halvledere – teoretisk bakgrunn

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.

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.

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.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.