Poluvodič (engl. semiconductor) je materijal koji ima električnu vodljivost u sredini između izolatora i vodiča. Poluvodič postaje izolator na vrlo niskim temperaturama, a na sobnoj temperaturi postaje električki vodljiv, iako je ta vodljivost znatno manja nego što je vodljivost vodiča. Najčešće korišteni poluvodički materijali su silicij, germanij, galijev arsenid i indijev fosfid.
Poluvodič možemo razlikovati od vodiča zbog činjenice da, na apsolutnoj nuli, najviši popunjeni energetski nivo elektrona kod poluvodiča je potpuno popunjen, dok je kod vodiča samo djelomično popunjen.
Razlika između poluvodiča i izolatora je malo više proizvoljna. Poluvodič ima energetski procjep koji je dovoljno mali tako da je vodljivi pojas na sobnoj temperaturi znatno termički popunjen elektronima, međutim izolator ima energetski procjep koji je preširok da bi broj termičkih elektrona u vodljivom pojasu na sobnoj temperaturi bio mjerljiv.
Rad poluvodiča
Kako bi bilo jasnije djelovanje poluvodiča razmotrit ćemo stakleni spremnik napunjen destiliranom vodom. Ako se par vodljivih elektroda uroni u vodu i ako se na njih spoji istosmjerni napon (niži od napona potrebnog za elektrolizu) neće poteći struja zbog toga što destilirana voda nema nosioca naboja. Stoga je destilirana voda izolator. Rastopimo li u vodi malu količinu kuhinjske soli počinje i teći struja, zbog toga što su oslobođeni pokretni nosioci (ioni). Povećavanjem koncentracije soli povećava se i vodljivost, ali ne značajno. Suhi kristali soli nisu vodljivi zbog toga što su pokretni nosioci naboja zarobljeni u kristalima.
Potpuno čist kristal silicija je izolator, ali kada je onečišćen npr. s arsenom (postupak se naziva dopiranje) ali neznatno onečišćen kako kristalna rešetka ne bi bila potpuno raskinuta, tada nečistoća predaje (donira) slobodne elektrone i omogućava provodljivost. To se događa zbog toga što atomi arsena imaju pet elektrona u svojoj vanjskoj ljusci dok ih atom silicija ima samo četiri. Provodljivost je moguća zato što su uvedeni slobodni nosioci naboja, u ovom slučaju je kreiran silicij n-tipa (n zbog negativno: Elektron ima negativni naboj)
Druga varijanta je da se silicij dopira s borom čime se stvara silicij p-tipa koji je isto vodljiv. Zbog toga što bor u vanjskoj ljusci ima samo tri elektrona nastaje nova vrsta nosioca naboja, zvana šupljina, koja se formira u kristalnoj rešetci silicija.
S druge strane, u vakuumskoj cijevi se nosioci naboja (elektroni) odašilju zbog termičke emisije iz katode zagrijavane žičanom niti. Stoga, vakuumske cijevi ne mogu proizvesti šupljine (pozitivne nosioce naboja).
Zamijetite da nosioci naboja istog polariteta odbijaju jedan drugog pa, i uz nepostojanje nikakve sile, su slučajno raspodijeljeni po poluvodičkom materijalu. Ipak, u nenapajanom bipolarnom tranzistoru (ili spojnoj diodi) nosioci naboja nastoje migrirati ka P-N spoju, zbog privlačne sile koju uzrokuju njihovi suprotni naboji s druge strane spoja.
Povećanjem nivoa dopiranja povećava se i provodljivost poluvodiča, pod uvjetom da kristalna rešetka uglavnom ostane neoštećena. Kod bilpolarnog tranzistora emiter je jače dopiran u odnosu na bazu. Omjer razine dopiranja emiter/baza je jedan od glavnih faktora koji određuju strujno pojačanje spojnog tranzistora.
Nivo dopiranja je ekstremno nizak: reda nekoliko dijelova na sto milijuna, i to je ključ djelovanja poluvodiča. U metalima je broj nosioca ekstremno visok: jedan nosioc naboja po atomu. Kod metala, kako bi se značajan dio volumena materijala pretvorio u izolator, nosioci naboja moraju biti izdvojeni iz metala korištenjem napona. Kod metala je ta vrijednost napona astronomska; više je nego dovoljna da uništi metal prije nego što ga pretvori u izolator. Ali kod slabo dopiranih poluvodiča postoji samo jedan slobodni nosioc naboja na nekoliko milijuna atoma. Naponski nivo potreban za izdvajanje svega nekoliko nosioca naboja iz promatranog volumena materijala se može jednostavno postići. S druge strane, elektricitet u metalima je nestlačiv, kao fluid, dok se kod poluvodiča ponaša kao stlačeni plin. Dopirani poluvodiči se mogu vrlo brzo pretvoriti u izolatore, dok se metali nikako ne mogu.
Prethodno je objašnjeno vođenje naboja kod poluvodiča pomoću nosioca naboja, bilo elektrona bilo šupljina, ali je bit djelovanja bipolarnog tranzistora da elektroni/šupljine naizgled stvaraju zabranjeni skok kroz osiromašeni sloj u reverzno polariziranom spoju baza/kolektor koji je kontroliran naponom baza/emiter. Iako se tranzistor nekome može činiti kao dvije spojene diode, bipolarni tranzistor se ne može jednostavno napraviti kao spoj dviju diskretnih vodljivih dioda spojenih zajedno. Za dobivanje djelovanja bipolarnog tranzistora potrebno je da se 'dvije diode' proizvedu na istom kristalu, i da fizički dijele zajedničko i ekstremno tanko područje baze.
Temelji fizike poluvodiča
Valentni pojasevi poluvodiča desno|mini|360px|Valentni pojasevi poluvodiča pokazuju potpuno popunjen valentni pojas i prazan vodljivi pojas. Fermijev nivo leži unutar zabranjenog pojasa.
U jeziku fizike poluvodiča, poluvodiči (i izolatori) se definiraju kao tijela kod kojih na apsolutnoj nuli (0 K), najgornji je pojas zauzet stanjima energija elektrona, pojas je poznat kao valentni pojas, i potpuno je pun. Pod uvjetima apsolutne nule, Fermijevu energiju, ili Fermijev nivo možemo zamisliti kao energiju do koje su zauzeta sva dozvoljena stanja elektrona.
Na sobnoj temperaturi, postoji određeno razmazivanje distribucije energija elektrona, vrlo mali, ali nezanemariv broj elektrona ima dovoljnu energiju da prijeđe zabranjeni pojas i uđe u vodljivi pojas. Elektroni koji imaju dovoljno energije da budu u vodljivom pojasu su oslobođeni kovalentne veze između susjednih atoma unutar tijela, i slobodno se mogu micati unutar tijela materijala, i isto tako provoditi naboj. Kovalentne veze iz kojih dolaze ti uzbuđeni elektroni sada imaju manjak eletrona, ili šupljina koje se isto tako mogu micati naokolo. (Šupljina se kao takva ustvari ne miče, ali se susjedni elektron može micati tako da popuni šupljinu, ostavljajući pritom slobodnu šupljinu na mjestu s kojeg se pomaknuo, i na taj se način stječe dojam da se šupljine miču.)
Važna razlika između vodiča i poluvodiča je da kod poluvodiča pomicanje naboja (struja) omogućeno pomicanjem i elektrona i šupljina. U suprotnosti s tim kod vodiča Fermijev nivo leži između vodljivog pojasa, pa je takav pojas samo do pola popunjen elektronima. U tom slučaju, elektronima je potrebna je samo mala količina energije da nađu drugo nezauzeto stanje u koje će se pomaknuti, ustvari za stvaranje toka struje.
Lakoća kojom elektroni u poluvodiču mogu biti premješteni iz valentnog u vodljivi pojas ovisi o razmaku između tih pojaseva, isto je tako veličina energije između vodljivog i valentnog pojasa ta koja služi kao proizvoljna granica koja odvaja poluvodiče od izolatora. Materijali koji imaju energiju zabranjenog pojasa (pojasa između valentnog i vodljivog pojasa) ispod približno 3 elektronvolt (eV) se uglavnom smatraju poluvodičima, dok se oni s većim energijama zabranjenog pojasa smatraju izolatorima.
Elektroni koji prenosnici naboja u vodljivom pojasu su poznati kao slobodni elektroni, iako se često jednostavno nazivaju elektroni ako kontekst dopušta takvu jasnu upotrebu. Šupljine u valentnom pojasu se ponašaju vrlo slično kao pozitivno nabijene kopije elektrona, i one se obično tretiraju kao stvarno nabijene čestice.
Parovi elektron-šupljine Ionizirajuće zračenje koje udara u poluvodič vrlo često izbacuje elektron iz njegovog energetskog nivoa i kao posljedicu ostavlja šupljinu. Takav proces je poznat kao stvaranje para elektron šupljine. Korisni pojam je eksciton koji opisuje elektron i šupljinu kao zajedno vezane u kvazičesticu. Detalji ovog specifičnog procesa kod kojeg se stvara par elektron-šupljina nije još dovoljno dobro poznat, ipak, poznato je da je prosječna energija potrebna za stvaranje para elektron-šupljina na zadanoj temperaturi ovisna o vrsti i energiji ionizirajućeg zračenja. Kod silicija, ta je energija jednaka 3.62 eV na sobnoj temperaturi i 3.72 eV na 80 K.
Dopiranje poluvodiča
Jedan od glavnih razloga zbog kojih su poluvodiči korisni u elektronici je taj da se njihova elektronička svojstva jako dobro mogu mijenjati u kontroliranom smjeru dodavanjem male količine nečistoća. Te se nečistoće nazivaju dopandi. Jako dopiranje poluvodiča može povećati njegovu vodljivost za faktor veći od bilijun. U modernim integriranim krugovima, na primjer, jako dopirani polikristal silicija se često koristi kao zamjena za metale.
Intrinsični i ekstrinsični poluvodiči
Intrinsični poluvodič je poluvodič koji je dovoljno čist da preostale nečistoće neznatno utječu na električna svojstva. U tom slučaju, svi nosioci su stvoreni termalnom ili optičkom uzbudom elektrona iz popunjenog valentnog pojasa u prazni vodljivi pojas. U intrinsičnom poluvodiču je prisutan jednak broj elektrona i šupljina. U električnom polju elektroni i šupljine teku u suprotnim smjerovima, premda oni doprinose struji u istom smjeru jer su suprotno nabijeni. Kod intrinsičnog poluvodiča struja šupljina i struja elektrona nisu nužno jednake, zbog toga što elektroni i šupljine imaju različite efektivne mase (u kristalima, analogija sa slobodnim inercijskim masama).
Koncentracija nosioca u intrinsičnom poluvodiču je jako ovisna o temperaturi. Na niskim temperaturama, valentni pojas je potpuno popunjen, čineći metarijal izolatorom. Povećanje temperature dovodi do povećanja broja nosioca što prati povećanje vodljivosti. Ovo se svojsto koristi kod termistora. Ovo je ponašanje u potpunoj suprotnosti u odnosu na većinu metala, koji imaju sve manju vodljivost na sve većim temperaturama sve do temperature raspršenja (na kojoj metal postaje plazma).
Ekstrinsični poluvodič je poluvodič koji je dopiran s nečistoćama kako bi se modificirao broj i tip prisutnih slobodnih nosioca naboja.
Poluvodič koji je dopiran vrlo velikim razinama nečistoća, pri čemu razina nečistoća predstavlja značajan dio poluvodičkih atoma, naziva se degeneracija. Degenerirani poluvodič se ponaša slično kao vodič, a ne više kao poluvodič.
Dopiranje n-poluvodiča
Svrha dopiranja n-poluvodič je da se stvori mnoštvo pokretnih elektrona ili elektrona nosioca u materijalu. Kao pomoć u razumijevanju kako se postiže dopiranje n-poluvodiča razmotrit ćemo na primjeru silicija (Si). Atom silicija ima četiri valenta elektrona, od kojih je svaki kovalentno vezan za jedan od četiri elektrona susjednog atoma silicija. Ako se u kristalnu rešetku umjesto atoma silicija ugradi atom s pet valentnih elektrona (grupa V u periodnom sustavu elemenata, npr. fosfor (P), arsen (As), or antimon (Sb)), tada će atom imati četiri kovalentne veze i jedan slobodni elektron. Taj jedan slobodni elektron je dosta slabo vezan za atom i lako se može pobuditi da prijeđe u vodljivi pojas. Na uobičajenim temperaturama, svi su takvi elektroni prividno pobuđeni u vodljivi pojas. Budući da pobuđivanje takvih slobodnih elektrona ne rezultira formiranjem šupljina, broj elektrona u takvom materijalu daleko premašuje broj šupljina. U ovom slučaju elektroni su većinski nosioci, a šupljine su manjinski nosioci. Zbog toga što peterovalentni atomi imaju dodatni elektroni za doniranje, oni se nazivaju atomi donori (donorski atomi). Primijetite da nijedan pokretni elektron unutar poluvodiča nikad nije daleko od nepokretnog pozitivno dopiranog iona, i n-dopirani materijal uglavnom ima neto vrijednost električnog naboja jednaku nuli.
Dopiranje p-tipa