halvledere

Halvledere. Modell av strukturen i germanium- og silisium-krystaller (diamantstruktur). Til venstre: Enhetscellen. Til høyre: Et utsnitt av enhetscellen som viser hvordan hvert atom inne i krystallen er omgitt av fire andre atomer (firetallig symmetri).

Av /Store norske leksikon ※.

Halvledere. Prinsippskisse av en transistor.

Av /Store norske leksikon ※.

Halvledere er en gruppe stoffer som leder elektrisk strøm dårligere enn metalliske ledere, som kobber, men bedre enn isolatorer, som glass.

Faktaboks

etymologi:

Navnet ble gitt til denne gruppen materialer i 1847 av den tyske fysikeren G. Karsten (1820–1900).

Bruk av halvledere danner grunnlaget for hele den moderne mikroelektronikken. Halvledermateriale inngår som en nødvendig bestanddel i komponenter som dioder og transistorer. I mikroelektronikk er det vanlig at svært mange, opptil flere millioner enkeltkomponenter lages i samme brikke av monokrystallinsk halvleder, vanligvis i silisium.

Materiale

De mest brukte halvledermaterialer i tekniske anvendelser er silisium og germanium, som begge tilhører gruppe 14 i grunnstoffenes periodesystem. Det benyttes også noen såkalte III–V-forbindelser, som er legeringer av grunnstoffer fra gruppe 13 og 15 (tidligere III. og V. hovedgruppe, derav navnet) og som har lignende egenskaper som grunnstoffene i gruppe 14. Den vanligste av disse er galliumarsenid, GaAs.

Prinsipp

Et grunnstoff i gruppe 14 har fire valenselektroner, dvs. fire elektroner i det ytterste elektronskallet (se atom, grunnstoffenes periodesystem). I en krystall av et slikt materiale er atomene ordnet i en regelmessig gitterstruktur. Når temperaturen er ved det absolutte nullpunkt, vil valenselektronene være bundet til hvert sitt atom, og materialet leder ikke strøm. Dersom temperaturen økes, vil noen av valenselektronene få så høy energi at de frigjøres fra det atomet de er bundet til, og de kan dermed bevege seg fritt i gitterstrukturen. Det frie elektronet er en negativ ladningsbærer som kan transportere strøm.

Den energien som et bundet elektron må tilføres for å frigjøres fra atomet, er en karakteristisk egenskap ved materialet, og er av avgjørende betydning for dets egenskaper. De atomene som har mistet et elektron, vil ha en netto positiv ladning. Denne positive ladningen betegnes gjerne hull. Et valenselektron fra et naboatom kan imidlertid, uten at det tilføres energi, bevege seg og erstatte det manglende elektronet. Effekten av dette blir at det positive hullet beveger seg. Hullene opptrer derfor som positive ladningsbærere som kan transportere strøm. Antallet slike elektron–hull-par er sterkt temperaturavhengig, og øker med temperaturen.

Halvledere. a) Plant skjema over atomene i en silisiumkrystall. De fire valenselektronene til hvert atom er tegnet som svarte prikker i en stiplet sirkel, de øvrige elektronene og kjernen tenkes samlet i den blå sirkelen i midten. b) Silisiumkrystallen ved høyere temperatur. Et elektron har forlatt sin plass så det er oppstått et såkalt hull, men dette fylles snart av et elektron som kommer fra et annet sted. c) Silisiumkrystall tilført litt av grunnstoffet arsen. Arsenatomet har fem valenselektroner, men bare fire inngår i krystallgitteret. Det femte elektronet er her så løst bundet til sitt atom at selv små elektriske spenninger kan flytte på det. Krystallen er en n-type-halvleder. d) Silisiumkrystall tilført litt av grunnstoffet bor. Boratomet har bare tre valenselektroner og dermed ett for lite til gitterbindinger. Rundt hvert boratom blir det altså et positivt hull. Legger vi en elektrisk spenning over krystallen, med positiv pol på venstre side, vil et elektron i naboatomet til høyre «hoppe» ned i hullet, men samtidig blir det et nytt hull der elektronet var. Slik fortsetter det gjennom hele krystallen. Hullene flytter seg i strømmens retning som om de skulle være positive ladninger. Denne krystallen er en p-type-halvleder.

Av /Store norske leksikon ※.

Generelle egenskaper

Konduktansen (ledningsevnen) til en halvleder er gitt av tettheten av ladningsbærere og vil derfor øke med temperaturen. Rene halvledere (ikke tilsatt tilsetningsstoffer) betegnes ofte i-type-halvledere (av eng. intrinsic). En i-type-halvleder vil ved normale temperaturer lede svært dårlig i forhold til metaller.

Også belysning kan påvirke en halvleders konduktans. Når et lyskvant, foton, treffer et valenselektron slik at fotonets energi absorberes, får elektronet nok energi til å frigjøres fra atomet det er bundet til. Derved skapes et elektron–hull-par. Dette elektron-hull-paret vil etter en tid rekombinere, men dersom halvlederen belyses kontinuerlig, vil det gjennomsnittlig være en høyere konsentrasjon av ladningsbærere enn temperaturen tilsier; konsentrasjonen og dermed konduktansen øker med belysningens intensitet.

Halvlederens egenskaper kan forandres ved at man tilsetter små mengder fremmedatomer. Denne prosessen kalles doping. Det er grunnstoffer fra gruppe 13 og 15 i grunnstoffenes periodesystem som anvendes som dopingstoffer. Disse fremmedatomene erstatter noen av de opprinnelige atomene i gitterpunktene. Det er små mengder tilsetninger det er tale om; antallet fremmedatomer er av størrelsesorden et fremmedatom per 100 millioner «normale» atomer.

Typer

Grunnstoffer i gruppe 5 har fem valenselektroner. Når et slikt atom finnes i et gitterpunkt, skal det kun en liten energi til for å frigjøre et av elektronene. Ved vanlige temperaturer vil derfor de fleste fremmedatomene ha gitt fra seg et elektron, og vi har frie negative ladningsbærere. Disse tilsetningsstoffene kalles donorer, og en halvleder dopet med donorer kalles n-type-halvleder.

Grunnstoffer i gruppe 3 har tre valenselektroner. Når et slikt atom finnes i et gitterpunkt, skal elektronene i de omliggende «normale» atomer tilføres kun en liten energi for at de skal frigjøres fra sitt atom og innta posisjon som det fjerde valenselektronet til fremmedatomet. Det oppstår således et hull. Ved vanlige temperaturer vil derfor de fleste fremmedatomer ha laget et hull, og vi har frie positive ladningsbærere. Disse tilsetningsstoffene kalles akseptorer, og en halvleder dopet med akseptorer kalles p-type-halvleder.

Egenskaper

Både p-type- og n-type-halvledere er elektrisk nøytrale. I en p-type-halvleder er det positive, frie ladningsbærere, men det er like mange bundne elektroner, slik at det ikke er noen netto positiv ladning. Tilsvarende er det i n-type-halvledere.

Konduktansen i en dopet halvleder er mye bedre enn i en udopet i-type-halvleder, og ligger nærmere konduktansen i metalliske ledere enn i isolatorer. I de fleste tekniske anvendelsene benyttes dopede halvledere.

Halvledere som benyttes til produksjon av elektroniske komponenter, er vanligvis monokrystaller med ekstrem renhet. Kun i enkelte få unntak brukes polykrystallinske halvledere.

Bruk

Anvendelser basert på pn-overgang

En diode består av en halvleder som er dels p-type, dels n-type. Grensesjiktet mellom de to halvledertypene kalles pn-overgang. Dersom halvlederen tilkobles en ytre krets med en spenningskilde slik at siden med p-type blir positiv i forhold til siden med n-type, vil positive hull fra p-siden trekkes mot den mer negative n-siden. Hullene vil vandre inn i den negative n-siden, hvor de vil rekombinere med elektroner (hullene fylles av elektroner). Likeledes vil elektroner fra n-siden trekkes mot den mer positive p-siden og vandre inn i denne, hvor de rekombinerer med hull (elektronene fyller huller). Effekten av dette blir at halvlederen leder strøm. Dersom spenningen snus slik at siden med p-type blir negativ i forhold til siden med n-type, vil de positive hullene trekkes vekk fra den nå positive n-siden. Tilsvarende vil de negative elektronene i n-siden trekkes vekk fra den negative n-siden.

Et lite område omkring pn-overgangen blir fritt for ladningsbærere. Dette området kalles deplesjonssjiktet. Effekten blir at halvlederen ikke leder strøm. En slik halvleder med en pn-overgang leder derfor strøm kun i én retning, og kalles derfor diode.

En bipolar transistor er en dopet halvleder som er delt av et meget tynt sjikt med motsatt dopingtype. Den består dermed av tre soner atskilt av to pn-overganger. Etter dopingtypen kalles den en npn-transistor eller pnp-transistor. De tre sonene kalles henholdsvis emitter, base og kollektor. I en npn-transistor vil således emitter og kollektor være n-type, mens basen som atskiller de to, er p-type. Dersom man tilkobler en ytre krets med en spenningskilde mellom kollektor og emitter slik at kollektor blir positiv i forhold til emitter, vil pn-overgangen mellom base–emitter bli forspent i lederetningen, mens pn-overgangen mellom base–kollektor blir forspent i sperreretningen. Det vil ikke gå strøm gjennom kretsen fordi den ene pn-overgangen sperrer. Kobles det i tillegg en ytre strømkrets med en spenningskilde mellom base og emitter, og spenningen reguleres slik at basen blir positiv i forhold til emitter, vil det gå en strøm gjennom pn-overgangen mellom base–emitter fordi denne er forspent i lederetningen. Elektroner strømmer inn i basesjiktet, som er av p-type.

Når frie elektroner strømmer inn i en p-type-halvleder, vil de normalt rekombinere og dermed forsvinne (bli bundet). Fordi basesjiktet er ekstremt tynt, mindre enn 0,001 mm, og kollektoren er positiv i forhold til basen slik at elektronene tiltrekkes av denne, vil imidlertid de aller fleste elektronene strømme tvers gjennom basesjiktet og inn i kollektoren før de rekker å rekombinere. Det vil derfor gå en strøm gjennom den ytre kretsen som er koblet mellom kollektoren og emitteren, og denne strømmen kan være mye større en strømmen i kretsen som er tilkoblet basen. Forholdet mellom disse strømmene kalles transistorens strømforsterkning. Man kan således ved å styre størrelsen av strømmen gjennom basen, regulere størrelsen av en mye større strøm gjennom kollektoren. Transistoren kan derfor brukes som forsterkerelement, eller som elektrisk styrt strømbryter, svitsj. Denne typen transistor kalles bipolar transistor, fordi strømmen går gjennom både n- og p-type-halvledere. (Se også transistor.)

Anvendelser basert på optiske effekter

Resistansen i en udopet i-type-halvleder påvirkes av belysning. Dette kan benyttes til å lage lysavhengige motstander, ofte kalt LDR-motstander (av eng. Light Dependent Resistor). Disse brukes til lysmåling og er oftest laget av en polykrystallinsk halvleder. De er imidlertid relativt langsomme, dvs. at dersom belysningen brått fjernes, vil det gå noen millisekunder (tusendels sekunder) før resistansen (motstanden) øker. Til lysmåling, f.eks. i forbindelse med fotografering, spiller denne forsinkelsen ingen rolle.

Dersom pn-overgangen i en diode belyses, vil dioden lede i sperreretning, se fotodiode. En fotodiode er mye raskere enn en LDR-motstand, forsinkelsen kan være mindre enn et mikrosekund (milliontedels sekund). Fotodioder brukes som lysdetektorer, og kalles da ofte fotoceller. Et stort anvendelsesområde er som mottagere ved overføring av data ved hjelp av lys. (Se optisk fiber.)

Detektorer for α-, β- og γ-stråler virker på tilsvarende måte som en fotodiode; energien i strålingen genererer elektron–hull-par som leder i sperreretningen. Energien i enkeltpartikler (heliumkjerne, elektron, foton) i denne type stråling er så stor at hver partikkel vil gi et stort antall elektron–hull-par, slik at en strømpuls opptrer når en partikkel detekteres. Ved å måle størrelsen av denne strømpulsen, kan man bestemme energien i partikkelen.

Når en diode leder, vil elektroner vandre inn i p-type-delen hvor de rekombinerer, mens hull tilsvarende vandrer inn i n-type-delen hvor de rekombinerer. Under rekombinasjonen vil det frigjøres en viss energimengde. Den frigjorte energien vil alltid sendes ut som et lyskvant, et foton. Frekvensen og dermed fargen på dette fotonet er avhengig av energien, som er karakteristisk for halvledertypen. Det er III–V-forbindelser som benyttes, vanligvis GaAlAs (gallium-aluminium-arsenid) eller GaAsP (gallium-arsen-fosfid). Ved å variere mengdeforholdet mellom de forskjellige stoffene kan man få forskjellig farge på det utsendte lyset, f.eks. rødt, oransje, gult eller grønt. Dioden utformes slik at lyset kan slippe ut. En slik diode kalles en LED (lys-emitterende diode) og anvendes i indikatorlamper og paneler. De brukes også som sendere ved overføring av data ved hjelp av lys.

Anvendelser basert på termiske effekter

Resistansen i en udopet i-type-halvleder varierer med temperaturen. Dette kan benyttes til temperaturmåling. Slike temperaturfølere kalles termistorer og lages ofte av polykrystallinsk silisium.

Dersom to ledere i forskjellig materiale kobles sammen i begge ender slik at de utgjør en sløyfe med to skjøtepunkter, og det drives en strøm gjennom sløyfen, vil det ene skjøtepunktet avkjøles mens det andre oppvarmes. Denne effekten kalles peltiereffekt, og er meget fremtredende når de to stoffene er henholdsvis p- og n-type-halvleder. Siden strømmen må kunne gå rundt sløyfen, og derfor må gå både fra n-type til p-type og motsatt, kan ikke de to halvledertypene uten videre kobles sammen. Årsaken er at vi da får to pn-overganger, hvorav den ene vil sperre for strømmen. Dette kan vi unngå ved å plassere et lite stykke metall mellom de to halvledertypene. Under forutsetning av at samme metall, f.eks. kobber, er brukt i begge skjøtepunktene, vil dette ikke ødelegge effekten. Denne løsningen kan benyttes til kjøling, eller oppvarming (varmepumpe), ved at varmeeffekt kan flyttes fra et kaldere til et varmere sted.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg