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 monokryształuMonokryształmonokryształu, polikryształuPolikryształpolikryształu lub proszku. MonokryształyMonokryształMonokryształy są wykorzystywane do produkcji diod, tranzystorów i układów scalonych. W ogniwach fotowoltaicznych, także wyświetlaczach LCD wykorzystuje się krzem amorficznyCiało amorficzneamorficzny. 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 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.

R1G0IJlDwNILk

Rys. 1. przedstawia wyobrażenie dwóch atomów chloru. Narysowane jest jądro atomowe w postaci dużej kropki i orbita w postaci okręgu, na której znajduje się siedem elektronów. Okręgi obrazujące orbity zachodzą na siebie w ten sposób, że każdy z atomów zyskuje na swojej orbicie elektron sąsiedniego atomu. Tworzy się silne wiązania poprzez utworzenie takiej pary elektronów.

Leżące w czternastej grupie układu okresowego krzem i german mają cztery elektrony walencyjne i uzyskują pożądane osiem na ostatniej powłoce tworząc wiązanie kowalencyjneWiązanie 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.

RPrijDuWwUhjG

Rys. 2. Rysunek poglądowy przedstawia graficzną ilustrację treści. Jest szczegółowo opisany w podpisie i w treści tej sekcji.

Przestrzenną strukturę diamentu można odtworzyć składając ją z sześcianów jak na Rys. 3.

R23z9wZjyFEsG

Rys. 3. Na rysunku pokazane są elementy, z których zbudowana jest struktura diamentu. Najbardziej podstawową strukturą jest sześcian, w który wpisany jest graniastosłup. Cztery takie graniastosłupy tworzą komórkę elementarną grafitu, czyli strukturę, która powielona w przestrzeni tworzy kryształ. Na rysunku pokazana jest komórka elementarna i duży fragment kryształu.

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 kowalencyjneWiązanie 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).

RdMLAtUAJyrUL

Rys. 4. Rysunek przedstawia przestrzenny schemat komórki elementarnej związków półprzewodnikowych. Wiązania kowalencyjne przedstawione są jako patyczki łączące atomy ze sobą.

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.

R1LimrJLQAj59

Rys.5. Rysunek przedstawia dwuwymiarowy model sieci krystalicznej krzemu. Jony krzemu przedstawione są jako duże kropki z napisem Si. Każdy jon ma obok siebie cztery inne jony- sąsiedzkie. Ostatnia powłoka każdego jonu, to okrąg a na nim cztery elektrony w postaci małych kółek. Elektrony w każdym atomie rozmieszczone są w tych samych miejscach: na górze, na dole, z prawej i lewej strony. Jony krzemu narysowane są blisko siebie tak, że orbity stykają się ze sobą i lekko na siebie zachodzą. W ten sposób każdy atom ma na ostatniej powłoce cztery swoje elektrony i cztery sąsiedzkie- razem osiem. Każdy atom związany jest z czterema sąsiadami silnym wiązaniem kowalencyjnym.

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 kowalencyjnychWiązanie kowalencyjnewiązań 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 dziuryDziura elektronowadziury, czyli braku elektronu w wiązaniu kowalencyjnymWiązanie kowalencyjnewiązaniu kowalencyjnym. DziuraDziura elektronowaDziura jest nośnikiem ładunku dodatniego o wielkości bezwzględnej równej ładunkowi elektronu. DziuraDziura elektronowaDziura 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.

RWiLeeCdgo4gH

Rys. 6. Na rysunku jest zrobiony dwuwymiarowy schemat ułożenia atomów krzemu w sieci krystalicznej. Taką strukturę mają płytki PCB inaczej nazywane także płytkami drukowanymi, które są wykorzystywane w elektronice. Osadza się na nich elementy, takie jak rezystory, cewki indukcyjne, kondensatory, ale również bardziej złożone elektronicznie układy, takie jak mikroprocesory lub kary pamięci. Narysowany dwuwymiarowy schemat w rzeczywistości jest regularną, sześciennie centrowaną siecią. Oderwanie elektronu z jednego miejsca i utworzenie w tym miejscy dziury jest narysowane w postaci strzałki pomiędzy dwoma punktami. W miejscu po elektronie jest czerwona kropka, a elektron w nowym miejscu jest w postaci niebieskiej kropki.

Bez zewnętrznego pola elektrycznego ruch dziurDziura elektronowadziur jest chaotyczny i nieuporządkowany podobnie jak swobodnych elektronów.

Tak więc przyjmuje się, że w półprzewodnikach są dwa rodzaje nośników prądu: ujemne elektrony i dodatnie dziuryDziura elektronowadziury. W „czystych”, niedomieszkowanych półprzewodnikach ilość elektronów i dziurDziura elektronowadziur jest jednakowa, a ich ilość zależy od temperatury – im wyższa, tym więcej elektronów i dziurDziura elektronowadziur, 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 dziurDziura elektronowadziur.

R1YpS1C6StKqR

Rys. 7. Rysunek pokazuje schemat poziomów energii elektronów w półprzewodniku. Na rysunku trzy poziomy są narysowane w postaci trzech prostokątów ułożonych jeden nad drugim. Z lewej strony zaznaczona jest oś energii skierowana ku górze oznaczona literą duże E. Najniższy poziom to zakres energii, które mają elektrony związane w atomach. Nazywa się to pasmo – walencyjne. I tak jest podpisane na rysunku. Na tym pasmem jest pasmo wzbronione, czyli obszar energii, których elektrony nie przyjmują. Jest napis pasmo wzbronione. Nad nim jest pasmo przewodnictwa, czyli zakres wartości energii, jakie przyjmują elektrony swobodne. Na rysunku zaznaczony jest w postaci strzałki biegnącej od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa proces powstania dziury i elektronu przewodnictwa. W pasmie walencyjnym narysowana jest duża biała kropka, w pasmie przewodnictwa zielona kropka- a miedzy nimi jest strzałka obrazująca dynamiką procesu.

Słowniczek