A szilárdtest-eszközök mind a csúcstechnológiájú, mind a nagyon hétköznapi eszközök vezérlő elemei. Széleskörű használatuk azzal függ össze, hogy az összes emberi érzékszervvel való összeköttetésre felhasználhatóak. A fénykibocsátó diódák (LED-ek) és a szilárdtest-lézerek fényt állítanak elő, amelyet mindenféle, a látáshoz kapcsolódó kijelzőben használnak. A szilárdtest-eszközök első alkalmazása a tranzisztorok használata volt a rádiókban és az erősítőkben, amelyek a hallásérzékünkhöz kapcsolódnak. A termoelektrikák olyan szilárdtest-eszközök, amelyek fűtésre vagy hűtésre használhatók – ez a tapintás érzékelésével való kapcsolódási pont. Bár a szilárdtest-eszközök nem bocsátanak ki szagot vagy ízt, szagló vagy mérgező anyagok megfigyelésére szolgáló érzékelőként használhatók, kapcsolódva a szaglás és az ízlelés érzékszervéhez. Bizonyos mértékig az információs forradalom által vezérelt modern időérzékelés is a szilárdtest-eszközökre vezethető vissza.
A huszonegyedik század elején több szilárdtest-eszközt gyártottak, mint bármely más gyártott dolgot. Egyetlen nyolc hüvelykes szilíciumszeletre több mint tízmilliárd alkatrészt gyártanak. Az 1940-es években az egyszerű szilárdtest-eszközök feladatait vákuumcsövekkel és mechanikus relékkel végezték. (Ha egy vákuumcső egy négyzetcentiméternyi területet fed le, akkor ugyanez a tízmilliárd eszköz, amely egy nyolc hüvelykes ostyán elfér, 6,5 négyzetkilométert fedne le). A tranzisztor feltalálása 1947-ben a Bell Laboratories-ban bevezette az elektronikus korszakot, amely a telefonokkal és rádiókkal kezdődött, és végül egyre kisebb és gyorsabb számítógépeket, hatékonyabb világítást, a Napból származó elektromos energia kinyerésének eszközét és még sok mást biztosított.
A szilárdtest-eszközök anyagai
A szilárdtest-eszközök szigetelő, félvezető vagy vezető tulajdonságokkal rendelkező kristályos anyagok bonyolult szerveződéseiből állnak. A szigetelők, amelyek jellemzően SiO2-ből állnak, megakadályozzák az áram áramlást az eszköz egyik részéből a másikba. A félvezetők, jellemzően szilícium vagy a szilíciummal rokon anyagok, a szilárdtest-eszközök fő anyagai, amelyek a töltéshordozók (elektronok vagy lyukak) számát és áramlási sebességét szabályozzák. A lyukak egy elektron eltávolításakor keletkeznek, és így pozitív töltést hordoznak. Az eszközök elektromos csatlakoztatására vezetőket, jellemzően fémeket, például alumíniumot vagy rezet használnak. A szilárdtest-eszközök tervezése, működése és gyártása általában a fizika és a mérnöki tudományok tárgya. Az eszközök előállításához használt anyagok tulajdonságait azonban a kémia határozza meg.
A vezetők, félvezetők és szigetelők közötti különbséget az határozza meg, hogy az elektronok (vagy lyukak) milyen könnyen tudnak mozogni a kristályos anyagon keresztül. Az elektronok mozgását (delokalizációját), illetve az egyes atomokon vagy azok között való elhelyezkedését a kémiai kötés határozza meg. Egy kristályban a sok atom közötti ismétlődő kötési kölcsönhatásokat kell figyelembe venni, nem pedig csak az izolált molekula két atomja közötti kötési kölcsönhatásokat.
Nézzük meg a kötési analógiát a dihidrogén molekula, H2, és egy hipotetikus egydimenziós hidrogénkristály, Hn, között, amelyet szimbolikusan az 1. ábra ábrázol. Minden hidrogénatomnak egy elektronja van egy atomi orbitálon . Amikor két ilyen atomot összehozunk, az elektronok egy σ kötési molekuláris orbitálon osztoznak egymás között, ahol az orbitálok fázisban vannak egymással. Egy magasabb energiájú antibonding orbitál, σ* is létrejön, ahol a két orbitál fázison kívül van egymáshoz képest. Stabil kötési helyzet akkor jön létre, ha az elektronkonfiguráció kitölti a kötő molekuláris pályákat, és üresen hagyja az antibkötő molekuláris pályákat.
Amikor megközelítőleg végtelen számú atomot egyesítünk egy kristály kialakításához, végtelen számú pályát és a hozzájuk tartozó elektronokat hozzák magukkal. Ha mindezek a pályák fázisban vannak, akkor a legalacsonyabb energiájú kristálypályát kapjuk. Ha mindegyik fázison kívül van, akkor a legnagyobb energiájú kristálypályát kapjuk. Mivel azonban az atomok száma közel végtelen, és így az atomi pályák száma is közel végtelen, közel végtelen számú olyan kristálypályának kell kialakulnia, amelyek energiája a leginkább kötő és a leginkább antikötő szintek között helyezkedik el. A kristálypályáknak ezt a gyűjteményét energiasávnak nevezzük.
Minden sáv feltölthető elektronokkal, hasonlóan ahhoz, mintha egy műanyag palackot töltenénk meg homokkal. Ha ez a homokos palack teljesen tele van, akkor meg lehet dönteni vagy akár fejjel lefelé is fordítani, és a homokszemek nem mozdulnak el. Ha a műanyag palack nem teljesen tele van (azaz részben töltött sáv), akkor a homokszemek könnyen elmozdulhatnak, amikor a palackot megdöntjük. Nem egy pozícióban lokalizálódnak, hanem delokalizálódnak a felső felületen. Hasonló módon egy részben kitöltött sáv elektronjai is delokalizálódnak a kristályban, és képesek vezetni az elektromosságot. A legmagasabb kitöltött szintek energiáját Fermi energiának nevezzük.
A vezetőképesség megértése
A fémes vezető olyan anyag, amelynek részben kitöltött sávja van. Nagyon kevés energiára van szükség ahhoz, hogy az elektronok a sáv egy kitöltött szintjéről egy üres szintre kerüljenek; ez nagy vezetőképességet eredményez, mivel a Fermi-szinten nincs energiarés. Ha a fémes vezető hőmérsékletét csökkentjük, a vezetőképesség megnő, mert a kristályban lévő atomok hőmozgása lelassul, így az elektronok könnyebben mozognak.
Ezzel szemben mind a félvezetők, mind a szigetelők olyan sávszerkezettel rendelkeznek, amelyben az összes elektronikus sávjuk vagy teljesen tele van, vagy teljesen üres. Mivel a valódi kristályokban egynél több orbitális van, ellentétben a hidrogén példájával, több sáv is keletkezik, ami az elektronikus sávszerkezetet adja. Az elektronokkal teli sávok a Fermi-energia alatt fordulnak elő, a magasabb energiájú sávok pedig üresek. A töltött sáv legmagasabb része és az üres sáv legalacsonyabb része közötti energiakülönbség a sávhézag. A szigetelő és a félvezető közötti különbség a sávhézag mérete. A körülbelül 3,5 eV-nál kisebb sávhézaggal rendelkező anyagot félvezetőnek tekintjük, míg a nagyobb sávhézaggal rendelkező anyagok szigetelők. A félvezetőben a Fermi szint alatti kitöltött sávot valenciasávnak, a Fermi szint feletti üres sávot pedig vezetési sávnak nevezzük.
Ha elegendő energiát juttatunk egy félvezetőbe, egy elektron a valenciasávból a vezetési sávba léphet; ez egy lyukat is létrehoz a valenciasávban. A vezetési sávba emelt elektron és/vagy a valenciasávban maradt lyuk delokalizálódhat a kristályban, ami elektronikus vezetőképességet eredményez. A vezetőképesség nagyságát erősen meghatározza a félvezetőbe juttatott energia. Emiatt a félvezető vezetőképessége a hőmérséklet növekedésével nő.
A félvezetők kémiája
A félvezető tulajdonságait az anyag elemi összetétele, szerkezete és az esetleges szennyeződések jelenléte határozza meg. A szennyeződések, amelyeket általában adalékanyagoknak neveznek, extrinsic tulajdonságokat adnak a félvezetőhöz, szemben magának a tiszta anyagnak a belső tulajdonságaival.
Intrinsic félvezetők. A tizennégyes csoportba tartozó szén-, szilícium-, germánium- és ónelemek a 3a. ábrán látható gyémánt típusú kristályszerkezetet veszik fel. Más kristályszerkezetek is előfordulnak; például a grafit és a gyémánt ugyanannak az elemnek, a szénnek különböző kristályszerkezetei. Mérete és orbitális energiái miatt a szén nagyon
erős kötéseket képez, ezért a gyémántban a kötés- és az antikötési sávok között nagy az energiaszétválasztás. Ez nagy, 6,0 eV-os sávhézagot eredményez, ami a gyémántot szigetelővé teszi. Ezzel szemben a nehezebb elemek (szilícium, germánium és ón) közötti kötések nem olyan erősek, így a sávhézag a periódusos rendszer oszlopában lefelé haladva csökken: szilícium 1,1 eV; germánium 0,7 eV; szürke ón 0,1 eV. Ezenkívül 13 °C (55 °F) alatti hőmérsékleten az ón kristályos átrendeződésen megy keresztül a fehér ón szerkezetévé, amelynek nincs sávhézaga, mivel fémes.
A vegyes félvezetők egynél több elemből állnak, és lehetőséget adnak a sávhézag méretének kémiai beállítására. A tipikus összetett félvezetők a periódusos rendszer tizenharmadik és tizenötödik csoportjába tartozó elemeket kombinálják. Ezek az összetett félvezetők szintén gyémánt típusú kristályszerkezetet vesznek fel, de a kristályhálózatban az atomtípusok váltakoznak (3b. ábra). A három és öt valenciaelektronnal rendelkező elemek (mint például az alumínium és a foszfor) kombinálásával – átlagosan négy elektron atomonként – a négy valenciaelektronos szilíciumhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkező anyagot kapunk. Mivel azonban a foszfor pályái alacsonyabb energiájúak, az alumínium pályái pedig magasabb energiájúak, mint a szilíciumé, az összetett félvezető AlP esetében nagyobb sávhézag figyelhető meg (3,0 eV). A nehezebb elemek, a gallium és az arzén kombinációjával gallium-arzenid (GaAs) keletkezik, amelynek sávhézaga 1,4 eV. Hasonló kémia lehetséges a tizenkettedik és tizenhatodik csoportba tartozó elemek kombinálásával, amelyekből például a cink-szulfid (ZnS) és a kadmium-szelenid (CdSe) félvezetők keletkeznek, 3,8 eV, illetve 1,8 eV sávhézaggal.
Dopánsok a félvezetőkben. Az elektronikus minőségű félvezető tisztaságának 99,999 százaléknál nagyobbnak kell lennie. A szennyeződések mennyiségének és típusának szabályozásával azonban finomhangolhatók a félvezető tulajdonságai. Például egy foszfor szennyeződés (öt valenciaelektronnal) hozzáadása a szilíciumhoz (négy valenciaelektronnal) gyakorlatilag egy plusz elektront ad a kristályhoz hozzáadott minden egyes foszforatomhoz. Így a foszfor donor a szilícium számára. Az adalékoló foszforatomok kiszorítják a szilíciumatomokat a kristályban, de az általános kristályszerkezet nem változik, ahogyan a sávszerkezet sem. A plusz elektronnak azonban a vezetési sávba kell kerülnie, mivel a valenciasáv már eddig is tele volt. Így egy n-típusú félvezető keletkezik. Ezzel szemben a szilícium alumíniummal történő adalékolása egy elektron túl kevés elektront biztosít, így minden hozzáadott alumíniumatom után egy lyuk marad a valenciasávban. Így az alumínium egy akceptor a szilíciumból. Az elektronok elvesztése után a lyukak pozitív töltést hordoznak, így p-típusú félvezető jön létre. Mivel a donorszintek és a vezetési sáv (En), illetve az akceptorszintek és a valenciasáv (Ep) közötti energiarés nagyon kicsi, ezek az adalékolt félvezetők nagyobb vezetőképességet és sokkal kisebb hőmérsékletfüggést mutatnak, mint az intrinzik félvezetőnél megfigyelhető.
A P-N átmenet. A p -típusú félvezető Fermi-szintje alacsonyabb energiájú, mint az n -típusú félvezetőé. Amikor p – és n -típusú félvezetőket kötnek össze, a határfelületen a lyukak és elektronok kombinációja révén közös Fermi-szint jön létre. Az elágazásnál ebben a kimerülési zónában nincsenek hordozók. Ha a p-n átmenet p -típusú oldalára pozitív, az n -típusú oldalára pedig negatív feszültséget kapcsolunk, áram folyhat, mivel a pozitív feszültség a lyukakat a
negatív katód felé tolja, a negatív feszültség pedig a szabad elektronokat a pozitív anód felé tolja. Ezzel szemben az akkumulátor fordított bekötése növeli a kimerülési zóna méretét, mivel az elágazás p -oldalára kapcsolt negatív feszültség több lyukat húz az adott elektróda felé, az n -típusú félvezetőre kapcsolt pozitív feszültség pedig az elektronokat az elektróda felé és az elágazástól távolabb húzza, így nagyobb kimerülési zóna marad. Ennek eredményeképpen nincsenek szabad hordozók, és nem folyhat áram. Így ez a p-n átmenet alkotja a legegyszerűbb szilárdtest-berendezést, amelyet diódának nevezünk.
Diódák. A diódák lényegében az elektronikus vezetőképesség egyirányú szelepei. Egy ilyen eszköz nagyon fontos a tápegységben, amely a váltakozó áramot egyenárammá alakítja, ami számos elektronikus eszközhöz szükséges. Egyetlen dióda csatlakoztatása egy váltakozó áramú elektromos áramkörhöz blokkolja a pozitív vagy negatív feszültségingadozást, amelyet fél egyenirányításként írnak le. Négy dióda csatlakoztatása (a 6. ábrán látható módon) teljes hullámegyenirányítást eredményez, amely a váltakozó áramot egyenárammá alakítja. Kondenzátorok hozzáadása ehhez az áramkörhöz kisimítja a feszültségingadozásokat az eszköz tényleges működéséhez.
Amikor elektromos áram folyik át bármely p-n átmeneten, a vezetési sávban haladó elektronok vagy a valenciasávban haladó lyukak rekombinálódhatnak lyukakkal, illetve elektronokkal a sávhézagon keresztül. Ez a rekombináció elsősorban a dióda p -típusú tartományába tolt elektronokkal és a külső feszültség által a dióda n -típusú tartományába tolt lyukakkal történik. Az elektronok és lyukak sávhézagon keresztüli rekombinációja során energia szabadul fel, gyakran olyan foton formájában, amelynek energiája megegyezik a sávhézag energiájával. Az 1,8 eV és 3,1 eV közötti sávhézaggal rendelkező félvezetők látható fényű fotonokat bocsátanak ki (vörös és ibolya között). Ezeket LED-nek nevezik. Valójában minden dióda bocsát ki fényt, de a legtöbbnek a sávhézagja kisebb, mint a látható foton energiája.
Emiatt a legtöbb dióda infravörös fotonokat bocsát ki. Az ilyen infravörös emissziót számos távvezérlő eszközben jelzésekre használják.
Tranzisztorok. A tranzisztorok szilárdtest kapcsoló és erősítő eszközök, és 1947-es feltalálásukkal kezdődött meg igazán az elektronika forradalma a huszadik század végén. Az n-p-n bipoláris tranzisztort úgy alakítják ki, hogy egy vékony p-típusú félvezető mindkét oldalán n-típusú félvezetőket kapcsolnak össze. A 7. ábrán látható módon a tranzisztor kapcsolóként működik a 10 V-os tápegységhez csatlakoztatott áramkörben. Ha a bázisra (B érintkező) kis negatív feszültséget kapcsolunk, a lyukak eltávolodnak a p -típusú félvezetőből, így szigetelőgátat hozva létre. Ez ugyanaz a folyamat, mint amikor megpróbáljuk az áramot rossz irányba kényszeríteni két p-n átmeneten keresztül. Ennek eredményeképpen egyik érintkező között sem folyik áram. Ha azonban a bázisérintkezőre kis pozitív feszültséget kapcsolunk, akkor némi áram fog folyni a vezérlőhurokon keresztül (az elektronok az emittertől a bázis felé haladnak). Mivel az emitter (E érintkező) és a kollektor (C érintkező) között szolgáltatott feszültség sokkal nagyobb, mint a bázisfeszültség, az elektronok sokkal nagyobb hányada fog áthaladni a vékony p -típusú rétegen, ami a sokkal nagyobb kollektoráramot adja.
A fent leírtak szerint a tranzisztor egyszerű be- és kikapcsoló eszközként működik, a bázis és az emitter fölött alkalmazott feszültség előjelétől függően. Mivel az alapáram kicsi, a kollektoráram pedig nagy, ugyanez a szilárdtest-eszköz jelerősítőként is használható. A kollektoráram és az alapáram aránya egy adott eszköz esetében lényegében állandó. Mivel az alapáram arányos a bázis-emitter feszültséggel (B és E közötti feszültség) és a kollektoráram arányos az emitter-kollektor feszültséggel (E és C közötti feszültség), a például egy mikrofonból a BE hurokba bevitt feszültség kis rezgése
az EC hurokban lévő feszültség nagy rezgéssé erősödik, amely aztán egy hangszóróhoz csatlakoztatható.
Bár a félvezetők különböző kombinációi sokféle szilárdtest-eszközben gyárthatók, az eszköz működése erősen függ a félvezetőket alkotó elemek kémiájától. A félvezetőket alkotó elemek közötti kötés határozza meg az elektronikus sávszerkezetet és a sávhézag méretét. A valenciaelektronok száma határozza meg e sávok kitöltését és ezáltal az elektronikus tulajdonságokat. Folyamatos kutatási erőfeszítések folynak új félvezetők felfedezése érdekében, amelyek új alkalmazási lehetőségeket rejtenek magukban. Emellett kiterjedt erőfeszítéseket tesznek az egyre kisebb és kisebb eszközök tervezésére azzal a céllal, hogy a (kristályos anyagokon alapuló) szilárdtest-eszközökről áttérjenek az egymolekulás eszközökre.
James D. Martin
Bibliográfia
Campbell, Dean J.; Lorenz, Julie K.; Ellis, Arthur B.; Kuech, Thomas F.; Lisensky, George; Whittingham, C.; és Stanley, M. (1998). “A számítógép mint anyagtudományi viszonyítási alap”. Journal of Chemical Education 75:297-312.
Ellis, Arthur B.; Geselbracht, Margret J.; Johnson, Brian J.; Lisensky, George C.; and Robinson, William R. (1993). Az általános kémia tanítása: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.