Polprevodniki: definicija, lastnosti in uporaba (silicij, tranzistorji)

Polprevodniki: jasna definicija, ključne lastnosti in uporaba silicija ter tranzistorjev — od osnov delovanja do praktičnih aplikacij v elektroniki in računalništvu.

Polprevodnik je material, ki v nekaterih primerih prevaja elektriko, v drugih pa ne. Dobri električni prevodniki, kot sta baker ali srebro, zlahka prepuščajo električni tok. Materiali, ki preprečujejo pretok elektrike, kot sta guma ali plastika, se imenujejo izolatorji. Izolatorji se pogosto uporabljajo za zaščito ljudi pred električnim udarom. Kot pove že ime, polprevodnik ne prevaja tako dobro kot prevodnik. Najpogosteje uporabljen polprevodnik je silicij, uporablja pa se tudi galijev arzenid.

Z dodajanjem različnih atomov v kristalno mrežo (mrežo) polprevodnika se spremeni njegova prevodnost, tako da nastane polprevodnik n-tipa in polprevodnik p-tipa. Silicij je najpomembnejši komercialni polprevodnik, čeprav se uporabljajo tudi številni drugi. Iz njih je mogoče izdelati tranzistorje, ki so majhni ojačevalniki. Tranzistorji se uporabljajo v računalnikih, mobilnih telefonih, digitalnih avdio predvajalnikih in številnih drugih elektronskih napravah.

Tako kot v drugih trdnih snoveh imajo lahko elektroni v polprevodnikih energije le v določenih pasovih (tj. območjih energijskih nivojev) med energijo osnovnega stanja, ki ustreza elektronom, tesno vezanim na atomska jedra snovi, in energijo prostega elektrona, ki je energija, potrebna, da elektron v celoti uide iz snovi.

Elektronski pasovi in prepovedana vrzel

V polprevodnikih so pomembni predvsem valenčni pas (zaseden z elektroni, vezanimi na atome) in vodilni pas (kjer so elektroni prosti za prevajanje toka). Razdalja med tema pasovoma se imenuje prepovedana vrzel (band gap). V siliciju je ta vrzel pri sobni temperaturi približno 1,12 eV, pri galijevem arzenidu pa približno 1,42 eV in je ta material neposrednega prepovedanega pasu, zato je primeren za optoelektronske naprave, kot so LED in laserski diodi.

Dopiranje: n-tip in p-tip

Čista (intrinzična) polprevodnika imata le malo prostih nosilcev toka. Z dopanjem — vnašanjem majhne količine tujih atomov v kristalno mrežo — se število nosilcev poveča in nadzoruje prevodnost. Če v silicij vnesemo element z več valentnimi elektroni (npr. fosfor ali arzen), dodamo proste elektrone in nastane n-tip. Če vnesemo element z manj valentnimi elektroni (npr. bor), nastanejo "luknje" kot pozitivni nosilci in nastane p-tip. Dodatni elektronski nivoji (darovalni ali sprejemni) so blizu vodilnega ali valenčnega pasu, kar olajša sproščanje prostih nosilcev.

Nosilci naboja: elektroni in luknje

V polprevodnikih lahko tok nosijo tako elektroni kot luknje (pomanjkanje elektrona v valenčnem pasu, ki se obnaša kot pozitivni naboj). Elektroni imajo običajno večjo gibljivost kot luknje, kar pomeni, da pri enakih pogojih prispevajo več k prevodnosti. Parjenje in rekombinacija elektron–luknja sta ključna procesa za delovanje naprav, kot so diode in fotodetektorji.

PN-stik in osnovne naprave

Ko se stikata p-tipa in n-tipa materiala, nastane PN-stik. Ta struktura omogoča usmerjanje toka in je osnova za diode (usmerni elementi), LED (svetlobno oddajajoče diode) in fotodiod (senzorji svetlobe). Z združitvijo več stikov in dodatnimi sloji se izdelajo tranzistorji — na primer bipolarni tranzistor (BJT) in najpomembnejši sodoben tip, MOSFET, ki je napetostno krmiljen in osnova za CMOS logiko v mikroprocesorjih.

Tranzistorji: kako delujejo

Tranzistorji so osnovni gradniki sodobne elektronike. BJT deluje kot ojačevalnik toka, kjer majhen vhodni tok na bazi nadzoruje večji tok med kolektorjem in emitorjem. MOSFET pa uporablja napetost na vratih, da spremeni prevodnost kanala med izvorom in odvodom; to omogoča zelo majhno porabo vključenih logičnih vrat. Skupaj v milijonih kopij na čipu omogočajo integrirana vezja delovanje računalnikov in pametnih telefonov.

Materiali in tehnologije

Silicij je prevladujoč zaradi njegove dostopnosti, stabilnosti in sposobnosti tvorbe kakovostnega oksida (SiO2), ki je ključen za izdelavo MOS strukture. Druge spojine, kot je galijev arzenid, se uporabljajo tam, kjer so potrebne visoka hitrost, optične lastnosti ali direktna prepovedana vrzel (npr. v optoelektroniki in visokofrekvenčnih napravah). Polprevodniške kristale običajno pridelujejo s postopki, kot je Czochralski metoda; iz njih se režo tanke waferje, na katerih poteka fotolitografija, ionizacija in difuzija za izdelavo integriranih vezij.

Obnašanje pri različni temperaturi in lastnosti

Prevodnost polprevodnikov močno kaže temperaturno odvisnost: pri višjih temperaturah se termično generira več parov elektron–luknja, zato se prevodnost poveča. To je nasprotno kot pri kovinah, kjer se povečana termična motnja zmanjša gibljivost elektronov. Zaradi tega so senzorji temperature in termistori pogosto narejeni iz polprevodnih materialov.

Uporaba

• Digitalna elektronika: mikroprocesorji, pomnilniki in logična vezja (CMOS tehnologija).
• Analogna elektronika in ojačevalniki: uporaba BJT in MOSFET v ojačevalnikih in signalni obdelavi.
• Optoelektronika: LED, laserske diode, fotodetektorji in solarne celice.
• Napajalna elektronika: močnostni MOSFET-i in IGBT-ji za pretvorbo moči v pogonih in napajalnikih.
• Senzorji: temperaturni senzorji, plinski senzorji, slikovne diode (CMOS senzorji) ipd.

Zaključek

Polprevodniki predstavljajo most med prevodniki in izolatorji: z nadzorovanim spreminjanjem njihove prevodnosti (predvsem z dopiranjem) postanejo izredno vsestranski materiali za izdelavo elektronskih in optoelektronskih naprav. Zaradi njihove vloge v tranzistorjih in integriranih vezjih so ključni za sodobno informacijsko družbo, telekomunikacije, medicinsko tehniko, industrijsko avtomatizacijo in obnovljive vire energije.

Zgodovina

Polprevodnike so v laboratorijih preučevali že v tridesetih letih 19. stoletja. Leta 1833 je Michael Faraday eksperimentiral s srebrovim sulfidom. Ugotovil je, da snov pri segrevanju bolje prevaja elektriko. To je bilo nasprotno od bakrovega delovanja. Ko se baker segreva, prevaja manj elektrike. Številni drugi zgodnji eksperimentatorji so odkrili druge lastnosti polprevodnikov. Leta 1947 so v Bellovih laboratorijih v New Jerseyju izumili tranzistor. To je privedlo do razvoja integriranih vezij, ki danes poganjajo skoraj vse elektronske naprave.

Dopiranje polprevodnikov

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je polprevodnik?

V: Kaj sta polprevodnika tipa n in p?

V: Za kaj se uporablja silicij?

V: Kateri drugi materiali se uporabljajo kot polprevodniki?

V: Kako se elektroni obnašajo v trdnem materialu?

V: Zakaj se izolatorji pogosto uporabljajo za zaščito ljudi pred električnim udarom?

V: Kako delujejo tranzistorji?

Išči po črki