Przeczytaj
Warto przeczytać
Zastosowania półprzewodników wynikają z możliwości modyfikowania ich właściwości elektrycznych. W szczególności opór elektryczny można zmieniać w dosyć szerokim zakresie, przede wszystkim poprzez wprowadzenie domieszek.
Najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy czternastej: krzem i german. Półprzewodnikami są również związki pierwiastków z grupy trzynastej i piętnastej – np.: arsenek galu, azotek galu, antymonek indu lub dwunastej i szesnastej – np.: tellurek kadmu. Zazwyczaj materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształumonokryształu, polikryształupolikryształu lub proszku. MonokryształyMonokryształy są wykorzystywane do produkcji diod, tranzystorów i układów scalonych. W ogniwach fotowoltaicznych, także wyświetlaczach LCD wykorzystuje się krzem amorficznyamorficzny. Obecnie produkuje się też półprzewodniki organiczne, na ogół wielocykliczne związki aromatyczne, między innymi poli(p‑fenyleno‑winylen).
Dla nieorganicznych materiałów półprzewodnikowych charakterystyczne jest tzw. wiązanie kowalencyjnewiązanie kowalencyjne, w którym atom uzyskuje pożądaną ilość ośmiu elektronów na ostatniej powłoce uwspólniając elektron z atomem, z którym się łączy. Atomy tworzą parę elektronów wiążących, z których każdy pochodzi z innego z łączących się atomów. Przykład takiego wiązania pokazuje Rys. 1.
Leżące w czternastej grupie układu okresowego krzem i german mają cztery elektrony walencyjne i uzyskują pożądane osiem na ostatniej powłoce tworząc wiązanie kowalencyjnewiązanie kowalencyjne z czterema sąsiadami. Tworzący się układ przestrzenny atomów jest charakterystyczny także dla atomów węgla w strukturze diamentu. Układ ten, typowy dla półprzewodników, można sobie wyobrazić w oparciu o czworościan foremny, w którym cztery atomy krzemu znajdują się w wierzchołkach i jeden w środku czworościanu a każdy z atomów wierzchołka czworościanu jest środkiem kolejnego czworościanu. Atomy leżące w wierzchołkach czworościanu można także umieścić w wierzchołkach sześcianu, jak na Rys. 2.
Przestrzenną strukturę diamentu można odtworzyć składając ją z sześcianów jak na Rys. 3.
Układ podobny do układu atomów w diamencie tworzą związki półprzewodnikowe między atomami trzynastej i piętnastej grupy (a także w związkach atomów z dwunastej i szesnastej grupy) z tym, że atomy jednego pierwiastka sąsiadują z czterema atomami drugiego, tworząc ze sobą wiązania kowalencyjnewiązania kowalencyjne spolaryzowane. W tworzeniu wiązań kowalencyjnych biorą udział 3 elektrony walencyjne pierwiastków z trzynastej grupy i 5 elektronów pierwiastka z piętnastej grupy układu okresowego (odpowiednio 2 i 6 przy związkach dwunastej i szesnastej i grupy).
Dla półprzewodników organicznych typowe jest występowanie pierścieni węglowych, w których występuje podwójne wiązanie miedzy atomami węgla. Ponieważ jedno z tych wiązań jest znacznie słabsze, łatwo ulega zerwaniu uwalniając elektron.
Wiązanie między atomami w strukturze krzemu łatwiej sobie wyobrazić w schemacie dwuwymiarowym – Rys. 5.
Materiały, aby mogły przewodzić prąd elektryczny, muszą mieć tzw. swobodne nośniki prądu – czyli cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym i mające możliwość swobodnego ruchu w całej objętości materiału.
W półprzewodnikach, elektrony z wiązań kowalencyjnychwiązań kowalencyjnych, w wyniku uzyskania energii od drgających atomów, mogą się uwolnić i stać się elektronami swobodnymi. W temperaturach wyższych niż 0 K istnieje pewna równowagowa ilość uwolnionych elektronów, tym większa im wyższa temperatura. Np. w krzemie w temperaturze 300 K ilość swobodnych elektronów wynosi około 1,5 · 10Indeks górny 1010/cmIndeks górny 33. Dla porównania, w metalach ilość swobodnych elektronów jest rzędu 10Indeks górny 2222/cmIndeks górny 33.
Miejsce po elektronie, który oderwał się z wiązania międzyatomowego może być zajęte przez inny elektron, z sąsiednich wiązań. Elektron ten także pozostawi lukę, która z kolei także może być zajęta przez elektron z sąsiedniego wiązania. Powstaje efekt przemieszczania się pustego miejsca po uwolnionych elektronach. Dla uproszczenia opisu takiego ruchu elektronów wprowadza się pojęcie dziurydziury, czyli braku elektronu w wiązaniu kowalencyjnymwiązaniu kowalencyjnym. DziuraDziura jest nośnikiem ładunku dodatniego o wielkości bezwzględnej równej ładunkowi elektronu. DziuraDziura jest wygodnym sposobem opisu ruchu luki po uwolnionym elektronie, nie jest jednak samodzielną „cząstką”, taką jak elektron, czy proton - nie da się jej zaobserwować; jest modelem przewodzenia prądu przez półprzewodniki.
Bez zewnętrznego pola elektrycznego ruch dziurdziur jest chaotyczny i nieuporządkowany podobnie jak swobodnych elektronów.
Tak więc przyjmuje się, że w półprzewodnikach są dwa rodzaje nośników prądu: ujemne elektrony i dodatnie dziurydziury. W „czystych”, niedomieszkowanych półprzewodnikach ilość elektronów i dziurdziur jest jednakowa, a ich ilość zależy od temperatury – im wyższa, tym więcej elektronów i dziurdziur, a zatem mniejszy opór elektryczny półprzewodnika.
Teoria pasmowa ciał stałych (o której możesz przeczytać w e‑materiale: „Jak zbudowane są metale”) stwierdza, że elektrony walencyjne, które zyskały energię odpowiadającą pasmu przewodnictwa, pozostawiają w pasmie walencyjnym wolny stan energetyczny. Umożliwia to zajęcie tego stanu przez inne elektrony o energii z zakresu poziomu walencyjnego. Zjawisko to może być opisane jako ruch dodatnich nośników prądu – czyli dziurdziur.
Słowniczek
(ang. monocristal) ciało stałe zbudowane z jednego kryształu.
(ang. policristal) ciało stałe zbudowane z wielu połączonych ze sobą monokryształów.
(ang. amorphous solid) stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami mechanicznymi zbliżonymi do ciała krystalicznego, w którym nie występuje uporządkowanie dalekiego zasięgu. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym, ale tworzące je cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach.
(ang. covalent bond) powstaje w wyniku uwspólnienia jednej lub kilku par elektronowych wiążących się atomów, w wyniku czego każdy z nich zachowuje się tak, jakby miał trwałą konfigurację gazu szlachetnego.
(ang. electron hole) brak elektronu w wiązaniu kowalencyjnym wynikający z uwolnienia się elektronu; w teorii pasmowej nieobsadzony elektronowy poziom energetyczny w pasmie walencyjnym.