Halvledare

Halvledare är ett material (kan även vara ett grundämne) som inte leder elektrisk ström lika bra som en ledare, men inte heller utesluter strömledning som en isolator. Ett rent halvledarmaterial som till exempel kisel leder ström genom termiskt exciterade elektroner. Det gör att vid för låga temperaturer ökar ledningsförmågan i ett halvledarmaterial dramatiskt när temperaturen stiger, då antalet tillgängliga exciterade elektroner ökar exponentiellt med temperaturen. För vanliga ledare sjunker däremot den elektriska ledningsförmågan eftersom spridning mot kristallgittrets rörelser, fononer, ökar.

Kisel som används i halvledartekniken har oftast tillsatts mycket små mängder av andra element i en process som kallas dopningerer, varvid ledningsförmågan ökar markant. De element som tillsätts befinner sig i angränsande grupp, grupp III eller grupp V, i det periodiska systemet - kisel finns i grupp IV. Tillsats av en atom ur grupp V, arsenik eller fosfor, har en elektron mer än de omgivande kiselatomerna varvid denna elektron hamnar i halvledarens ledningsband. Däremot skapar tillsats av ett ämne ur grupp III (oftast aluminium eller boret) en elektron mindre för de omgivande atomerna. Det resulterande hål fungerar i praktiken som en positiv laddningsbärare.

Ett stycke halvledare som dopats med ett material som ger extra elektroner kallas n-dopat, och om det är dopat med atomer med färre elektroner är det p-dopat.

Halvledare är det grundläggande materialet i de flesta moderna elektroniska apparater.

Utveckling

Halvledare har egenskaper som tilldragit sig stort intresse under andra halvan av 1900-talet, sedan uppfinningen av transistorn i sluten av 1940-talet. Transistorn är ett förstärkarelement som har väsentliga fördelar över det äldre elektronröret. Det arbetar vid normal rumstemperatur och kan göras så mycket mindre att flera transistorer kan integreras på samma halvledarplatta, ett så kallat 'chip', till en integrerad krets (IC).

En viktig egenskap i bandgapet hos en halvledare är att dess storlek ger upphov till fotoner i samma storleksordning som synligt ljus. Alla halvledare är goda detektorer av ljus. Kisel sänder däremot inte ut ljus. Av denna anledning används i stället halvledare av annan sort (GaAs och InP) för att sända ljus. Delvis används ljuset till ljusdioder, men man kan även använda dem till att göra lasrar. Den moderna tidens optiska kommunikation har gjorts möjlig genom att använda lasrar och dektektorer av InP.

Elektronstruktur i halvledare

Halvledare innehar ett antal användbara och unika egenskaper relaterat till dess elektronstruktur. Elektroner i fasta ämnen tenderar att ockupera olika energiband. Energibandet som associeras med en elektron i dess grundtillstånd brukar kallas valensband. För halvledare är elektroner i detta band statiska, medan energibandet för exciterade elektroner kallas ledningsbandet. Dessa elektroner tillåts röra sig fritt i ledningsbandet och har ofta högre energi. Som namnet antyder kan elektroner i ledningsbandet leda elektricitet. Skillnaden i energinivåer mellan valensbandet och ledningsbandet kallas bandgap och motsvarar den nödvändiga energin som krävs för att excitera en elektron i valensbandet till ledningsbandet. För vissa metaller, exempelvis magnesium, överlappar valens- och ledningsbandet varandra, vilket motsvarar ett negativt bandgap. I dessa situationer finns alltid några elektroner i ledningsbandet, och materialet har hög ledningsförmåga (konduktivitet). Andra metaller, som exempelvis koppar, har lediga platser i valensbandet, och även där kan elektroner leda elektricitet, därav dessa metallers höga ledningsförmåga. För isolatorer är valensbandet helt fullt och bandgapet relativt högt, vilket motverkar ledningsförmåga. Halvledare har en liknande elektronisk struktur som isolatorer har, men med ett relativt lågt bandgap som är ofta mindre än 2 eV. Eftersom bandgapet är relativt litet kan elektronerna exciteras termiskt upp till ledningsbandet och därmed öka halvledarnas konduktivitet i rumstemperatur.

Elektroner i ledningsbandet har ofta rörelsefrihet i materialet som leder elektriciteten. Dessutom lämnar elektroner som exciteras till ledningsbandet tomma platser efter sig i valensbandet vilket motsvarar en saknad elektron i nÃ¥gon av de kovalenta bindningarna. Under inverkan av elektriskt fält kommer en närliggande valenselektron att hoppa över till den lediga positionen vilket ger nettoeffekten att platserna rör sig. Därav kan den saknade elektronen betraktas som ett 'hÃ¥l' med samma möjligheter att röra sig genom materialet som elektronerna har. HÃ¥l betraktas som en elektriskt laddad partikel med samma laddning som elektronen (1,6·10^-19 C), men med motsatt tecken. Under inverkan av elektriskt fält rör sig elektroner och hÃ¥l i olika riktningar. Elektroner är mer mobila än hÃ¥l och därav mer effektiva som ledningselektroner. Eftersom bÃ¥de elektroner och hÃ¥l är kapabla att leda elektricitet brukar de benämnas bärare.

Koncentrationen av bärare har starkt beroende på temperatur. Temperaturökningar leder till en ökning av antalet bärare och motsvarar en ökning av ledningsförmågan (konduktiviteten). Detta är i stark kontrast till ledare, som ofta tenderar att få sämre ledningsförmåga i högre temperaturer. Ovanstående princip används i termistorer för att mäta temperaturen. Dopningen innebär att antalet fria hål och elektroner ökar.

Se elektrisk ledningsförmåga för mer information om ledningsförmågan i material.

Vanliga halvledarämnen

• Kisel - Si
• Germanium - Ge
• Galliumarsenid - GaAs
• Indiumfosfid - InP
• Kiselkarbid - SiC
• GermaniumSilicid - GeSi
• Kol-60
• Organiska halvledare

Den gren av fysiken som studerar halvledare kallas halvledarfysik, halvledarelektronik eller halvledarkemi. Praktisk användning av halvledarkomponenter studeras inom elektronik.