Warto przeczytać

Ze względu na właściwości elektryczne i możliwości zastosowania w elektrotechnice i elektronice materiały dzieli się na trzy podstawowe rodzaje: przewodniki, półprzewodniki i izolatory. Półprzewodniki to materiały, których właściwości elektryczne, w szczególności opór elektryczny, można zmieniać w dosyć szerokim zakresie, przede wszystkim poprzez wprowadzenie domieszek, także przez ogrzewanie, oświetlanie itd. Możliwość modyfikowania właściwości pozwala na bardzo szerokie zastosowanie półprzewodników do przetwarzania sygnałów elektrycznych. Na przykład: do „prostowania” prądu, do wzmacniania sygnałów elektrycznych, sterowania prądami, do zamiany prądu na światło i światła na prąd elektryczny. Także działanie wszelkiego typu procesorów komputerowych, mikroprocesorów, chipów, pamięci półprzewodnikowych wynika z właściwości półprzewodników.

Wielkościami fizycznymi, które pozwalają zakwalifikować dany materiał do półprzewodników, są opór elektryczny właściwy i szerokość energetycznej przerwy wzbronionej.

Opór elektryczny właściwy jest miarą zdolności materiału do stawiania oporu przepływającemu prądowi elektrycznemu, oznacza się go literą $\rho$ i możemy opisać ją wzorem:

gdzie: $R$ – opór elektryczny materiału, $S$ – pole przekroju poprzecznego elementu, $l$ – długość elementu. Jednostką oporu właściwego jest Ωomegam.

Podział materiałów ze względu na opór elektryczny właściwy:

Tab. 1. Opór elektryczny właściwy metali, półprzewodników i izolatorów

Jak widać (Tab. 1.) opór właściwy materiałów leży w bardzo szerokim zakresie – różnica między metalami a izolatorami przekracza 30 rzędów wielkości. Nawet opór właściwy danego materiału może zawierać się w dosyć szerokim zakresie (np. dla diamentu jest podawany w zakresie od 10Indeks górny 11¹¹ Ωomegam do 10Indeks górny 18¹⁸ Ωomegam). Różnice te wynikają ze sposobu otrzymywania materiału, powstałych defektów struktury krystalicznej, stopnia zanieczyszczenia itp.

W półprzewodnikach opór elektryczny zmienia się przede wszystkim przez wprowadzanie domieszek, które zwiększają ilość nośników prądu elektrycznego. Wprowadzenie w sposób kontrolowany domieszek zmienia opór elektryczny półprzewodnika o kilka rzędów wielkości.

Energetyczna przerwa wzbroniona określa energię, jaką muszą uzyskać elektrony związane z atomem, aby stały się elektronami swobodnymi i stały się nośnikami prądu. Zgodnie z pasmową teorią przewodnictwateoria pasmowa przewodnictwapasmową teorią przewodnictwa jest to energia, jaką muszą uzyskać elektrony mające energię odpowiadającą pasmu walencyjnemu, aby uzyskać energię odpowiadającą pasmu przewodnictwa. Jest to również minimalna energia, jaką wyemituje elektron, najczęściej w formie promieniowania elektromagnetycznego, przechodząc ze stanu energetycznego z zakresu pasma przewodnictwa do stanu energetycznego z zakresu pasma walencyjnego. Wartość przerwy wzbronionej decyduje o ilości nośników swobodnych, a zatem istotnie wpływa na opór elektryczny właściwy. Koncentracja nośników w metalach jest rzędu 10Indeks górny 22²² w centymetrze sześciennym, w półprzewodnikach samoistnychpółprzewodnik samoistnypółprzewodnikach samoistnych w temperaturze pokojowej w zależności od materiału wynosi od 10Indeks górny 6⁶ do 10Indeks górny 10¹⁰ w jednym centymetrze sześciennym, w domieszkowanychpółprzewodniki domieszkowe (niesamoistne)domieszkowanych uzyskuje się od 10Indeks górny 12¹² aż do 10Indeks górny 20²⁰ w centymetrze sześciennym.

Z teorii pasmowej przewodnictwateoria pasmowa przewodnictwateorii pasmowej przewodnictwa wynika, że elektrony walencyjne, które zyskały energię odpowiadającą pasmu przewodnictwa – „przechodząc” do pasma 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 dziur (Rys. 1.). W półprzewodnikach istnieją zatem dwa rodzaje nośników prądu: elektrony i dziury mające właściwości nośników o dodatnim ładunku elektrycznym.

RpDhNiHNlynoC

Rys. 1. Rysunek schematycznie przedstawia powstawanie pary: elektron dziura w półprzewodniku samoistnym. Na pionowej osi skierowanej ku górze zaznaczono dwa pasma energetyczne: niżej w postaci niebieskiego prostokąta pasmo walencyjne, wyżej w postaci pomarańczowego prostokąta – pasmo przewodnictwa. Pomiędzy nimi jest pusta przestrzeń – jest to przerwa energetyczna. Elektron narysowany w postaci czarnej dużej kropki z pasma walencyjnego przechodzi do pasma przewodnictwa, co narysowano w postaci strzałki pomiędzy pasmami skierowanej ku górze. Miejsce po elektronie w pasmie walencyjnym zaznaczono w postaci pustej kropki, a w pasmie przewodnictwa elektron narysowano w postaci czarnej kropki.

Podział materiałów ze względu na energetyczną przerwę wzbronioną:

R1Vt1vfUlhioF

Rys. 2. Rysunek schematycznie, w postaci kolorowych prostokątów, przedstawia podział materiałów ze względu na ich strukturę pasmową. W przewodnikach pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa pokrywają się, dzięki czemu może dojść do przepływu prądu. W izolatorze występuje przerwa energetyczna między tymi pasmami, która uniemożliwia przepływ prądu. W półprzewodnikach również występuje przerwa energetyczna, jednak jest ona na tyle mała, że przy odpowiedniej temperaturze elektrony mogą znaleźć się w paśmie przewodnictwa. Pod przewodnikiem umieszczono informację, że wartość energetyczna przerwy wzbronionej jest: wielka litera E z indeksem dolnym mała litera g równa się zero. W izolatorze od pasma walencyjnego do pasma przewodzenia, na tle przerwy wzbronionej pokazano pionową, czarną strzałkę skierowaną w górę. Strzałka symbolizuje wartość przerwy wzbronionej, wielka litera E z indeksem dolnym mała litera g. Pod schematem izolatora umieszczono informację, że dla izolatorów wartość energetyczna przerwy wzbronionej, wielka litera E z indeksem dolnym mała litera g, jest większa niż trzy elektronowolty, mała litera e i wielka litera V. W półprzewodniku od pasma walencyjnego do pasma przewodzenia, na tle przerwy wzbronionej pokazano pionową, czarną strzałkę skierowaną w górę opisującą wartość przerwy wzbronionej, wielka litera E z indeksem dolnym mała litera g. W półprzewodniku wielkość obszaru przerwy wzbronionej jest mniejsza niż w izolatorze, a zatem również i strzałka jest krótsza. Pod schematem umieszczono informację, że dla izolatorów wartość energetyczna przerwy wzbronionej, wielka litera E z indeksem dolnym małą litera g, jest większa niż jedna dziesiąta elektronowolta i mniejsza niż trzy elektronowolty. Symbole elektronowoltów zapisano, jako mała litera e i wielka litera V.

Dla najczęściej stosowanych półprzewodników szerokość przerwy wzbronionej wynosi około 1 eV:

• german – 0,67 eV,

• krzem – 1,12 eV,

• arsenek galu 1,43 eV.

W praktyce jako półprzewodnik stosuje się materiały o szerokości przerwy wzbronionej od ułamka elektronowolta do kilku elektronowoltów.

Jako półprzewodniki stosuje się również materiały o przerwie wzbronionej i oporze elektrycznym właściwym wykraczającymi poza umownie przyjęte granice. Między innymi diament, o przerwie wzbronionej około 5 eV i oporze elektrycznym właściwym około 10Indeks górny 11¹¹-10Indeks górny 13¹³ Ωomegam, dzięki odporności termicznej i cieplnej jest stosowany w tranzystorach, licznikach krystalicznych oraz tyrystorachtyrystortyrystorach pracujących w wysokiej temperaturze – do 500°C. Azotek glinu, o szerokości przerwy wzbronionej 6,2 eV i oporze właściwym około 10Indeks górny 11¹¹-10Indeks górny 13¹³ Ωomegam, znalazł zastosowanie w optoelektronice nadfioletu.

Słowniczek