Faststofenheder er de styrende komponenter i både højteknologiske og helt almindelige enheder. Deres udbredte anvendelse hænger sammen med, at de kan anvendes til at skabe en grænseflade med alle menneskelige sanser. Lysemitterende dioder (LED’er) og faststoflasere producerer lys, der anvendes i alle former for skærme, som har kontakt med synet. De første anvendelser af halvlederkomponenter var brugen af transistorer i radioer og forstærkere, der fungerer som grænseflade til vores høresans. Thermoelektriske anordninger er halvlederkomponenter, der kan bruges til opvarmning eller afkøling – en grænseflade til følesansen. Selv om halvlederkomponenter ikke udsender lugt eller smag, kan de anvendes som sensorer til at overvåge lugt- eller giftstoffer, hvilket er en grænseflade med lugte- og smagssansen. I en vis udstrækning peger den moderne tidsfornemmelse, der er drevet af informationsrevolutionen, tilbage på solid-state-enheder.

I begyndelsen af det enogtyvende århundrede blev der produceret flere solid-state-enheder end nogen anden fremstillet ting. Mere end ti milliarder komponenter er fremstillet på en enkelt siliciumskive på otte tommer. I 1940’erne blev arbejdet med simple halvlederkomponenter udført med vakuumrør og mekaniske relæer. (Hvis et vakuumrør dækkede en kvadrattomme af et areal, ville de samme ti milliarder enheder, der passer på en otte tommer wafer, dække 6,5 kvadratkilometer .) Opfindelsen af transistoren i 1947 på Bell Laboratories indvarslede en elektronisk tidsalder, der begyndte med telefoner og radioer og i sidste ende gav stadig mindre og hurtigere computere, mere effektiv belysning, et middel til at høste elektrisk energi fra solen og meget mere.

Materialerne i faststofenheder

Faststofenheder består af indviklede organisationer af krystallinske materialer, der udviser isolerende, halvledende eller ledende egenskaber. Isolatorer, der typisk består af SiO2, blokerer strømmen fra en del af enheden til en anden del af enheden. Halvledere, typisk silicium eller materialer, der er beslægtet med silicium, er de vigtigste materialer i faststofkomponenter, idet de styrer antallet og hastigheden af strømmen af ladede ladningsbærere (elektroner eller huller). Huller dannes, når en elektron fjernes, og bærer således en positiv ladning. Ledere, typisk metaller som f.eks. aluminium eller kobber, anvendes til de elektriske forbindelser til enhederne. Udformning, drift og fremstilling af faststofkomponenter er generelt et område, der hører under fysik og ingeniørvidenskab. Egenskaberne ved de materialer, der anvendes til at fremstille enhederne, bestemmes imidlertid af kemien.

Den forskel, der er mellem ledere, halvledere og isolatorer, bestemmes af, hvor let elektroner (eller huller) kan bevæge sig gennem det krystallinske materiale. Elektronernes bevægelse (delokalisering), eller deres lokalisering på eller mellem bestemte atomer, bestemmes af den kemiske binding. I en krystal er det nødvendigt at tage hensyn til de gentagne bindingsinteraktioner mellem de mange atomer i stedet for blot bindingsinteraktionerne mellem to atomer i et isoleret molekyle.

Tænk på bindingsanalogien mellem dihydrogenmolekylet, H2, og en hypotetisk endimensionel hydrogenkrystal, Hn, symbolsk repræsenteret i figur 1. Hvert brintatom har én elektron i én atomorbitum . Når to sådanne atomer bringes sammen, deles elektronerne mellem dem i en bindende molekylær orbital, σ, hvor orbitalerne er i fase med hinanden. Der dannes også en antibindende orbital, σ*, ved højere energi, hvor de to orbitaler er ude af fase med hensyn til hinanden. En stabil bindingssituation opstår, når elektronkonfigurationen fylder de bindende molekylære orbitaler og efterlader de antibindende molekylære orbitaler tomme.

Når et omtrent uendeligt antal atomer samles for at danne en krystal, medbringer de et uendeligt antal orbitaler og tilsvarende elektroner. Når alle disse orbitaler er i fase, fås den lavenergikrystalorbital med laveste energi. Når de alle er ude af fase, fås den højest energiske krystalorbital. Men med det næsten uendelige antal atomer og dermed et næsten uendeligt antal atomorbitaler må der dannes et næsten uendeligt antal krystalorbitaler med energier, der ligger mellem det mest bindende og det mest antibindende niveau. Denne samling af krystalorbitaler betegnes som et energibånd.

Hvert bånd kan fyldes med elektroner på samme måde som at fylde en plastikflaske med sand. Hvis denne flaske med sand er helt fyldt, er det muligt at vippe den eller endog vende den på hovedet, uden at sandkornene bevæger sig. Hvis plastflasken ikke er helt fyldt (dvs. et delvist fyldt bånd), kan sandkornene let bevæge sig, når flasken vippes. De er ikke lokaliseret i én position, men er delokaliseret over hele den øverste overflade. På samme måde er elektronerne i et delvist fyldt bånd delokaliseret på tværs af krystallen og kan lede elektricitet. Energien for de højest fyldte niveauer kaldes Fermi-energien.

Forståelse af ledningsevne

En metallisk leder er et stof, der har et delvist fyldt bånd. Det kræver meget lidt energi at flytte elektroner fra et fyldt niveau til et tomt niveau i et bånd; dette resulterer i en høj ledningsevne, fordi der ikke er noget energigap ved Fermi-niveauet. Når temperaturen i en metallisk leder sænkes, øges ledningsevnen, fordi den termiske bevægelse af atomerne i krystallen bremses, hvilket gør det lettere for elektronerne at bevæge sig.

I modsætning hertil har både halvledere og isolatorer båndstrukturer, hvor alle deres elektroniske bånd enten er helt fyldte eller helt tomme. Da virkelige krystaller har mere end én orbital, i modsætning til brinteksemplet, vil der være flere bånd, der giver anledning til den elektroniske båndstruktur. Bånd fyldt med elektroner forekommer under Fermi-energien, og bånd ved højere energi er tomme. Forskellen i energi mellem den højeste del af det fyldte bånd og den laveste del af det tomme bånd er båndgabet. Forskellen mellem en isolator og en halvleder er størrelsen af båndgabet. Et materiale med en båndkløft på mindre end ca. 3,5 eV betragtes som en halvleder, mens materialer med større båndkløfter er isolatorer. I en halvleder kaldes det fyldte bånd under Fermi-niveauet for valensbåndet, og det tomme bånd over Fermi-niveauet kaldes for ledningsbåndet.

Hvis der tilføres tilstrækkelig energi til en halvleder, kan en elektron blive flyttet fra valensbåndet til ledningsbåndet; derved opstår der også et hul i valensbåndet. Den elektron, der er flyttet til ledningsbåndet, og/eller det hul, der er tilbage i valensbåndet, kan delokaliseres i krystallen, hvilket resulterer i elektronisk ledningsevne. Størrelsen af ledningsevnen er stærkt bestemt af den energi, der tilføres halvlederen. Af denne grund vil en halvleders ledningsevne stige med stigende temperatur.

Halvlederes kemi

Egenskaberne ved en halvleder bestemmes af materialets grundstofsammensætning, dets struktur og tilstedeværelsen af eventuelle urenheder. Forureninger, der almindeligvis kaldes dopanter, tilføjer extrinsiske egenskaber til halvlederen i forhold til de egenskaber, der er intrinsiske for selve det rene materiale.

Intrinsiske halvledere. Man kan konstatere, at elementerne i gruppe 14 kulstof, silicium, germanium og tin antager den diamantlignende krystalstruktur, der er vist i figur 3a. Der findes også andre krystallinske strukturer; f.eks. er grafit og diamant forskellige krystalstrukturer af det samme grundstof, kulstof. På grund af dets størrelse og orbitalenergier danner kulstof meget

stærke bindinger, så der er stor energiskel mellem bindingsbåndene og antibindingsbåndene i diamant. Dette resulterer i et stort båndgab på 6,0 eV, hvilket gør diamant til en isolator. I modsætning hertil er bindingerne mellem de tungere grundstoffer (silicium, germanium og tin) ikke så stærke, så båndgabet falder nedad i kolonnen i det periodiske system: silicium, 1,1 eV, germanium, 0,7 eV og grå tin, 0,1 eV. Desuden gennemgår tin ved temperaturer under 13 °C (55 °F) en krystalomlægning til strukturen af hvidt tin, som ikke har noget båndgab, fordi det er metallisk.

Sammensatte halvledere består af mere end ét grundstof og giver mulighed for kemisk at indstille størrelsen af båndgabet. Typiske sammensatte halvledere vil kombinere elementer fra gruppe 13 og 15 i det periodiske system. Disse sammensatte halvledere har også en diamantlignende krystalstruktur, men med skiftende atomtyper i krystalnetværket (figur 3b). Ved at kombinere grundstoffer med tre og fem valenselektroner (som f.eks. aluminium og fosfor) – i gennemsnit fire elektroner pr. atom – fås et materiale med egenskaber svarende til silicium med fire valenselektroner. Da fosforens orbitaler har en lavere energi og aluminiums orbitaler har en højere energi end silicium, observeres der imidlertid et større båndgab for den sammensatte halvleder AlP (3,0 eV). Ved at kombinere de tungere grundstoffer gallium og arsenik dannes galliumarsenid (GaAs) med et båndgab på 1,4 eV. En lignende kemi er mulig ved at kombinere grundstoffer i gruppe 12 og 16, hvilket f.eks. giver halvlederne zinksulfid (ZnS) og cadmiumselenid (CdSe) med båndgab på henholdsvis 3,8 eV og 1,8 eV.

Dopanter i halvledere. Renheden for en halvleder af elektronisk kvalitet skal være større end 99,999 procent. Ved at kontrollere mængden og typen af urenheder kan man imidlertid finjustere halvlederens egenskaber. Hvis man f.eks. tilføjer en fosforforurening (med fem valenselektroner) til silicium (med fire valenselektroner), tilføjer man effektivt en ekstra elektron for hvert fosforatom, der tilføjes til krystallet. Fosforen er således en donor for silicium. De doterende fosforatomer vil fortrænge siliciumatomer i krystallen, men den overordnede krystalstruktur ændres ikke, og det gør båndstrukturen heller ikke. Den ekstra elektron må dog gå ind i ledningsbåndet, da valensbåndet allerede var fyldt i forvejen. Dette giver en halvleder af n -typen. Omvendt giver dotering af silicium med aluminium en elektron for lidt, idet der efterlades et hul i valensbåndet for hvert aluminiumatom, der tilføjes. Aluminium er således en acceptor fra silicium. Efter at have mistet elektroner bærer hullerne en positiv ladning og danner en halvleder af p -typen. Da energilækket mellem donorniveauerne og ledningsbåndet (En) eller mellem acceptorniveauerne og valensbåndet (Ep) er meget lille, vil disse doterede halvledere udvise en større ledningsevne og en langt mindre temperaturafhængighed end den, der observeres for en iboende halvleder.

P-N-ledersammenfaldet. Fermi-niveauet for en halvleder af p -typen er lavere i energi end for en halvleder af n -typen. Når p – og n -type halvledere forbindes, skabes der et fælles fermi-niveau ved kombinationen af huller og elektroner ved grænsefladen. Der er ingen ladninger til stede i denne udtyndingszone ved overgangen. Når der påføres en positiv spænding på p -typesiden af p-n-forbindelsen og en negativ spænding på n -typesiden, kan der flyde strøm, da den positive spænding skubber hullerne mod den

negative katode og den negative spænding skubber de frie elektroner mod den positive anode. Hvis batteriet derimod tilsluttes i omvendt retning, vil udtømningszonen blive større, fordi den negative spænding, der er knyttet til p -siden af krydset, vil trække flere huller mod denne elektrode, og den positive spænding, der er knyttet til n -typen af halvleder, vil trække elektroner mod elektroden og væk fra krydset, hvilket efterlader en større udtømningszone. Som følge heraf er der ingen frie bærere, og der kan ikke løbe nogen strøm. Dette p-n-forbindelse danner således den enkleste faststofanordning, en såkaldt diode.

Dioder. Dioder er i det væsentlige envejsventiler for elektronisk ledningsevne. En sådan anordning er meget vigtig i en strømforsyning, der konverterer vekselstrøm til jævnstrøm, hvilket er nødvendigt for mange elektroniske apparater. Tilslutning af en enkelt diode til et elektrisk vekselstrømskredsløb vil blokere enten de positive eller negative spændingsudsving, hvilket beskrives som halv ensretning. Tilslutning af fire dioder (som vist i figur 6) giver fuld bølgegentretning og konverterer vekselstrøm til jævnstrøm. Tilføjelsen af kondensatorer til dette kredsløb vil udjævne spændingssvingningerne med henblik på den faktiske drift af enheden.

Når elektrisk strøm passerer gennem et p-n-forbindelsesled, kan elektroner, der bevæger sig gennem ledningsbåndet, eller huller, der bevæger sig gennem valensbåndet, rekombineres med huller eller elektroner på tværs af båndgabet. Denne rekombination sker primært for elektroner, der er blevet skubbet ind i diodens p -typeområde, og for huller, der er blevet skubbet ind i diodens n -typeområde af den eksterne spænding. Når elektroner og huller rekombineres på tværs af båndgabet, frigives energi, ofte i form af en foton med en energi svarende til båndgabets energi. Halvledere med båndgab mellem 1,8 eV og 3,1 eV vil udsende fotoner af synligt lys (rødt til violet). Disse er kendt som lysdioder. Faktisk udsender alle dioder lys, men de fleste har et båndgab, der er mindre end energien for en synlig foton.

Som følge heraf udsender de fleste dioder infrarøde fotoner. En sådan infrarød emission bruges til signalering i mange fjernbetjeningsenheder.

Transistorer. Transistorer er faste koblings- og forstærkningsanordninger, og det var deres opfindelse i 1947, der virkelig indledte elektronikrevolutionen i slutningen af det tyvende århundrede. En n-p-n bipolær transistor dannes ved at forbinde n -type halvledere på hver side af en tynd p -type halvleder. Som vist i figur 7 fungerer transistoren som en afbryder for det kredsløb, der er tilsluttet 10 V strømforsyningen. Hvis der påføres en lille negativ spænding på basen (kontakt B), fjernes hullerne fra p -halvlederen, hvorved der dannes en isolerende barriere. Dette er den samme proces som at forsøge at tvinge strømmen den forkerte vej gennem to p-n-forbindelser. Som følge heraf vil der ikke løbe nogen strøm mellem nogen af kontakterne. Hvis der påføres en lille positiv spænding på basekontakten, vil der imidlertid løbe en vis strøm gennem kontrolkredsløbet (elektroner, der går fra emitteren til basen). Da den spænding, der tilføres mellem emitteren (kontakt E) og kollektoren (kontakt C), er meget større end basisspændingen, vil en meget større del af elektronerne krydse det tynde p -lags lag, hvilket giver den meget større kollektorstrøm.

Som beskrevet ovenfor fungerer transistoren som en simpel tænd/sluk-enhed, afhængigt af fortegnet på den spænding, der tilføres over basis og emitter. Da basisstrømmen er lille og kollektorstrømmen stor, kan den samme faststofenhed også bruges som signalforstærker. Forholdet mellem kollektorstrømmen og basisstrømmen er stort set konstant for en given enhed. Da basisstrømmen er proportional med basis-emitterspændingen (spænding mellem B og E) og kollektorstrømmen er proportional med emitter-kollektorspændingen (spænding mellem E og C), vil en lille svingning i spændingen fra f.eks. en mikrofon, der føres ind i BE-sløjfen, blive

forstærket til en stor svingning i spændingen i EC-sløjfen, som derefter kan forbindes til en højttaler.

Selv om forskellige kombinationer af halvledere kan fremstilles i mange forskellige faststofanordninger, er anordningens funktion stærkt afhængig af kemien i de elementer, der indgår i halvlederne. Bindingen mellem de elementer, der indgår i halvledere, bestemmer den elektroniske båndstruktur og størrelsen af båndgabet. Antallet af valenselektroner bestemmer fyldningen af disse bånd og dermed de elektroniske egenskaber. Den igangværende forskning fortsætter med at opdage nye halvledere med nye anvendelsesmuligheder. Desuden gøres der store anstrengelser for at designe mindre og mindre enheder med det formål at gå fra solid state-enheder (baseret på krystallinske materialer) til enkeltmolekyle-enheder.

James D. Martin

Bibliografi

Campbell, Dean J.; Lorenz, Julie K.; Ellis, Arthur B.; Kuech, Thomas F.; Lisensky, George; Whittingham, C.; and Stanley, M. (1998). “The Computer as a Materials Science Benchmark”. Journal of Chemical Education 75:297-312.

Ellis, Arthur B.; Geselbracht, Margret J.; Johnson, Brian J.; Lisensky, George C.; og Robinson, William R. (1993). Teaching General Chemistry: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.