Urządzenia półprzewodnikowe są elementami sterującymi zarówno w urządzeniach zaawansowanych technologicznie, jak i bardzo zwykłych. Ich powszechne zastosowanie jest związane z faktem, że mogą być wykorzystane do interfejsu z wszystkimi zmysłami człowieka. Diody elektroluminescencyjne (LED) i lasery półprzewodnikowe wytwarzają światło wykorzystywane we wszelkiego rodzaju wyświetlaczach, które współpracują ze wzrokiem. Pierwszymi zastosowaniami urządzeń półprzewodnikowych było użycie tranzystorów w radioodbiornikach i wzmacniaczach, które współpracują z naszym zmysłem słuchu. Termoelektryki to urządzenia półprzewodnikowe, które mogą być używane do ogrzewania lub chłodzenia – interfejs ze zmysłem dotyku. Podczas gdy urządzenia półprzewodnikowe nie wydzielają zapachu ani smaku, mogą być wykorzystywane jako czujniki do monitorowania substancji zapachowych lub toksycznych, współpracując ze zmysłami węchu i smaku. W pewnym stopniu nowoczesne poczucie czasu, napędzane przez rewolucję informacyjną, wskazuje z powrotem na urządzenia półprzewodnikowe.
Na początku dwudziestego pierwszego wieku wyprodukowano więcej urządzeń półprzewodnikowych niż jakichkolwiek innych rzeczy. Ponad dziesięć miliardów komponentów jest produkowanych na jednym ośmiocalowym waflu krzemowym. W latach czterdziestych XX wieku zadania prostych urządzeń półprzewodnikowych były wykonywane za pomocą lamp próżniowych i przekaźników mechanicznych. (Jeśli lampa próżniowa zajmowała jeden cal kwadratowy powierzchni, to te same dziesięć miliardów urządzeń, które mieszczą się na ośmiocalowym waflu, zajmowałyby 6,5 kilometra kwadratowego). Wynalezienie tranzystora w 1947 roku w Bell Laboratories zapoczątkowało erę elektroniczną, zaczynając od telefonów i radioodbiorników, a ostatecznie zapewniając coraz mniejsze i szybsze komputery, bardziej wydajne oświetlenie, środki do zbierania energii elektrycznej ze Słońca i wiele więcej.
Materiały urządzeń półprzewodnikowych
Urządzenia półprzewodnikowe składają się z zawiłych organizacji materiałów krystalicznych, które wykazują właściwości izolacyjne, półprzewodzące lub przewodzące. Izolatory, zwykle składające się z SiO2, blokują przepływ prądu z jednej części urządzenia do drugiej. Półprzewodniki, zazwyczaj krzem lub materiały związane z krzemem, są podstawowymi materiałami urządzeń półprzewodnikowych, kontrolującymi liczbę i szybkość przepływu naładowanych nośników (elektronów lub dziur). Dziury powstają po usunięciu elektronu, a więc niosą ładunek dodatni. Przewodniki, zazwyczaj metale takie jak aluminium lub miedź, są wykorzystywane do połączeń elektrycznych z urządzeniami. Projektowanie, działanie i wytwarzanie urządzeń półprzewodnikowych jest na ogół przedmiotem fizyki i inżynierii. Właściwości materiałów używanych do produkcji urządzeń, jednak są określane przez chemię.
Różnica między przewodnikami, półprzewodnikami i izolatorami jest określona przez to, jak łatwo elektrony (lub dziury) mogą poruszać się przez materiał krystaliczny. Ruch (delokalizacja) elektronów, lub ich lokalizacja na lub pomiędzy poszczególnymi atomami, jest określona przez wiązanie chemiczne. W krysztale konieczne jest rozważenie powtarzających się oddziaływań wiążących pomiędzy wieloma atomami, a nie tylko oddziaływań wiążących pomiędzy dwoma atomami w izolowanej cząsteczce.
Rozważmy analogię wiązania pomiędzy cząsteczką wodoru, H2, a hipotetycznym jednowymiarowym kryształem wodoru, Hn, symbolicznie przedstawionym na rysunku 1. Każdy atom wodoru posiada jeden elektron w jednym orbitalu atomowym . Kiedy dwa takie atomy s± poł±czone razem, elektrony s± dzielone pomiędzy nimi w wi±ż±cym orbitalu molekularnym, σ, gdzie orbitale s± w fazie ze sob±. Przy wyższej energii tworzony jest również orbital przeciw wiązaniu, σ*, gdzie oba orbitale są poza fazą względem siebie. Stabilny wiązanie sytuacja tworzyć gdy the electron konfiguracja wypełniać wiążący molekularny orbital i opuszczać anty-wiązanie molekularny orbital pusty.
Kiedy w przybliżeniu nieskończona liczba atom przynosić wpólnie tworzyć kryształ, przynosić wzdłuż nieskończona liczba orbital i odpowiadający elektron. Gdy wszystkie te orbitale są w fazie, najniższa energia kryształu orbital jest uzyskane. Kiedy wszystkie są poza fazą, uzyskuje się orbital kryształowy o najwyższej energii. Ale z prawie nieskończoną liczbą atomów, a tym samym prawie nieskończoną liczbą orbitali atomowych, musi istnieć prawie nieskończona liczba orbitali krystalicznych utworzonych z energiami pośrednimi pomiędzy najbardziej wiążącymi i najbardziej anty-wiążącymi poziomami. Ten zbiór krystalicznych orbitali jest określany jako energy band.
Każde pasmo może być wypełnione elektronami w sposób podobny do napełniania plastikowej butelki piaskiem. Jeśli ta butelka z piaskiem jest całkowicie wypełniona, można ją przechylić lub nawet odwrócić do góry nogami, a ziarna piasku nie będą się poruszać. Jeśli plastikowa butelka nie jest całkowicie pełna (tzn. jest częściowo wypełniona), wtedy ziarenka piasku mogą się łatwo przemieszczać, gdy butelka jest przechylona. Nie są one zlokalizowane w jednym miejscu, ale delokalizowane na całej górnej powierzchni. W podobny sposób elektrony częściowo wypełnionego pasma są zdelokalizowane w całym krysztale i mogą przewodzić prąd elektryczny. Energia najwyższych wypełnionych poziomów nazywana jest energią Fermiego.
Zrozumienie przewodnictwa
Przewodnik metaliczny to substancja, która ma częściowo wypełnione pasmo. Potrzeba bardzo mało energii, aby przenieść elektrony z poziomu wypełnionego do poziomu pustego w paśmie; skutkuje to wysoką przewodnością, ponieważ nie ma przerwy energetycznej na poziomie Fermiego. Kiedy temperatura przewodnika metalicznego jest obniżona, przewodnictwo wzrasta, ponieważ ruch termiczny atomów w krysztale jest spowolniony, pozwalając elektronom poruszać się łatwiej.
W przeciwieństwie do tego, zarówno półprzewodniki jak i izolatory mają struktury pasmowe, w których wszystkie ich pasma elektroniczne są albo całkowicie pełne albo całkowicie puste. Ponieważ prawdziwe kryształy mają więcej niż jeden orbital, w przeciwieństwie do przykładu z wodorem, będzie kilka pasm dających początek elektronicznej strukturze pasmowej. Pasma wypełnione elektronami występują poniżej energii Fermiego, a pasma o wyższej energii są puste. Różnica energii pomiędzy najwyższą częścią wypełnionego pasma a najniższą częścią pustego pasma to przerwa między pasmami. Różnica pomiędzy izolatorem a półprzewodnikiem polega na wielkości przerwy pasmowej. Materiał z przerwą pasmową mniejszą niż około 3,5 eV jest uważany za półprzewodnik, podczas gdy materiały z większymi przerwami pasmowymi są izolatorami. W półprzewodniku, wypełnione pasmo poniżej poziomu Fermiego nazywane jest pasmem walencyjnym, a puste pasmo powyżej poziomu Fermiego nazywane jest pasmem przewodnictwa.
Jeśli do półprzewodnika dostarczana jest wystarczająca ilość energii, elektron może być promowany z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa; powoduje to również powstanie dziury w paśmie walencyjnym. Elektron promowany do pasma przewodnictwa i/lub dziura pozostawiona w paśmie walencyjnym mogą być delokalizowane w całym krysztale, co skutkuje przewodnictwem elektronowym. Wielkość przewodnictwa jest silnie zdeterminowana przez energię dostarczoną do półprzewodnika. Z tego powodu, przewodność półprzewodnika wzrośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Chemia półprzewodników
Właściwości półprzewodnika są określane przez skład pierwiastkowy materiału, jego strukturę i obecność zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia, powszechnie określane jako domieszki, dodają do półprzewodnika właściwości zewnętrzne w porównaniu z właściwościami wewnętrznymi czystego materiału.
Półprzewodniki samoistne. Grupa czternaście pierwiastków węgiel, krzem, german i cyna mogą być znalezione, aby przyjąć strukturę krystaliczną typu diamentowego pokazaną na rysunku 3a. Istnieją również inne struktury krystaliczne; na przykład grafit i diament są różnymi strukturami krystalicznymi tego samego pierwiastka, węgla. Ze względu na swój rozmiar i energii orbitali, węgiel tworzy bardzo
silne wiązania, więc istnieje duża separacja energii pomiędzy pasmami wiązania i anty wiązania w diamencie. Powoduje to dużą przerwę pasmową 6,0 eV, co czyni diament izolatorem. Z kolei wiązania pomiędzy cięższymi pierwiastkami (krzem, german i cyna) nie są tak silne, więc przerwa pasmowa maleje w dół kolumny układu okresowego: krzem – 1,1 eV; german – 0,7 eV; szara cyna – 0,1 eV. Ponadto, w temperaturze poniżej 13°C (55°F), cyna ulega krystalicznej rearanżacji do struktury białej cyny, która nie ma przerwy w paśmie, ponieważ jest metaliczna.
Półprzewodniki złożone składają się z więcej niż jednego elementu i dają możliwość chemicznego dostrojenia wielkości przerwy w paśmie. Typowe półprzewodniki złożone będą łączyć elementy z grupy trzynastej i piętnastej na tablicy okresowej. Półprzewodniki te przyjmują również strukturę krystaliczną typu diamentowego, ale z przemiennością typów atomów w sieci krystalicznej (Rysunek 3b). Poprzez połączenie pierwiastków o trzech i pięciu elektronach walencyjnych (takich jak aluminium i fosfor, odpowiednio) – średnio cztery elektrony na atom – otrzymuje się materiał o właściwościach podobnych do krzemu z czterema elektronami walencyjnymi. Jednakże, ponieważ orbitale fosforu są niższe w energii i orbitale aluminium są wyższe w energii niż krzemu, większa przerwa pasmowa jest obserwowany dla półprzewodnika AlP związku (3,0 eV). Połączenie cięższych pierwiastków galu i arsenu tworzy arsenek galu (GaAs), z przerwą pasmową 1,4 eV. Podobna chemia jest możliwe przez połączenie elementów z grup dwunastu i szesnastu, które, na przykład, dają półprzewodniki siarczek cynku (ZnS) i selenek kadmu (CdSe), z przerwami w paśmie 3,8 eV i 1,8 eV, odpowiednio.
Dopanty w półprzewodnikach. Czystość dla elektronicznego półprzewodnika klasy musi być większa niż 99,999 procent. Kontrolowanie ilości i rodzaju zanieczyszczeń, jednak, może dostroić właściwości półprzewodnika. Na przykład, dodanie zanieczyszczenia fosforem (z pięciu elektronów walencyjnych) do krzemu (z czterech elektronów walencyjnych) skutecznie dodaje jeden dodatkowy elektron dla każdego atomu fosforu dodanego do kryształu. Tak więc fosfor jest donorem dla krzemu. Dopuszczalne atomy fosforu będzie przesunąć atomy krzemu w krysztale, ale ogólna struktura kryształu nie zmienia, ani struktury pasmowej. Dodatkowy elektron musi przejść do pasma przewodnictwa, jednak, ponieważ pasmo walencyjne było już pełne. W ten sposób otrzymujemy półprzewodnik typu n. I odwrotnie, domieszkowanie krzemu aluminium dostarcza o jeden elektron za mało, pozostawiając jedną dziurę w paśmie walencyjnym na każdy dodany atom aluminium. Tak więc aluminium jest akceptorem krzemu. Po utracie elektronów, dziury mają ładunek dodatni, tworząc półprzewodnik typu p. Ponieważ luka energetyczna pomiędzy poziomami donorowymi a pasmem przewodnictwa (En) lub pomiędzy poziomami akceptorowymi a pasmem walencyjnym (Ep) jest bardzo mała, te domieszkowane półprzewodniki będą wykazywać większą przewodność i znacznie mniejszą zależność od temperatury niż obserwuje się w przypadku półprzewodników samoistnych.
Złącze P-N. Poziom Fermiego półprzewodnika typu p ma niższą energię niż półprzewodnik typu n. Kiedy półprzewodniki typu p i n są połączone, wspólny poziom Fermiego jest tworzony przez połączenie dziur i elektronów na interfejsie. W tej strefie zubożenia na złączu nie ma nośników. Kiedy dodatnie napięcie jest przyłożone do strony typu p złącza p-n, a ujemne do strony typu n, prąd może płynąć, ponieważ dodatnie napięcie popycha dziury w kierunku
ujemnej katody, a ujemne napięcie popycha wolne elektrony w kierunku dodatniej anody. Natomiast podłączenie baterii odwrotnie zwiększy rozmiar strefy zubożenia, ponieważ ujemne napięcie przyłożone do strony p złącza będzie przyciągać więcej dziur w kierunku elektrody, a dodatnie napięcie przyłożone do półprzewodnika typu n będzie przyciągać elektrony w kierunku elektrody i z dala od złącza, pozostawiając większą strefę zubożenia. W rezultacie nie ma wolnych nośników i nie może płynąć prąd. Tak więc to złącze p-n tworzy najprostsze urządzenie półprzewodnikowe, znane jako dioda.
Diody. Diody są w zasadzie jednokierunkowymi zaworami dla przewodnictwa elektronicznego. Takie urządzenie jest bardzo ważne w zasilaczu, który zamienia prąd zmienny na stały, niezbędny dla wielu urządzeń elektronicznych. Podłączenie pojedynczej diody do obwodu elektrycznego prądu zmiennego zablokuje albo dodatnie albo ujemne wahania napięcia, co określa się jako prostowanie połówkowe. Podłączenie czterech diod (jak pokazano na rysunku 6) daje prostowanie pełnofalowe, przekształcające prąd zmienny na prąd stały. Dodanie kondensatorów do tego obwodu wygładzi oscylacje napięcia dla rzeczywistej pracy urządzenia.
Gdy prąd elektryczny przechodzi przez dowolne złącze p-n, elektrony podróżujące przez pasmo przewodzenia lub dziury podróżujące przez pasmo walencyjne mogą rekombinować z dziurami lub elektronami, odpowiednio, w poprzek przerwy między pasmami. Ta rekombinacja zachodzi przede wszystkim w przypadku elektronów, które zostały wepchnięte do obszaru typu p diody i dziur, które zostały wepchnięte do obszaru typu n diody przez napięcie zewnętrzne. Gdy elektrony i dziury rekombinują w poprzek przerwy pasmowej, uwalniana jest energia, często w postaci fotonu o energii równej energii przerwy pasmowej. Półprzewodniki z przerwami między 1,8 eV a 3,1 eV emitują fotony światła widzialnego (od czerwonego do fioletowego). Są one znane jako diody LED. W rzeczywistości wszystkie diody emitują światło, ale większość z nich ma przerwę pasmową mniejszą niż energia fotonu widzialnego.
W rezultacie większość diod emituje fotony podczerwone. Taka emisja podczerwona jest wykorzystywana do sygnalizacji w wielu urządzeniach zdalnego sterowania.
Tranzystory. Tranzystory są półprzewodnikowymi urządzeniami przełączającymi i wzmacniającymi, i to właśnie ich wynalezienie w 1947 roku naprawdę rozpoczęło rewolucję w elektronice pod koniec XX wieku. Tranzystor bipolarny n-p-n powstaje przez połączenie półprzewodników typu n po obu stronach cienkiego półprzewodnika typu p. Jak pokazano na rysunku 7, tranzystor działa jako przełącznik dla obwodu podłączonego do zasilania 10 V. Jeśli do bazy (styk B) przyłożymy niewielkie napięcie ujemne, to dziury zostaną usunięte z półprzewodnika typu p, tworząc barierę izolacyjną. Jest to taki sam proces, jak próba wymuszenia przepływu prądu w niewłaściwą stronę przez dwa złącza p-n. W rezultacie, między żadnymi stykami nie popłynie prąd. Jeśli jednak do styku bazy zostanie przyłożone niewielkie napięcie dodatnie, pewien prąd popłynie przez pętlę sterującą (elektrony przechodzące z emitera do bazy). Ponieważ napięcie doprowadzone między emiterem (styk E) a kolektorem (styk C) jest znacznie większe niż napięcie bazy, znacznie większa część elektronów przekroczy cienką warstwę typu p, dając znacznie większy prąd kolektora.
Jak opisano powyżej, tranzystor funkcjonuje jako proste urządzenie typu włącz/wyłącz, w zależności od znaku napięcia przyłożonego do styku bazy i emitera. Ponieważ prąd bazy jest mały, a prąd kolektora duży, to samo urządzenie półprzewodnikowe może być również użyte jako wzmacniacz sygnału. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy jest w zasadzie stały dla danego urządzenia. Ponieważ prąd bazy jest proporcjonalny do napięcia baza-emiter (napięcie pomiędzy B i E), a prąd kolektora jest proporcjonalny do napięcia emiter-kolektor (napięcie pomiędzy E i C), mała oscylacja w napięciu wejściowym z mikrofonu, na przykład, do pętli BE będzie
wzmocniona do dużej oscylacji w napięciu w pętli EC, które następnie może być podłączone do głośnika.
Chociaż różne kombinacje półprzewodników mogą być wytwarzane w wielu różnych urządzeniach półprzewodnikowych, działanie urządzenia jest silnie uzależnione od składu chemicznego elementów tworzących półprzewodniki. Wiązanie między elementami tworzącymi półprzewodniki określa strukturę pasma elektronowego i wielkość przerwy w paśmie. Liczba elektronów walencyjnych decyduje o wypełnieniu tych pasm, a tym samym o właściwościach elektronicznych. Trwające prace badawcze mają na celu odkrycie nowych półprzewodników o nowych możliwych zastosowaniach. Ponadto, podejmowane są intensywne wysiłki w celu zaprojektowania coraz mniejszych urządzeń z zamiarem przejścia od urządzeń półprzewodnikowych (opartych na materiałach krystalicznych) do urządzeń jednocząsteczkowych.
James D. Martin
Bibliografia
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.; and Robinson, William R. (1993). Teaching General Chemistry: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.
.