Półprzewodniki

Półprzewodniki
Co to jest półprzewodnik i jakie materiały są półprzewodnikami ?
Półprzewodniki są to substancje zachowujące się w pewnych warunkach tak jak dielektryk, czyli
przedmiot nie przewodzący prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, a w
pewnym zakresie półprzewodnik staje się przewodnikiem, czyli posiada małą oporność i wolne
elektrony, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego. Istota przewodnictwa elektrycznego w
półprzewodnikach polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola
elektrycznego. Ważną cechą półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia zależy od
wielu czynników, w tym głównie od zawartości domieszek i temperatury. Typowymi materiałami na
półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, lub antymonek galu które w czystej postaci nie
przewodzą prądu. Wszystkie półmetale są półprzewodnikami.
PÓŁPRZEWODNIK TYPU N uzyskuje się przez dodanie - w procesie wzrostu kryształu krzemu
- domieszki pierwiastka pięciowartościowego (np. antymon, fosfor). Niektóre atomy krzemu
zostaną zastąpione w sieci krystalicznej atomami domieszki, zwanymi donorami
Każdy atom domieszki ma pięć elektronów walencyjnych, z których cztery są związane z
sąsiednimi atomami krzemu. A piąty elektron jest wolny i może być łatwo oderwany od atomu
domieszki - jonizując dodatnio. Elektron wówczas przechodzi do pasma przewodnictwa
półprzewodnika. Atomy domieszki w modelu pasmowym półprzewodnika znajdują się na tzw.
poziomie donorowym, który występuje w pobliżu dna pasma przewodnictwa półprzewodnika
W temperaturze pokojowej prawie wszystkie atomy domieszkowe zostały zjonizowane. Oznacza to,
że na poziomach donorowych nie ma już elektronów, gdyż wszystkie przeszły do pasma
przewodnictwa. Liczba elektronów w paśmie przewodnictwa jest znacznie większa niż dziur w
paśmie podstawowym. Dlatego też te pierwsze noszą nazwę nośników większościowych, a te
drugie nośników mniejszościowych.
PÓŁPRZEWODNIK TYPU P uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami
pierwiastków trójwartościowych (np. glinu, galu).
Na rysunku poniżej przedstawiono model sieci krystalicznej krzemu z domieszką atomów indu.
Atom tej domieszki ma trzy elektrony walencyjne, związane z sąsiednimi atomami krzemu. Do
wypełnienia czwartego wiązania sąsiadującego krzemu, brakuje w sieci krystalicznej jednego
elektronu i zostaje on uzupełniony przez pobranie elektronu z jednego z sąsiednich wiązań, w
którym powstaje dziura. Atom pierwiastka trójwartościowego, zwanego akceptorem, po
uzupełnieniu elektronu w "nieprawidłowym" wiązaniu (na skutek niedostatku ładunków dodatnich
w jądrze) staje się jonem ujemnym, wywołując lokalną polaryzację kryształu.
Elektron ten przechodzi z pasma podstawowego półprzewodnika na poziom akceptorowy, jonizując
tym samym ujemnie atom domieszki. Poziom akceptorowy znajduje się w pobliżu wierzchołka
pasma podstawowego półprzewodnika
W temperaturze pokojowej wszystkie poziomy akceptorowe są zapełnione elektronami, które
przeszły z pasma podstawowego. Na skutek tego liczba dziur w paśmie podstawowym jest
wielokrotnie większa niż elektronów w paśmie przewodnictwa. W półprzewodniku typu p dziury w
paśmie podstawowym są nośnikami większościowymi, a elektrony w paśmie przewodnictwa nośnikami mniejszościowymi.
W każdym półprzewodniku (niezależnie od koncentracji domieszek) w stanie równowagi
termicznej jest spełniony warunek neutralności, tzn. w każdym punkcie półprzewodnika
wypadkowy ładunek elektryczny jest równy zeru. Wszelkie zaburzenia warunku neutralności
powodują powstanie pola elektrycznego, które przywraca stan równowagi elektrycznej.
Ustalenie się koncentracji nośników na odpowiednim poziomie zachodzi w wyniku rekombinacji,
który równoważy też generację termiczną nośników
Wytwarzanie monokryształów
Metoda Czochralskiego
Metoda Czochralskiego polega na powolnym wyciąganiu
zarodka z tygla z roztopionym półprzewodnikiem.
Tygiel ogrzewany jest piecem indukcyjnym.
Do stopu można dodać domieszki, otrzymując
półprzewodnik odpowiedniego typu.
Wykorzystanie
Jedne z najważniejszych elementów elektronicznych, bez których nie byłby możliwy rozwój
informatyki i innych współczesnych technologii, to dioda półprzewodnikowa oraz złącze p-n.
Złącze p-n jest to układ dwóch niesamoistnych półprzewodników o różnym przewodnictwie (p i n).
W półprzewodniku n dominuję nośniki większościowe (elektrony) i donory, a w obszarze p - dziury
dodatnie i atomy domieszkowe, tzw. akceptory. Gęstość nośników mniejszościowych jest większa
niż mniejszościowych. W warunkach równowagi w obszarze styku półprzewodników obu typów
nośniki swobodne dyfundują od obszarów przeciwnych na skutek różnicy w ich koncentracji.
Elektrony przedostają się do obszarów p, a dziury - do n. Następuje wychwyt i rekombinacja z
nośnikami większościowymi, które nie dyfundowały na druga stronę łącza: elektron łączy się z
dodatnim ładunkiem dziury, co pociąga za sobą zneutralizowanie i związanie tych nośników.
Powstaje warstwa zaporowa: nieruchome ładunki dodatnie w obszarze n skutecznie blokują
przepływ dziur z obszaru p, i na odwrót. Przepływ nośników i prądu ustaje.
Typy półprzewodników
Półprzewodniki podzielić można dwojako. Jeden z podziałów, uwzględniający budowę wewnętrzną
i skład, klasyfikuje materiały półprzewodnikowe jako samoistne (pierwiastek lub związek, np.
krzem Si, german G) i domieszkowe. Domieszkowanie polega na wprowadzeniu w sieć
krystaliczną czystego półprzewodnika atomów pierwiastka pięciowartościowego (arsen As, fosfor
P.) wówczas taki atom domieszkowy wykorzysta cztery wiązania walencyjne atomów
sąsiadujących, pozostawiając jeden tylko wolny elektron, który następnie może odłączyć się od
atomu i stać się elektronem swobodnym, przewodzącym elektryczność. Może także przyłączyć się
do wolnych elektronów już istniejących w samoistnym przewodniku. Takie elektrony obsadzają
część wolnych wiązań atomowych substancji i w rezultacie koncentracja tych wolnych wiązań dziur - maleje. Atomy domieszkowe takiego półprzewodnika nazywa się donorami, a sam
wzbogacony o nie materiał - półprzewodnikiem domieszkowym typu n.
Inny podział, czyli klasyfikacja półprzewodników na typ n i p, związany jest właśnie z koncentracją
wolnych elektronów lub dziur. Typ n to tzw. przewodniki negatywne lub nadmiarowe i
charakteryzują się one dużą ilością przewodzących, swobodnych elektronów. Są wywarzane
poprzez domieszkowanie do krzemu niewielkich ilości pierwiastków pięciowartościowych. Typ p to
półprzewodniki niedomiarowe, pozytywne, wykazujące koncentrację ładunków dodatnich - dziur.
Powstają przykładowo przez dodanie do krzemu pewnego pierwiastka trójwartościowego, tak
zwanego akceptora, którym może być aluminium (Al) lub bor (B).
Wykonał:
Kamil Gręźlikowski
kl. 1H