Полупроводник
Полуводич или полупроводник је материјал, као што је силициј, који има особине и проводника и изолатора.[1] У транзисторима, диодама, светлећим диодама (ЛЕД), интегрисаним колима и многим другим електронским уређајима уместо проводника користе се полупроводници. Полупроводници су омогућили пројектовање и производњу малих електронских уређаја (примера ради, ручних рачунара и радио-пријемника).[2]
Полуводич постаје изолатор на врло ниским температурама, а на собној температури постаје електрички водљив, иако је та водљивост знатно мања него што је водљивост водича. Најчешће кориштени полуводички материјали су силициј, германиј, галијев арсенид и индијев фосфид.
Полуводич можемо разликовати од водича због чињенице да, на апсолутној нули, највиши попуњени енергетски ниво електрона код полуводича је потпуно попуњен, док је код водича само дјеломично попуњен.
Разлика између полуводича и изолатора је мало више произвољна. Полуводич има енергетски процјеп који је довољно мали тако да је водљиви појас на собној температури знатно термички попуњен електронима, међутим изолатор има енергетски процјеп који је преширок да би број термичких електрона у водљивом појасу на собној температури био мјерљив.
Како полуводич ради
[уреди | уреди извор]Како би било јасније дјеловање полуводича размотрит ћемо стаклени спремник напуњен дестилираном водом. Уколико се пар водљивих електрода урони у воду и ако се на њих споји истосмјерни напон (нижи од напона потребног за електролизу) неће потећи струја због тога што дестилирана вода нема носиоца набоја. Стога је дестилирана вода изолатор. Растопимо ли у води малу количину кухињске соли почиње тећи струја, због тога што су ослобођени покретни носиоци (иони). Повећавањем концентрације соли повећава се и водљивост, али не значајно. Сухи кристали соли нису водљиви због тога што су покретни носиоци набоја заробљени у кристалима.
Потпуно чист кристал силиција је изолатор, али када је онечишћен нпр. с арсеном (поступак се назива допирање) али незнатно онечишћен како кристална решетка не би била потпуно раскинута, тада нечистоћа предаје (донира) слободне електроне и омогућава проводљивост. То се догађа због тога што атоми арсена имају пет електрона у својој вањској љусци док их атом силиција има само четири. Проводљивост је могућа зато што су уведени слободни носиоци набоја, у овом случају је креиран силициј н-типа (н због негативно: Електрон има негативни набој)
Друга варијанта је да се силициј допира са бором чиме се ствара силициј п-типа који је исто водљив. Због тога што бор у вањској љусци има само три електрона настаје нова врста носиоца набоја, звана шупљина, која се формира у кристалној решетци силиција.
С друге стране, у вакуумској цијеви се носиоци набоја (електрони) одашиљу због термичке емисије из катоде загријаване жичаном нити. Стога, вакуумске цијеви не могу произвести шупљине (позитивне носиоце набоја).
Замијетите да носиоци набоја истог поларитета одбијају један другог па, и уз непостојање никакве силе, су случајно расподијељени по полуводичком материјалу. Ипак, у ненапајаном биполарном транзистору (или спојној диоди) носиоци набоја настоје мигрирати ка П-Н споју, због привлачне силе коју узрокују њихови супротни набоји с друге стране споја.
Повећањем нивоа допирања повећава се и проводљивост полуводича, под увјетом да кристална решетка углавном остане неоштећена. Код билполарног транзистора емитер је јаче допиран у односу на базу. Омјер разине допирања емитер/база је један од главних фактора који одређују струјно појачање спојног транзистора.
Ниво допирања је екстремно низак: реда неколико дијелова на сто милијуна, и то је кључ дјеловања полуводича. У металима је број носиоца екстремно висок: један носиоц набоја по атому. Код метала, како би се значајан дио волумена материјала претворио у изолатор, носиоци набоја морају бити издвојени из метала кориштењем напона. Код метала је та вриједност напона астрономска; више је него довољна да уништи метал прије него што га претвори у изолатор. Али код слабо допираних полуводича постоји само један слободни носиоц набоја на неколико милијуна атома. Напонски ниво потребан за издвајање свега неколико носиоца набоја из проматраног волумена материјала се може једноставно постићи. С друге стране, електрицитет у металима је нестлачив, као флуид, док се код полуводича понаша као стлачени плин. Допирани полуводичи се могу врло брзо претворити у изолаторе, док се метали никако немогу.
Претходно је објашњено вођење набоја код полуводича помоћу носиоца набоја, било електрона било шупљина, али је бит дјеловања биполарног транзистора да електрони/шупљине наизглед стварају забрањени скок кроз осиромашени слој у реверзно поларизираном споју база/колектор који је контролиран напоном база/емитер. Иако се транзистор некоме може чинити као двије спојене диоде, биполарни транзистор се неможе једноставно направити као спој двију дискретних водљивих диода спојених заједно. За добивање дјеловања биполарног транзистора потребно је да се 'двије диоде' произведу на истом кристалу, и да физички дијеле заједничко и екстремно танко подручје базе.
Темељи физике полуводича
[уреди | уреди извор]Валентни појасеви полуводича
[уреди | уреди извор].svg?lang=sh)
У језику физике полуводича, полуводичи (и изолатори) се дефинирају као тијела код којих на апсолутној нули (0 К), најгорњи је појас заузет стањима енергија електрона, појас је познат као валентни појас, и потпуно је пун. Под увјетима апсолутне нуле, Фермијеву енергију, или Фермијев ниво можемо замислити као енергију до које су заузета сва дозвољена стања електрона.
На собној температури, постоји одређено размазивање дистрибуције енергија електрона, врло мали, али незанемарив број електрона има довољну енергију да пријеђе забрањени појас и уђе у водљиви појас. Електрони који имају довољно енергије да буду у водљивом појасу су ослобођени ковалентне везе између сусједних атома унутар тијела, и слободно се могу мицати унутар тијела материјала, и исто тако проводити набој. Ковалентне везе из којих долазе ти узбуђени електрони сада имају мањак елетрона, или шупљина које се исто тако могу мицати наоколо. (Шупљина се као таква уствари не миче, али се сусједни електрон може мицати тако да попуни шупљину, остављајући притом слободну шупљину на мјесту с којег се помакнуо, и на тај се начин стјече дојам да се шупљине мичу.)
Важна разлика између водича и полуводича је да код полуводича помицање набоја (струја) омогућено помицањем и електрона и шупљина. У супротности с тим код водича Фермијев ниво лежи између водљивог појаса, па је такав појас само до пола попуњен електронима. У том случају, електронима је потребна је само мала количина енергије да нађу друго незаузето стање у које ће се помакнути, уствари за стварање тока струје.
Лакоћа којом електрони у полуводичу могу бити премјештени из валентног у водљиви појас овиси о размаку између тих појасева, исто је тако величина енергије између водљивог и валентног појаса та која служи као произвољна граница која одваја полуводиче од изолатора. Материјали који имају енергију забрањеног појаса (појаса између валентног и водљивог појаса) испод приближно 3 електронволт (еВ) се углавном сматрају полуводичима, док се они с већим енергијама забрањеног појаса сматрају изолаторима.
Електрони који преносници набоја у водљивом појасу су познати као слободни електрони, мада се често једноставно називају електрони ако контекст допушта такву јасну употребу. Шупљине у валентном појасу се понашају врло слично као позитивно набијене копије електрона, и оне се обично третирају као стварно набијене честице.
Парови електрон-шупљине
[уреди | уреди извор]Ионизирајуће зрачење које удара у полуводич врло често избацује електрон из његовог енергетског нивоа и као посљедицу оставља шупљину. Такав процес је познат као стварање пара електрон шупљине. Корисни појам је ексцитон који описује електрон и шупљину као заједно везане у квазичестицу. Детаљи овог специфичног процеса код којег се ствара пар електрон-шупљина није још довољно добро познат, ипак, познато је да је просјечна енергија потребна за стварање пара електрон-шупљина на заданој температури овисна о врсти и енергији ионизирајућег зрачења. Код силиција, та је енергија једнака 3.62 еВ на собној темератури и 3.72 еВ на 80 К.
Допирање полуводича
[уреди | уреди извор]Један од главних разлога због којих су полуводичи корисни у електроници је тај да се њихова електроничка својства јако добро могу мијењати у контролираном смјеру додавањем мале количине нечистоћа. Те се нечистоће називају допанди. Јако допирање полуводича може повећати његову водљивост за фактор већи од билијун. У модерним интегрираним круговима, на примјер, јако допирани поликристал силиција се често користи као замјена за метале.
Интринсични и екстринсични полуводичи
[уреди | уреди извор]Интринсични полуводич је полуводич који је довољно чист да преостале нечистоће незнатно утјечу на електрична својства. У том случају, сви носиоци су створени термалном или оптичком узбудом електрона из попуњеног валентног појаса у празни водљиви појас. У интринсичном полуводичу је присутан једнак број електрона и шупљина. У електричном пољу електрони и шупљине теку у супротним смјеровима, премда они доприносе струји у истом смјеру будући да су супротно набијени. Код интринсичног полуводича струја шупљина и струја електрона нису нужно једнаке, због тога што електрони и шупљине имају различите ефективне масе (у кристалима, аналогија са слободним инерцијским масама).
Концентрација носиоца у интринсичном полуводичу је јако овисна о температури. На ниским температурама, валентни појас је потпуно попуњен, чинећи метаријал изолатором. Повећање температуре доводи до повећања броја носиоца што прати повећање водљивости. Ово се својсто користи код термистора. Ово је понашање у потпуној супротности у односу на већину метала, који имају све мању водљивост на све већим температурама све до температуре распршења (на којој метал постаје плазма).
Екстринсични полуводич је полуводич који је допиран с нечистоћама како би се модифицирао број и тип присутних слободних носиоца набоја.
Полуводич који је допиран врло великим разинама нечистоћа, при чему разина нечистоћа представља значајан дио полуводичких атома, назива се дегенерација. Дегенерирани полуводич се понаша слично као водич, а не више као полуводич.
Допирање н-типа
[уреди | уреди извор]Сврха допирања н-типа је да се створи мноштво покретних електрона или електрона носиоца у материјалу. Као помоћ у разумијевању како се постиже допирање н-типа размотрит ћемо на примјеру силиција (Си). Атом силиција има четири валента електрона, од којих је сваки ковалентно везан за један од четири електрона сусједног атома силиција. Ако се у кристалну решетку умјесто атома силиција угради атом са пет валентних електрона (група V у периодном суставу елемената, нпр. фосфор (П), арсен (Ас), ор антимон (Сб)), тада ће атом имати четири ковалентне везе и један слободни електрон. Тај један слободни електрон је доста слабо везан за атом и лако се може побудити да пријеђе у водљиви појас. На уобичајеним температурама, сви су такви електрони привидно побуђени у водљиви појас. Будући да побуђивање таквих слободних електрона не резултира формирањем шупљина, број електрона у таквом материјалу далеко премашује број шупљина. У овом случају електрони су већински носиоци, а шупљине су мањински носиоци. Због тога што петовалентни атоми имају додатни електрон за донирање, они се називају атоми донори (донорски атоми). Примијетите да ниједан покретни електрон унутар полуводича никад није далеко од непокретног позитивно допираног јона, и н-допирани материјал углавном има нето вриједност електричног набоја једнаку нули.
Допирање п-типа
[уреди | уреди извор]Сврха допирања п-типа је стварање мноштва шупљина. У случају силиција се у кристалној решетци надомјешта тровалентни атом (као што је бор). Резултат је да недостаје један од четири ковалентне везе уобичајене у решетци силиција. На тај начин атом допанда може прихватити електрон из атома везаног у сусједну ковалентну везу за попуњавање четврте везе. Такви се допанди називају акцептори. Атоми допанда прихваћају електроне, узрокујући недостатак једне везе са сусједним атомом што резултира формирањем шупљине. Поједина шупљина је повезана с околним негативно набијеним ионом допанда па полуводич остаје електрички неутралан као цјелина. Једном кад је шупљина одлутала унутар решетке, један протон у атому ће бити изложен, на мјесту гдје је прије била шупљина, и неће га више бити могуће пребрисати другим електроном. Из тог разлога се шупљина понаша као носиоц позитивног набоја. Када је додан достатно велик број атома акцептора, број шупљина увелике надмашује број термално побуђених атома. Због тога су у материјалима п-типа шупљине већински носиоци, док су електрони мањински носиоци. Плави дијаманти (типа ИИб), који садрже бор (Б) као нечистоћу, су примјер природног настајања п-типа полуводича.
Концентрације носиоца
[уреди | уреди извор]Кад је полуводич допиран, концентрација његових већинских носиоца је већа од концентрације интринсичких носиоца за фактор који овиси о разини допирања. Ипак, умножак концентрација већинских и мањинских носиоца и даље остаје једнака квадрату концентрације интринсичких носиоца. На примјер, размотримо интринсички полуводич на температури на којој је концентрација носиоца (шупљина и електрона) једнака 1013/цм3. Ако је полуводич н-допиран на 1016/цм3, тада ће концентрација шупљина бити 1010/цм3. То произлази из тога да је концентрација мањинских носиоца у допираном полуводичу овисна о температури на квадрат мјере концентрације носиоца у интринсичком полуводичу, док је концентрација већинских носиоца практички фиксирана на разину одређену допирањем.
П-Н спојеви
[уреди | уреди извор]П-Н спој се може створити допирањем сусједних подручја полуводича с п-типом и н- типом донора. Ако је позитивни напон поларизације спојен на слој п-типа тада су доминантни позитивни носиоци (шупљине) гурнуте према споју. Истовремено, доминантни негативни носиоци (електрони) у материјалу н-типа су привучени према споју. Све док постоји мноштво носиоца на споју, спој се понаша као водич, и напон спојен на крајевима п-н споја ствара струју. Како су облаци шупљина и електрона приморани да се преклапају, електрони падају у шупљине и постају дио популације непомичних ковалентних веза. Међутим, ако је поларизацијски напон окренут, шупљине и електрони су одвучени од споја. Стога се на споју ствара врло мали број нових парова електрон/шупљина, постојећи слободни носиоци су натјерани да оставе осиромашени слој, (који је врло узак и налази се између п и н слоја); подручје размјерно неводљивог силиција. Реверзни напон поларизације ствара само врло малу струју (струја цурења) кроз спој. П-н спој је основа електроничке компоненте која се зове диода, која омогућава ток електричног набоја у само једном смјеру. Слично се може допирати и треће подручје полуводича, допирањем н-типа или п-типа се формира компонента с три извода, као што је биполарни спојни транзистор (који може бити п-н-п или н-п-н).
Када се у осиромашеном подручју кориштењем зрачења ионизира, претходно електрички створен, пар електрон/шупљина двије новонастале слободне набијене честице ће бити избачене из осиромашеног подручја. Након што је у осиромашеном подручју створен пар електрон/шупљина, шупљина ће под утјецајем електричног поља бити потјерана према подручју п-типа, док ће исто тако под утјецајем електричног поља, електрон бити потјеран према подручју н-типа. Помицање ових носиоца набоја ствара малу струју коју се може мјерити и анализирати.
За масовну производњу су нужни полуводичи с предвидљивим и поузданим електричким својствима. Разина потребне кемијске чистоће је екстремно висока због тога што присутност нечистоћа и у врло малим размјерима може имати врло велике ефекте на својствима материјала. Исто тако је потребан и висок ступањ савршености кристалне решетке због тога што се грешке у кристалној структури уплићу у полуводичка својства материјала. Грешке у кристалној решетци су главни узрок мањкавости полуводичких уређаја. Што је већи кристал то је теже постићи потребно савршенство. Данашњи процеси масовне производње користе кристалне шипке промјера између 10 и 300 мм које се обликују као ваљци и режу се у wафере (танке кришке).
Тражена чистоћа и перфекција полуводичких материјала
[уреди | уреди извор]Због тражене разине кемијске чистоће и перфекције у кристалној структури које су потребне за производњу полуводичких елемената, развијене су специјалне методе за производњу почетних полуводичких материјала. За постизање високе чистоће користи се техника узгоја кристала која користи Цзоцхралски-јев процес. Додатни корак који се користи за даљње повећање чистоће је познат као зонско чишћење. Код зонског чишћења се омекшава дио тврдог кристала. Нечистоће се настоје концентрирати у омекшано подручје, док се жељени материјал поновно кристализира остављајући чврсти материјал чишћим и с мање грешака у решетци.
