Полуспроводник

Полуспроводници — кристални тела кај кои степенот на спроводливоста на електричната струја се наоѓа помеѓу металите и изолаторите.

Носители на електричеството низ полуспроводниците во електричното поле се празнините кои се движат во насока на електричното поле и електроните кои се движат во насока спротивна на насоката на електричното поле.

Има 2 вида полуспроводници: Н-тип (негативен), полуспроводник кој се добива кога силициум се допингува со атоми со повисок број на валентни електрони од силициум, како на пример петвалентен фосфор.

П-тип (позитивен), полуспроводник кој се добива кога силициум се допингува со атоми со помал број валентни електрони од силициум, како на пример тривалентен бор.

Вовед Спроводливоста на материјата е мерка за можноста низ неа да тече електрична струја ако врз неа се дејствува со електрично поле. Електричната струја настанува како резултат на насочено движење на наелектризирани честички. Спроводливоста на материјата зависи од повеќе услови – природата на материјата, температура, осветленост, допингување со хемиски нечистотии, механички деформации на материјалот и др. кои можат да доведат до зголемување или намалување на спроводливоста на самата материја.

Полуспроводници се материјали чиј степен на спроводливост на електричната струја се наоѓа помеѓу металите и изолаторите. Носители на електричеството низ полуспроводниците во електричното поле се празнините кои се движат во насока на електричното поле и електроните кои се движат во насока спротивна на насоката на електричното поле. Во практиката идеално хемиски чисти полуспроводници не постојат. Постоењето и на најмали примеси од други елементи во структурата на полуспроводниците, многу ја менува нивната спроводливост. Зголемувањето на спроводливоста на полуспроводниците под дејство на примесите, се должи на зголемување на бројот на слободни електрони, или на зголемување на бројот на шуплини. Бидејќи спроводливоста на полуспроводниците може да се менува со контролирано додавање на примеси или со дејствување на електрично поле или светлина, тие се многу корисни уреди за засилување на сигнали и претворање на енергија. Исто така, денес се и основна градбена единка на компјутерскиот хардвер, сообраќајните показатели, големите телевизиски екрани, сетилници, радиоприемници, радиопредаватели, итн. За да се објаснат својствата на полуспроводниците се осврнуваме кон теоријата на квантната физика со помош на која се прикажува движењето на електроните низ кристалната решетка на атомот.

Кристална структура на полуспроводниците Кога атомите ќе се приближат на блиско растојание, тие се поврзуваат и формираат стабилно цврсто тело, со врски помеѓу соседните атоми. Кај полуспроводникот, тенденцијата на секој атом да формира пополнета надворешна електронска лушпа е задоволена со помош на ковалентна врска. Соседните атоми ги делат електроните како заеднички и се сместени најмногу во зоната помеѓу атомите. Ова ковалентно поврзување може да се изведе квантитативно со помош на квантната механика, со решавање на Шредингеровата равенка. Се добиваат високи вредности за |ψ|2¬ на средината помеѓу јадрата, што значи дека постои голема веројатност поврзувачките електрони да се наоѓаат таму. Елементите кои се основни полуспроводнички материјали формираат ковалентни врски. Овие ковалентни кристали се одликуваат со сјај и тврдина затоа што соседните атоми мора да го задржат правилниот просторен распоред, бидејќи врските се строго насочени по линијата што ги поврзува атомите, како и заради големата јачина на парното електронско поврзување. Најважни елементарни полуспроводници се во IV група на периодниот систем: јаглерод C6 (2p2), силициум Si14 (3p2), германиум Ge32 (4p2) и калај Sn50 (5p2). Елементите во соседните колони B, P, As, Sb, S, Se, Te, I, исто, повеќе или помалку, имаат некои полуспроводнички особини.

Ако се гледаат елементите од IV група, заедничко им е што имаат 4 електрони во надворешната електронска лушпа (s + p) и имаат 4 празни места (бидејќи можно е пополнување до p6), па овие елементи се четиривалентни и се очекува да имаат слични механизми на поврзување и хемиски особини.

Заради тенденцијата на атомите да ја пополнат надворешната електронска лушпа овие елементи кристализираат во т.н. дијамантска структура. Секој атом се поврзува со 4 соседни атоми делејќи ги со нив валентните електрони. Тридимензионално оваа структура изгледа како на слика 1.

Друга важна група полуспроводници се соединенијата формирани од III и IV група елементи во периодниот систем. Најпознати се: GaAs, InSb. Со оглед на тоа што едниот елемент има три празни места, а другиот има пет празни места во валентната лушпа, карактерот на врските е ковалентен, со кристална структура слична на дијамантската, со алтернативни атоми од III, односно IV група. Иако подготовката на овие соединенија за производство на единствен кристал со доволно добар квалитет е потешка отколку кај елементарните полуспроводници, тие имаат дополнителни технички предности.

Општи особини на полуспроводниците Главна особина на полуспроводниците претставува наглата промена на бројот на носители, а со тоа и на електричните особини под влијание на надворешни дејства: -промена на температурата, -осветленоста, -електрично и магнетното поле, -внесувањето примеси.

Во зависност од наведените фактори, бројот на носители во полуспроводниците може да се менува повеќе милиони пати. При ниски температури, кои се приближни до апсолутна нула, не доаѓа до премин на електроните од пополнета во слободната зона, бидејќи енергијата на електронот од пополнетата зона не е доволна да ја совлада забранетата зона. Тогаш полуспроводникот се однесува како одличен диелектрик, односно изолатор. При собна температура, енергијата на еден дел од електроните во пополнетата зона е доволна да ја совлада забранетата зона и електроните да преминат во слободната зона (валентната). Со зголемување на температурата на полуспроводникот, енергијата на електронот се зголемува и се зголемува бројот на електрони кои можат да преминат од забранетата во слободната зона, т.е. се зголемува бројот на носители.

Процеси и проведување во полуспроводниците Во отсуство на топлинска возбуда или надворешна стимулација валентната зона е пополнета, а спроводната е празна, односно, ако кристалот е доволно ладен, заштитен од светлина и друго, валентните електрони се вклучени во ковалентните врски и нема слободни електрони во кристалот кој би можеле да се движат. За да се случи проведување мора валентните електрони да преминат во повисоки енергии, но на ниски температури нема расположливи празни енергетски нивоа во валентната зона, а енергетските нивоа во спроводната зона можат да се достигнат само ако електроните добијат енергија поголема од Еg. Јасно е дека ковалентните врски можат да бидат раскинати ако се доведе доволно енергија. Поврзувањето помеѓу кристалното прикажување и зонското е тоа да минимумот енергија за да се раскине една ковалентна врска е токму Еg. Ковалентните врски можат да се раскинат на различни начини со додавање на надворешна енергија. Ослободениот електрон може да се движи низ материјалот под дејство на применетите полиња, сè додека не наиде на друга раскината врска каде ќе биде зафатен за да ја комплетира, односно се рекомбинира и повеќе да не учествува во процесот на проведување. Така, со зголемување на температурата на полуспроводникот од 0 К нагоре, неговите особини се менуваат од изолатор до спроводник. Кога една ковалентна врска се раскинува испуштајќи еден електрон се појавува вкупен позитивен полнеж поврзан со ковалентна врска, заради отсуството на електронот. Ова би била кристалографска манифестација на празнините, кои беа дискутирани претходно. Ако се примени електрично поле, постои можност еден од електроните од соседните ковалентни врски да се придвижи да ја пополни празнината. Овој процес се повторува така што движењето на електроните предизвикува движење на празнините во правец на електричното поле. Така, празнините се движат како фиктивни позитивни честички. Овој концепт на празнини е погоден заради тоа што е поедноставено да се третира движењето на позитивно наелектризирани честички отколку движењето на врзаните електрони кои се движат по празнините.

Безпримесни полуспроводници Безпримесни (чисти, интринсични) полуспроводници не се идеално чисти полуспроводници, но се така наречени бидејќи степенот на присуство на нечистотии приближно нема никакво влијание врз електричното однесување на полуспроводникот. Пример за такви полуспроводници се они составени од атоми само на силициум или само на германиум. Силициумот (Si) е четиривалентен атом кој образува ковалентни врски со соседните атоми на силициум и генерира регуларна структура која ја нарекуваме кристал. Валентните електрони се во надворешниот електронски слој и тие го одредуваат типот на хемиска врска која ќе се образува (ковалентна, водородна, јонска, метална, Вандервалсова). При температура од 0 К, сите електрони се наоѓаат во валентната врска и се дел од ковалентни врски, за разлика од спроводната зона каде нема електрони. Од друга страна, на повисоки температури (пр. температура од 300 К), доаѓа до возбудување на електроните од валентната зона, нивен премин на повисоки енергетски нивоа при што овие електрони ја достигнуваат спроводната зона и обезбедуваат можност за спроведување на електрична струја. Притоа, бројот на електрони во спроводната зона е еднаков со бројот на празнини (шуплини) кои остануваат во валентната зона. За разлика од изолаторите, кај полуспроводникот постои конечна веројатност дека на било која температура над 0 К, електрон од валентната зона ќе премине во спроводната зона оставајќи едно празно место во валентната зона.

Примесни полуспроводници Примеси (допанти) се атоми од друг материјал кои во мал процент се додаваат во кристалната решетка на полуспроводникот, со цел да се промени неговата спроводливост и типот на носители кои се одговорни за таа спроводливост. Најважните примеси кои се додаваат во полуспроводниците (Si, Ge) се елементите од III-та и IV-та група елементи од периодниот систем. Додавањето на контролирана количина на овие примеси се вика допингување (допирање).

Екстринсичен полуспроводник се добива со допингување, односно со внесување на многу мало количество туѓи атоми во еден интринсичен полуспроводник (идеално чист полуспроводник е една идеализација - и најчистиот полуспроводник сепак содржи извесно количество туѓи атоми - таков полуспроводник наречен е уште и интринсичен полуспроводник или безпримесен полуспроводник. Таквиот полуспроводник има релативно висок специфичен отпор и главно се користи како појдовен материјал за изработка на т.н. екстринсични (допирани, примесни) полуспроводници). Обично се додаваат малку примеси: 1 дел на 1010, до 1 дел на 103. Примесните полуспроводници се класифицирани во две групи според типот носители кој е доминантен: Н–тип и П–тип.

Н–тип Ако на сопствениот полуспроводник му се додаде контролирано количество на примес од V група (P,As,Sb) материјалот се збогатува со спроводни електрони и тој се нарекува полуспроводник од Н–тип. Овие примеси имаат петвалентни електрони. Петтиот (несврзан) електрон дарител (на примесот од Н-тип), не може да оствари ковалентна врска со атом домаќин, па се наоѓа на доста повисоко енергетско ниво одошто четирите останати електрони. Затоа тој може лесно да го напушти дарителот, градејќи со тоа позитивен јон. Енергетски се наоѓа под спроводната зона и може многу полесно од електронот од валентната зона да помине во спроводната зона оставајќи позитивно јонизиран дарител.

Ако туѓите атоми имаат поголем број валентни електрони отколку атомите домаќини (4 електрони кај Si и Ge) се работи за екстринсичен полуспроводник од тип n, бидејќи сега мнозински носители на товар ќе бидат електроните.