Fasta enheter är styrkomponenter i både högteknologiska och helt vanliga apparater. Deras utbredda användning hänger samman med det faktum att de kan användas som gränssnitt mot alla mänskliga sinnen. Lysdioder (LED) och halvledarlasrar producerar ljus som används i alla typer av displayer som har kontakt med synen. De första tillämpningarna av fasta enheter var transistorer i radioapparater och förstärkare som fungerar som gränssnitt för vårt hörselsinne. Termoelektriska enheter är fasta enheter som kan användas för att värma eller kyla – ett gränssnitt mot känselsinnet. Även om fasta enheter inte avger lukt eller smak kan de användas som sensorer för att övervaka luktande eller giftiga ämnen, vilket är ett gränssnitt mot luktsinnet och smaksinnet. I viss mån pekar den moderna tidskänslan, som drivs av informationsrevolutionen, tillbaka på fasta enheter.
I början av det tjugoförsta århundradet tillverkades det fler fasta enheter än någon annan tillverkad sak. Mer än tio miljarder komponenter tillverkas på en enda åtta tums kiselskiva. Under 1940-talet utfördes arbetena med enkla halvledaranordningar med vakuumrör och mekaniska reläer. (Om ett vakuumrör täckte en kvadratcentimeter yta, skulle samma tio miljarder enheter som ryms på en åtta tums wafer täcka 6,5 kvadratkilometer .) Uppfinningen av transistorn 1947 vid Bell Laboratories inledde en elektronisk tidsålder, som började med telefoner och radioapparater och som så småningom gav allt mindre och snabbare datorer, effektivare belysning, ett sätt att skörda elektrisk energi från solen och mycket mer.
Materialen i fasta enheter
Fasta enheter består av invecklade organisationer av kristallina material som uppvisar isolerande, halvledande eller ledande egenskaper. Isolatorer, som vanligtvis består av SiO2, blockerar flödet av ström från en del av anordningen till en annan. Halvledare, vanligtvis kisel eller material som är besläktade med kisel, är de viktigaste materialen i halvledaranordningar och kontrollerar antalet laddade bärare (elektroner eller hål) och deras flödeshastighet. Hål bildas när en elektron avlägsnas och har därför en positiv laddning. Ledare, vanligtvis metaller som aluminium eller koppar, används för elektriska anslutningar till enheterna. Utformning, drift och tillverkning av halvledarelement är i allmänhet föremål för fysik och ingenjörskonst. Egenskaperna hos de material som används för att tillverka enheterna bestäms dock av kemin.
Skillnaden mellan ledare, halvledare och isolatorer bestäms av hur lätt elektroner (eller hål) kan röra sig genom det kristallina materialet. Elektronernas rörelse (delokalisering), eller deras lokalisering på eller mellan vissa atomer, bestäms av den kemiska bindningen. I en kristall är det nödvändigt att beakta de upprepade bindningsinteraktionerna mellan de många atomerna snarare än bara bindningsinteraktionerna mellan två atomer i en isolerad molekyl.
Tänk på bindningsanalogin mellan dihydrogenmolekylen, H2, och en hypotetisk endimensionell vätgaskristall, Hn, som symboliskt representeras i figur 1. Varje väteatom har en elektron i en atomorbital . När två sådana atomer förs samman delas elektronerna mellan dem i en bindande molekylär orbital, σ, där orbitalerna är i fas med varandra. En antibindande orbital, σ*, skapas också vid högre energi där de två orbitalerna är ur fas med avseende på varandra. En stabil bindningssituation skapas när elektronkonfigurationen fyller bindande molekylära orbitaler och lämnar antibindande molekylära orbitaler tomma.
När ett ungefär oändligt antal atomer förs samman för att bilda en kristall tar de med sig ett oändligt antal orbitaler och motsvarande elektroner. När alla dessa orbitaler är i fas erhålls kristallorbitalet med lägst energi. När alla är ur fas erhålls den mest energirika kristallorbitalen. Men med det nästan oändliga antalet atomer, och därmed ett nästan oändligt antal atomära orbitaler, måste det bildas ett nästan oändligt antal kristallorbitaler med energier som ligger mellan de mest bindande och de mest anti-bindande nivåerna. Denna samling av kristallorbitaler kallas för ett energiband.
Varje band kan fyllas med elektroner på samma sätt som man fyller en plastflaska med sand. Om den flaskan med sand är helt full är det möjligt att luta den eller till och med vända den upp och ner utan att sandkornen flyttas. Om plastflaskan inte är helt full (dvs. ett delvis fyllt band) kan sandkornen lätt röra sig när flaskan lutas. De är inte lokaliserade i ett läge utan delokaliserade över hela den övre ytan. På liknande sätt är elektronerna i ett delvis fyllt band delokaliserade över kristallen och kan leda elektricitet. Energin för de högst fyllda nivåerna kallas Fermi-energin.
Förståelse av ledningsförmåga
En metallisk ledare är ett ämne som har ett delvis fyllt band. Det krävs mycket lite energi för att flytta elektroner från en fylld nivå till en tom nivå i ett band; detta resulterar i hög ledningsförmåga eftersom det inte finns något energigap vid Fermi-nivån. När temperaturen i en metallisk ledare sänks ökar ledningsförmågan eftersom den termiska rörelsen hos atomerna i kristallen bromsas, vilket gör att elektronerna lättare kan förflytta sig.
Däremot har både halvledare och isolatorer bandstrukturer där alla deras elektroniska band antingen är helt fyllda eller helt tomma. Eftersom verkliga kristaller har mer än ett orbital, till skillnad från väteexemplet, kommer det att finnas flera band som ger upphov till den elektroniska bandstrukturen. Band fyllda med elektroner förekommer under Fermi-energin och band vid högre energi är tomma. Energidifferensen mellan den högsta delen av det fyllda bandet och den lägsta delen av det tomma bandet är bandgapet. Skillnaden mellan en isolator och en halvledare är storleken på bandgapet. Ett material med en bandgap på mindre än cirka 3,5 eV anses vara en halvledare, medan material med större bandgap är isolatorer. I en halvledare kallas det fyllda bandet under Fermi-nivån för valensbandet och det tomma bandet över Fermi-nivån för ledningsbandet.
Om tillräcklig energi tillförs en halvledare kan en elektron befordras från valensbandet till ledningsbandet; detta skapar också ett hål i valensbandet. Elektronen som främjas till ledningsbandet och/eller hålet som lämnas i valensbandet kan delokaliseras över hela kristallen, vilket resulterar i elektronisk ledningsförmåga. Storleken på ledningsförmågan bestäms i hög grad av den energi som tillförs halvledaren. Av denna anledning kommer ledningsförmågan hos en halvledare att öka med stigande temperatur.
Halvledarnas kemi
Halvledarens egenskaper bestäms av materialets grundämnessammansättning, dess struktur och förekomsten av eventuella föroreningar. Föroreningar, vanligen kallade dopämnen, tillför halvledaren extrinsiska egenskaper jämfört med de egenskaper som är inneboende i själva det rena materialet.
Intrinsiska halvledare. De fjorton grundämnena kol, kisel, germanium och tenn i grupp fjorton kan konstateras anta den kristallstruktur av diamanttyp som visas i figur 3a. Andra kristallina strukturer förekommer också; till exempel är grafit och diamant olika kristallstrukturer av samma grundämne, kol. På grund av sin storlek och sina orbitala energier bildar kolet mycket
starka bindningar, så det finns en stor energiskillnad mellan de bindande och antibindande banden i diamant. Detta resulterar i ett stort bandgap på 6,0 eV, vilket gör diamant till en isolator. Däremot är bindningarna mellan de tyngre grundämnena (kisel, germanium och tenn) inte lika starka, så bandgapet minskar nedåt i kolumnen i det periodiska systemet: kisel, 1,1 eV, germanium, 0,7 eV och grått tenn, 0,1 eV. Dessutom genomgår tenn vid temperaturer under 13 °C (55 °F) en kristallomläggning till strukturen vit tenn som inte har något bandgap eftersom det är metalliskt.
Sammansatta halvledare består av mer än ett grundämne och ger möjlighet att kemiskt ställa in storleken på bandgapet. Typiska sammansatta halvledare kombinerar element från grupp tretton och grupp femton i det periodiska systemet. Dessa sammansatta halvledare har också en kristallstruktur av diamanttyp, men med alternerande atomtyper i kristallnätverket (figur 3b). Genom att kombinera element med tre och fem valenceelektroner (t.ex. aluminium respektive fosfor) – i genomsnitt fyra elektroner per atom – erhålls ett material med liknande egenskaper som kisel med fyra valenceelektroner. Eftersom fosforens orbitaler har lägre energi och aluminiums orbitaler har högre energi än kisel observeras dock en större bandgap för den sammansatta halvledaren AlP (3,0 eV). Kombinationen av de tyngre grundämnena gallium och arsenik bildar galliumarsenid (GaAs) med en bandgap på 1,4 eV. En liknande kemi är möjlig genom att kombinera grundämnen i grupperna tolv och sexton, vilket till exempel ger halvledarna zinksulfid (ZnS) och kadmiumselenid (CdSe), med bandgap på 3,8 eV respektive 1,8 eV.
Dopanter i halvledare. Renheten för en halvledare av elektronisk kvalitet måste vara större än 99,999 procent. Genom att kontrollera mängden och typen av föroreningar kan man dock finjustera halvledarens egenskaper. Om man till exempel lägger till en fosforförorening (med fem valenselektroner) till kisel (med fyra valenselektroner), så läggs en extra elektron till för varje fosforatom som läggs till i kristallen. Fosforn är alltså en donator till kisel. De dopande fosforatomerna kommer att förskjuta kiselatomer i kristallen, men den övergripande kristallstrukturen förändras inte, inte heller bandstrukturen. Den extra elektronen måste dock gå in i konduktionsbandet, eftersom valensbandet redan var fullt. Detta ger en halvledare av n-typ. Omvänt ger dopning av kisel med aluminium en för få elektroner och lämnar ett hål i valensbandet för varje aluminiumatom som tillsätts. Aluminium är alltså en mottagare av kisel. Efter att ha förlorat elektroner har hålen en positiv laddning och bildar en halvledare av p-typ. Eftersom energiluckan mellan donatornivåerna och ledningsbandet (En) eller mellan acceptatornivåerna och valensbandet (Ep) är mycket liten, kommer dessa dopade halvledare att uppvisa en större ledningsförmåga och ett mycket mindre temperaturberoende än vad som observeras för en inneboende halvledare.
P-N-övergången. Fermi-nivån hos en halvledare av p-typ är lägre i energi än hos en halvledare av n-typ. När halvledare av p – och n -typ sammanfogas skapas en gemensam fermi-nivå genom kombinationen av hål och elektroner vid gränssnittet. Inga laddare finns i denna utarmningszon vid övergångsstället. När en positiv spänning läggs på p -typsidan av p-n-övergången och en negativ spänning på n -typsidan kan strömmen flöda eftersom den positiva spänningen skjuter hålen mot den
negativa katoden och den negativa spänningen skjuter de fria elektronerna mot den positiva anoden. Om man däremot kopplar batteriet i omvänd riktning kommer utarmningszonen att bli större, eftersom den negativa spänningen som är kopplad till p -sidan av förbindelsen kommer att dra fler hål mot den elektroden och den positiva spänningen som är kopplad till halvledaren av n -typ kommer att dra elektroner mot elektroden och bort från förbindelsen, vilket ger en större utarmningszon. Som ett resultat av detta finns det inga fria bärare och ingen ström kan flöda. På så sätt bildar denna p-n-övergång den enklaste fasta tillståndsapparaten, en s.k. diod.
Dioder. Dioder är i huvudsak envägsventiler för elektronisk ledningsförmåga. En sådan anordning är mycket viktig i en strömförsörjning som omvandlar växelström till likström, vilket är nödvändigt för många elektroniska apparater. Om en enskild diod ansluts till en elektrisk växelströmskrets blockeras antingen de positiva eller negativa spänningssvängningarna, vilket beskrivs som halv likriktning. Om man ansluter fyra dioder (enligt figur 6) får man en fullvågig likriktning som omvandlar växelström till likström. Om kondensatorer läggs till i denna krets kommer spänningssvängningarna att jämnas ut för verklig drift av enheten.
När elektrisk ström passerar genom en p-n-övergång kan elektroner som färdas genom ledningsbandet eller hål som färdas genom valensbandet rekombineras med hål respektive elektroner över bandgapet. Denna rekombination sker främst för elektroner som har drivits in i diodens p -typområde och för hål som har drivits in i diodens n -typområde av den externa spänningen. När elektroner och hål rekombineras över bandgapet frigörs energi, ofta som en foton med en energi som är lika stor som bandgapets. Halvledare med bandgap mellan 1,8 eV och 3,1 eV avger fotoner i synligt ljus (rött till violett). Dessa är kända som lysdioder. I själva verket avger alla dioder ljus, men de flesta har ett bandgap som är mindre än energin för en synlig foton.
Som ett resultat av detta avger de flesta dioder infraröda fotoner. Sådan infraröd emission används för signalering i många fjärrstyrningsanordningar.
Transistorer. Transistorer är fasta kopplings- och förstärkningsanordningar, och det var deras uppfinning 1947 som verkligen inledde elektronikrevolutionen i slutet av 1900-talet. En n-p-n bipolär transistor bildas genom att ansluta n -halvledare på vardera sidan av en tunn p -halvledare. Som visas i figur 7 fungerar transistorn som en omkopplare för den krets som är ansluten till 10 V strömförsörjning. Om en liten negativ spänning läggs på basen (kontakt B) avlägsnas hålen från p -halvledaren, vilket skapar en isolerande barriär. Detta är samma process som att försöka tvinga ström åt fel håll genom två p-n-övergångar. Som ett resultat av detta kommer ingen ström att flöda mellan någon av kontakterna. Om en liten positiv spänning läggs på baskontakten kommer dock en viss ström att flöda genom kontrollslingan (elektroner som går från emittern till basen). Eftersom den spänning som tillförs mellan emittern (kontakt E) och kollektorn (kontakt C) är mycket större än basspänningen, kommer en mycket större andel av elektronerna att korsa det tunna skiktet av p -typ, vilket ger den mycket större kollektorströmmen.
Som beskrivits ovan fungerar transistorn som en enkel on/off-anordning, beroende på tecknet på den spänning som tillförs mellan basen och emittern. Eftersom basströmmen är liten och kollektorströmmen är stor kan samma halvledarenhet också användas som signalförstärkare. Förhållandet mellan kollektorströmmen och basströmmen är i princip konstant för en viss anordning. Eftersom basströmmen är proportionell mot bas-emitterspänningen (spänningen mellan B och E) och kollektorströmmen är proportionell mot emitter-kollektorspänningen (spänningen mellan E och C), kommer en liten svängning i spänningen som matas in i BE-slingan från t.ex. en mikrofon att förstärkas till en stor svängning i spänningen i EC-slingan, som sedan kan anslutas till en högtalare.
Trots att varierande kombinationer av halvledare kan tillverkas till många olika halvledaranordningar är anordningens funktion starkt beroende av kemin hos de beståndsdelar som ingår i halvledarna. Bindningen mellan de element som ingår i halvledarna bestämmer den elektroniska bandstrukturen och storleken på bandgapet. Antalet valenceelektroner bestämmer hur dessa band fylls och därmed de elektroniska egenskaperna. Genom pågående forskningsinsatser fortsätter man att upptäcka nya halvledare med nya möjliga tillämpningar. Dessutom investeras omfattande insatser för att konstruera allt mindre enheter med målet att gå från fasta enheter (baserade på kristallina material) till enheter för enstaka molekyler.
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.; and Robinson, William R. (1993). Teaching General Chemistry: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.