przystosowany do działania w stanie zaporowym - jest to dioda stabilizacyjna. Dzięki jej odpowiednio ukształtowanym charakterystykom prądowo - napięciowym znakomicie nadaje się do pełnienia roli stabilizatora napięcia, niezależnie od przepływającego przez nią prądu.

Tranzystor

Jednym z najlepiej rozpoznawalnych elementów elektronicznych jest tranzystor. Jest to element najczęściej trójkońcówkowy lub czterokońcówkowy, składający się z dwóch złącz n-p. W zależności od tego w jakiej konfiguracji ułożymy te złącza możemy wyróżnić tranzystory typu n-p-n i p-n-p. Omówmy bardziej szczegółowo tranzystor typu n-p-n. Wyprowadzenie pierwszego obszaru typu n to tak zwany emiter. To przez niego strumień elektronów wpływa do tranzystora. Obszar typu p nazywamy bazą natomiast ostatni obszar typu n stanowi kolektor. Zazwyczaj stały strumień elektronów który wpływa do emitera, jest następnie sterowany zmiennym prądem bazy. Na wyjściu kolektora otrzymujemy zatem odpowiedni niewielki prąd który docierał do bazy, teraz znacznie wzmocniony. Tranzystor jest więc wzmacniaczem, bez którego ciężko sobie wyobrazić współczesną elektronikę.

Tyrystor

Tyrystor jest elementem elektronicznym składającym się z czterech warstw półprzewodnikowych (struktura p-n-p-n). Podobnie jak dioda przewodzi prąd tylko w jedną stronę, ale możemy wyróżnić dodatkowy stan blokowania. Gdy tylko nastąpi podwyższenie poziomu napięcia polaryzującego do odpowiedniego poziomu tyrystor przechodzi w stan przewodzenia, zachowując się jak zwykła dioda. Należy zauważyć, że napięcie podtrzymania stanu przewodzenia jest wielokrotnie mniejsze, od wywołującego przełączenie. Dzięki dodatkowej bramce można sterować momentem przełączania ze stanu blokowania do stanu przewodzenia.

Triak

Triak jest rodzajem dwukierunkowego tyrystora, który dzięki antyrównoległej konstrukcji (n-p-n-p oraz p-n-p-n) umożliwia sterowanie sygnałów zmiennoprądowych. Można więc wyróżnić po dwa zakresy blokowania i przewodzenia w zależności od polarności napięcia polaryzującego.

Fotodioda półprzewodnikowa

Fotodioda zbudowana jest w zasadzie jak najzwyklejsza dioda półprzewodnikowa, pracująca w zakresie zaporowym. W jej obudowie jednak wycięto mały otwór przez który pada światło. W zależności od natężenia padającego światła prąd wsteczny zaczyna się zmieniać i następuje polaryzacja złącza n-p, należy również zaznaczyć, że wartość prądu wstecznego nie zależy od napięcia zasilania. Prąd generowany przez fotodiodę jest niewielki, dlatego stosuje się ją do pomiarów światła o dużym natężeniu. Do precyzyjnych pomiarów wykorzystuje się fototranzystory.

Termistor

Termistor jest przyrządem półprzewodnikowym, którego rezystancja zależy od temperatury. Dzięki tej właściwości jest często wykorzystywany jako prosty czujnik temperatury w rozmaitych urządzeniach, także domowego użytku.

Układ scalony

Najwyższy stopień skomplikowania we współczesnej elektronice stanowią układy scalone. Na jednym podłożu są nanoszone tysiące a nawet miliony struktur półprzewodnikowych tworzących wypadkowo ogromne ilości diod, tranzystorów. Współpracując one ze sobą, wykonując skomplikowane operacje. Przykładem układów scalonych są różnego rodzaju procesory, pamięci, bramki logiczne itd.

Zjawisko przewodzenia prądu w półprzewodnikach

W każdym atomie, jego elektrony zajmują ściśle dozwolone orbity, którym mechanika kwantowa jednoznacznie przyporządkowuje różniące się od siebie poziomy energetyczne. Ta indywidualność poziomów energetycznych sprawia, że niemożliwym jest napotkanie w układzie dwóch elektronów o poziomach energetycznych identycznych. Jak wiadomo każdy elektron występujący w atomie musi różnić się przynajmniej jedną liczbą kwantową, co w przypadku elektronów krążących po wspólnych orbitach gwarantuje zakaz Pauliego. Elektron przebywający na danej orbicie posiada ściśle określony stan energetyczny. Jeżeli elektron wskutek różnorakich czynników przejdzie z jednej orbity na drugą, automatycznie jego energia zmienia się w sposób skokowy. Ta skokowość zmian jest spowodowana nie ciągłą, a dyskretną liczbą dostępnych poziomów energetycznych. Istnienie zjawiska zmiany energii elektronu w wyniku przechodzenia z jednej orbity na drugą, nie oznacza wcale, że każdy elektron może zająć dowolny poziom energetyczny. Ze względu na skokową zmianę energii elektronu, można dojść do wniosku że dozwolone przedziały energetyczne, które mogą zajmować elektrony, są poprzedzielane poziomami zabronionymi. Najwyższy z obsadzonych poziomów energetycznych w każdym atomie zajmują elektrony walencyjne.

Przy przejściu od struktury pojedynczego atomu, do całego kryształu, który jest utworzony z wielkiej liczby identycznych atomów, należy uwzględnić oddziaływanie na elektrony walencyjne nie tylko sił wiążących elektrony z jądrem atomowym, ale także siły pochodzące od sąsiednich atomów. W analizie materiałów półprzewodnikowych będziemy się zajmowali jedynie elektronami walencyjnymi. Atomy położone bardzo blisko siebie, posiadają elektrony walencyjne, które mogą zająć stany energetyczne nie na pojedynczym poziomie energetycznych charakterystycznym dla każdego atomu, ale w obrębie całego pasma energetycznego wspólnego dla kryształu, naturalnie zakaz Pauliego nadal obowiązuje.

Elektrony walencyjne, które biorą udział w wiązaniach międzyatomowych w krysztale, znajdują się w paśmie walencyjnym. Aby dany elektron znajdujący się w paśmie walencyjnym mógł przeskoczyć do przestrzeni międzywęzłowej, musi zostać mu dostarczona pewna porcja energii. Po otrzymaniu tej energii elektron znajduje się w przestrzeni międzywęzłowej zajmując pasmo przewodnictwa. W procesie przewodnictwa prądu w półprzewodniku, istotną rolę odgrywają więc aż trzy pasma energetyczne: walencyjne oraz przewodnictwa, które może zajmować w danej chwili elektron walencyjny oraz pasmo zabronione, znajdujące się pomiędzy wyżej wymienionymi pasmami.

Jeżeli kryształ półprzewodnika umieścimy w temperaturze zera bezwzględnego, to każdy z poziomów energetycznych znajdujący się w paśmie walencyjnym, będzie obsadzony elektronami walencyjnymi, które uczestniczą wówczas w procesie wiązań chemicznych. Brak jest elektronów swobodnych znajdujących się w paśmie przewodnictwa. Konduktywność materiału półprzewodnikowego temperaturze zera bezwzględnego wynosi więc zero. W paśmie przewodnictwa brak jest jakichkolwiek elektronów, mogących zapoczątkować akcję przewodnictwa, natomiast w paśmie walencyjnym elektrony występują, ale zajmują wszystkie dostępne poziomy energetyczne. Nie jest więc możliwy jakikolwiek ruch elektronów, i przechodzenie na inne stany energetyczne.

Szerokość pasma zabronionego, znajdującego się pomiędzy pasmem walencyjnym, a pasmem przewodnictwa, mierzy się ilością energii, która należy dostarczyć elektronowi walencyjnemu aby ten przeskoczył z pasma walencyjnego prosto do pasma przewodnictwa. Energie tę podaje się w elektronowoltach. - eV. W temperaturze pokojowej szerokość pasma zabronionego wynosi od 0,5V do około 3V. Ciężko jest dostarczyć elektronowi energii większej niż 3 eV, dlatego materiały posiadające szerokość pasma zabronionego większą od wspomnianej wartości nazywamy już dielektrykami.

W normalnej temperaturze pokojowej pasmo przewodnictwa wypełnione jest elektronami swobodnymi, których ruch można kontrolować pod wpływem działania zewnętrznego pola elektrycznego. Szerokość pasma zabronionego najpopularniejszego materiału półprzewodnikowego, jakim jest krzem wynosi 1,12 eV, natomiast german posiada pasmo o szerokości 0,67 eV. Czysty materiał półprzewodnikowy, o idealnej budowie nazywamy półprzewodnikiem samoistnym.

W każdym atomie krzemu, dzięki istnieniu elektronów walencyjnych, jest możliwe powiązanie z czterema sąsiednimi atomami, co tworzy bardzo trwałą oraz elektrycznie obojętną strukturę. Chcąc uwolnić elektrony walencyjne od spajających je więzów, należy im dostarczyć energii równej lub wyższej od szerokości pasma zabronionego. Jeden z rodzajów energii, którym można taką akcję zainicjować, stanowi energia cieplna. W miarę, jak temperatura kryształu rośnie, energia elektronów również ulega zwiększeniu, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo uzyskania energii odpowiadającej energii pasma przewodnictwa.

W momencie, kiedy elektrony przejdą do pasma przewodnictwa, można zauważyć, że w paśmie walencyjnym powstają wolne stany energetyczne, w liczbie takiej samej jak elektrony, które opuściły te stany. Jest to spowodowane pozostawieniem, przez uciekający elektron walencyjny, pustego miejsca znajdującego się w wiązaniu. Te puste miejsca mogą być normalnie zajmowane przez sąsiednie elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym. Istnieją więc elektrony przemieszczające się poprzez puste miejsca pozostawione przez elektrony, które zainicjowały akcję przewodnictwa. Wytwarza się więc prąd elektryczny. Puste stany energetyczne, które zmieniają swoje miejsc, przeciwnie do ruchu elektronów walencyjnych które je zajmują, nazywamy dziurami. Należy podkreślić, że dziury nie są fizycznymi cząstkami, a jedynie pustymi miejscami, którymi jak w sztafecie wymieniają się elektrony. Prąd który płynie poprzez półprzewodniki, jest więc sumą prądu elektronów swobodnych oraz prądu dziurowego. Zdolność wytwarzania prądu przez materiał półprzewodnikowy zależy więc od koncentracji dziur i elektronów swobodnych, które pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego przemieszczają się w przeciwnych kierunkach.

Liczba elektronów, które przypadają na jednostkę objętości, a więc ich koncentracja, w materiale półprzewodnikowym może być tysiące lub nawet dziesiątki milionów razy mniejsza niż w dobrych przewodnikach. Właśnie z tego wynikają znaczne różnice w konduktywności materiałów półprzewodnikowych i przewodnikowych. Porównując jednak przewodnik i półprzewodnik, należy też wskazać na istotną różnicę pomiędzy wpływem temperatury, w jakiej znajdują się te materiały, na ich konduktywność. W miarę jak temperatura rośnie, rezystancja przewodników się zwiększa, co pociąga za sobą zmniejszenie ich konduktywności. Wywołuje to zmniejszenie łatwości poruszania się elektronów przewodzących w sieci krystalicznej przewodnika, w miarę jak temperatura wzrasta. W półprzewodnikach natomiast, w miarę jak temperatura rośnie, konduktywność tych materiałów zwiększa się, z powodu zwiększenia ilości elektronów swobodnych. Dzieje się tak z powodu wspomnianego większego prawdopodobieństwa przejścia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa pod wpływem dostarczenia energii cieplnej. Ilość nośników prądu w przewodnikach nie zależy w zauważalny sposób od temperatury.

Przewodnictwo elektryczne, jakim charakteryzują się półprzewodniki samoistne posiada następujące właściwości:

  • Jeżeli materiał półprzewodnikowy znajduje się w temperaturze pokojowej, zjawisko przewodnictwa zachodzi zarówno w wyniku ruchu elektronów, jak i ruchu dziur.
  • Liczba dziur i elektronów w półprzewodniku jest taka sama, dzieje się tak ponieważ każdemu uwolnieniu elektronu, towarzyszy pozostawienie pustego miejsca w paśmie walencyjnym, czyli dziury.
  • Całkowity prąd przewodnictwa jest sumą prądu dziurowego i prądu elektronów

Oprócz półprzewodników samoistnych jak czysty krzem, możemy wyróżnić półprzewodniki domieszkowane odpowiednimi pierwiastkami zmieniającymi właściwości fizyczne kryształu. Domieszkując czterowartościowy krzem pierwiastkiem pięciowartościowym np. fosforem otrzymujemy jeden dodatkowy elektron swobodny. Fosfor nazywamy w tym przypadku donorem, a półprzewodniki o takim typie domieszkowania nazywamy półprzewodnikami typu n (negative). Po domieszkowaniu krzemu pierwiastkiem trójwartościowym np. indem, krzem musi dostarczyć jeden elektron swobodny. Dzięki temu następuje pełne wysycenie wiązania, a na miejscu elektronu zostaje dziura. W takim typie domieszkowania ind nazywamy akceptorem a półprzewodnik jest półprzewodnikiem typu p (positive). Występuje więc przewodnictwo dziurowe.