Halvleiar

Skjematisk framstilling av Bohr-modellen for eit silisiumatom, som har tre skal og fire elektron i valensskalet.

Bandgap for leiar, halvleiar og isolator.

Halvleiarar er materiale som berre i noko grad leier elektrisk straum. Dei kan difor sjåast på som ein mellomting mellom leiarar og isolatorar. Halvleiarmateriale vert nytta for å laga diodar og aktive komponentar som transistorar og tyristorar, solseller osb. Det finst mange materiale som vert klassifiserte som halvleiarar, men berre nokre få av desse vert nytta for å laga elektonikkomponentar. Tidlegare vart germanium nytta, men i dag er dei aller fleste halvleiarkomponentar laga av silisium. Nokre få høgfrekvenskomponentar vert laga av gallium-arsenikk (GaAs).

Bohr-modellen

Bohr-modellen er ein tidleg og noko forenkla modell, men han kan likevel nyttast for å forklara korleis halvleiarar fungerer på eit elementært nivå. I Bohr-modellen går elektrona til eit atom i banar, kalla skal, rundt kjernen. Til større avstand det er frå kjernen i atomet til eit elektron, di større energi har elektronet. Kvanteteorien syner at elektron berre kan ha diskrete energinivå, så det er eit energigap mellom dei ulike banane som elektrona går i. Skal n kan maksimalt ha $2n^{2}$ elektron, så skal 1 kan maksimalt ha $2\cdot 1^{2}=2$ elektron, skal to kan ha maks $2\cdot 2^{2}=8$ elektron, skal tre kan ha maks $2\cdot 3^{2}=18$ elektron og så vidare. Koppar, som er ein god leiar har 29 elektron, 2 i skal 1, 8 i skal 2 og 18 i skal 3, slik at det berre er eit elektron i skal 4 (valensskalet). Atoma i metall er plasserte i ein krystallstruktur og på grunn av at tiltrekkingskrafta mellom kjernen og det eine elektronet i det ytre skalet har svært liten er ikkje dei einslege elektrona i det yste skalet, kalla valensskalet, låst til ein kjerne, men flyt fritt rundt i krystallet, i leiarskjiktet. Det er denne eigenskapen som gjer desse materiala til gode leiarar. Isolatorar, derimot har mange elektron i valensskalet og energien som skal til for å frigjera dei frå atoma er svært stor.

Bandgap

Halvleiarar, som germaium og silisium, har fire elektron i valensskalet og kan berre frigjerast ved å tilføra energi, anten i form av termisk energi, eller i form av elektromagensist stråling (foton). Germanium har 32 elektron i bane rundt kjernen, som fyller opp skal 1, 2 og 3, slik at dei siste fire elektrona hamnar i skal 4, som er valensskalet. Silisium, som har berre 14 elektron, har berre 3 skal og dei fire elektrona i valensskalet er i skal 3. Di elektro færre skal eit atom har i di meir energi trengst det for å frigjera elektrona for å løfta dei til leiarbandet. Valendsselektrona i silisium har difor ei sterkare binding til kjernen enn valenselektrona i germanium. Dette gjer at silisium er eit meir stabilt halvleiarmateriale enn germanium, noko som i sin tur fører til at diodar og transistorar har mykje mindre lekkasjestraumar. Figuren til høgre gjev ei grafisk samanlikning av energien som må tilførast for å løfta elt elektron frå valensskalet til leiarsjiktet. Denne energien vert kalla bandgapet. I leiarar overlappar valensskalet og leiarskjiktet, så det er ikkje noko bandgap. I isolatorar er bandgapet så stort at energien som skal til for å løfta elektronane frå valensskalet til leiarsjiktet så stor at materialet vert øydelagt. I halvleiarar kan elektronane tilførast løftast gjennom bandgapet ved at dei får tilført energi frå termisk ekitasjon, frå elektromagnetisk stråling, eller frå ei ytre kjelde som set opp eit elektrisk felt i materialet.

Kovalente bindingar

Halvleiarmateriale er som oftast krystallar og atoma plasserer seg slik i høve til kvarandre at dei fire elektrona i valensskalet vert delt med naboatom, slik at atoma delen ein av dei fire elektrona i valensskalet med eit naboatom. Etter som det er fire elektron i valensskalet oppstår det fire slike kovalente bindingar til fire naboatom. Det er desse bindingane som bind atoma saman til ein krystallstruktur.

Termisk eksitasjon og elektron/hol-par

På grunn av termisk eksitasjon vert nokre elektron tilført nok energi til å verta rivne laus frå valensskalet. Dei vert då til frie elektron i leiarskiktet, samstundes som dei etterlet ein opning i den kovalente bindinga i krystallstrukturen. Denne opningene vert kalla eit hol og fører til ei positiv elementærlading. Frie elektron kan fylla desse hola og nøytralisera ladningane. Men nye elektron/hol-par oppstår heile tida. Det er desse elektron/hol-para som fører til lekasjestraum i diodar og transistorar. Leakasjestraumen akukar med temperaturen til materialet. På grunn av at germanium har mykje svakare binding mellom elektrona i valensskalet og atomkjernene vert det rive laus mange fleire elektron enn i silikon, så germainumkomponentar har mykje større lekasjestraum enn silokonkomponentar. Dei aller fleste halvleiarkomponentane bert difor laga av silisium.

Dopa halvleirarar

Dopa halvleiarar er halvleiarmateriale som er tilsett framande atom på ein kontrollert måte. Dette fører til ei drastisk endring av dei elektriske eigenskapane til materialet.

n-type halvleiarar

n-type halvleiarar er halvleiarmateriale som er tilsett atom med fem elektronar i valensskalet (pentavalente atom), slik at det vert eit elektron til overs. Arsenikk, fosfor, antimon og vismut er typiske dopingmateriale med fem elektron i valensskalet. Når atoma dannar kovalente bindingar vert det i nokre av dei kovalente bindingane eit elektron til overs som ikkje er bunde til atoma i krystallet. På grunn av at det vert avgjeve eit elektron vert pentavalente donoratom kalla donoratom. Desse elektrona dannar frie elektron i leiarsjiktet. På grunn av at elektrona har negativ ladning vert det overskot på negative ladiningar som gjer at materialet leier straum. Det finst òg nokre elektron/hol-par på grunn av termisk eksitasjon, men det er mange fleire frie elektron enn elektroon/hol-par, så desse frie elektrona vert kalla majoritetsbærarar. Tilsvarande vert hol som oppstår på grunn av termisk eksitasjon kalla minioritsbærarar.

p-type halvleiarar

Eit akseptoratom dannar ei positiv lading (eit hol) i den kovalente bindinga i eit silisiumkrystall.

p-materiale vert danna ved at det vert tilført framande atom med tre elektron i valensskalet (trivalente atom). Dette fører til at nokre av dei kovalente bindingane manglar eit elektron og det oppstår eit hol i den kovalente bindinga i krystallet. Desse hola i dei kovalente bindingane kan absorbera eit elektron. Trivalente donoratom vert difor kalla akseptoratom. Bor, indium og gallium er typiske akseptoratom. Når elektron hoppar frå hol til hol i materialet oppstår det ein elektrisk straum. Det finst òg nokre elektron/hol-par på grunn av termisk eksitasjon, men det er mange fleire positive ladningar (hol) enn elektroon/hol-par, så desse hola vert kalla majoritetsbærarar. Tilsvarande vert frie elektron danna på grunn av termisk eksitasjon kalla minioritsbærarar. Majoritetsbærarar i p-materiale er minoritetsbærarar i n-materiale og vise versa.

Kjelder

• Millman, J. og Grabel, A., Microelectronics, 2. utg., McGraw-Hill, 1987.
• Floyd, T.L., Electronic devices, 9. utg., Pearson, 2012.

Sjå òg

• pn-overgang