STRUKE:

poluvodiči

poluvodiči, materijali kojima je električna provodnost manja od provodnosti vodiča, a veća od provodnosti izolatora. Primjena poluvodiča u elektronici osniva se na mogućnosti promjene električne provodnosti u širokim granicama, bilo promjenom sastava materijala, bilo primjenom vanjskih utjecaja.

Električna svojstva poluvodiča određuje njihova atomska struktura. Na temperaturi apsolutne nule (= 0 K) valentni elektroni, elektroni s najvećim energijama u atomima poluvodiča, popunjavaju sve energije valentnoga pojasa elektronskih energijskih stanja i vezani su za matični atom.

S porastom temperature raste energija elektrona. U vodiču se valentni i vodljivi pojas preklapaju, pa je broj slobodnih elektrona koji vode električnu struju vrlo velik. U poluvodičima i izolatorima valentni i vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja odvojeni su zabranjenim pojasom s energijama koje elektroni ne mogu poprimiti. Oslobađaju se samo oni elektroni koji imaju dovoljno energije da preko zabranjenoga pojasa prijeđu u vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja. Širina zabranjenoga pojasa u izolatorima toliko je velika da u vodljivom pojasu elektronskih energijskih stanja gotovo nema elektrona. Elektroni ostaju vezani za matične atome i u izolatorima nema nosilaca električne struju.

U poluvodičima je širina zabranjenoga pojasa elektronskih energijskih stanja manja. Na sobnoj temperaturi, vrlo mali, ali nezanemariv broj elektrona ima dovoljnu energiju da se oslobodi matičnog atoma i iz valentnoga preskoči u vodljivi pojas elektronskih energijskih stanja. Elektroni u vodljivom pojasu slobodno se gibaju unutar poluvodiča i mogu voditi električnu struju. U atomima koje su elektroni napustili nastaju praznine (nazivaju se šupljinama) koje mogu popunjavati elektroni susjednih atoma, ostavljajući pritom šupljine u atomima iz kojih dolaze, pa se šupljine gibaju kao pozitivno nabijeni elektroni. Uz kretanje slobodnih elektrona kroz materijal, uspostavlja se i kretanje elektrona preko šupljina. Niz prelazaka elektrona preko šupljina može se jednostavnije promatrati kao kretanje šupljina u suprotnome smjeru. Slobodni elektroni i šupljine zajedničkim se imenom nazivaju nositeljima naboja. U poluvodiču bez primjesa jednak je broj slobodnih elektrona i šupljina.

U elektronici silicij je najčešće korišteni poluvodički materijal. Atomi silicija imaju po četiri valentna elektrona. Vežu se međusobno u dijamantnu kristalnu strukturu, s rasporedom u kojem je svaki atom okružen s četiri susjedna atoma. Snažna kovalentna veza među atomima temelji se na stvaranju elektronskih parova, a pritom svaki atom dijeli svoje valentne elektrone s četiri susjedna atoma.

Čisti ili intrinsični poluvodiči sastoje se samo od atoma osnovnoga materijala, tj. samo od istovrsnih atoma. U takvu se poluvodiču elektroni i šupljine stvaraju u parovima, pa je koncentracija slobodnih elektrona u vodljivome pojasu jednaka koncentraciji šupljina u valentnome pojasu. Zbog toga je i električna provodnost čistoga silicija mala (σ = 1,56 mS/m) i graniči s električnom provodnošću izolatora. S porastom temperature, koncentracije nositelja električnoga naboja eksponencijalno rastu i električna se provodnost čistoga poluvodiča povećava.

Nositelji električnog naboja mogu se u poluvodiču stvarati i apsorpcijom optičkog ili, općenitije, elektromagnetskog zračenja (fotogeneracija nositelja). Obrnuto, zarobljivanjem slobodnog elektrona u nepopunjenu valentnu vezu, tj. njegovim vraćanjem iz vodljivoga pojasa u valentni, oslobađa se energija zračenja. Ti se učinci koriste u pretvorbi električne u optičku energiju i obrnuto.

Primjesni ili ekstrinsični poluvodiči nastaju dopiranjem, tj. dodavanjem primjesa željenih svojstava u čisti poluvodič. Primjese koje mijenjaju električnu provodnost atomi su elemenata s valencijom za jedan većom ili manjom od atoma poluvodiča. Za silicij su takve primjese atomi peterovalentnih ili trovalentnih elemenata. Ako se u strukturu čistoga poluvodiča ugrade atomi peterovalentnih elemenata (npr. fosfora, arsena ili antimona), tada se njihova četiri valentna elektrona kovalentno vežu s elektronima četiriju susjednih silicijevih atoma. Peti valentni elektron slabo je vezan, na sobnoj se temperaturi oslobađa i ulazi u vodljivi pojas. Takvi peterovalentni atomi koji daju elektrone nazivaju se donori. Poluvodiči dopirani donorima imaju mnogo elektrona, kojima koncentracija n odgovara koncentraciji donora, a malo šupljina. Ako se, međutim, kao primjese koriste atomi trovalentnih elemenata (npr. bor), tada tri valentna elektrona sudjeluju u kovalentnoj vezi sa susjedna tri silicijeva atoma, a veza s četvrtim silicijevim atomom ostaje nepopunjena. Nju popunjava elektron susjednog atoma, čime nastaje šupljina. Takvi trovalentni atomi koji primaju elektrone nazivaju se akceptori. Poluvodiči dopirani akceptorima imaju mnogo šupljina, kojima koncentracija p odgovara koncentraciji akceptora, a malo elektrona. Od dva moguća tipa slobodnih nositelja naboja (elektroni i šupljine), većinskim se naziva onaj nositelj kojega u poluvodiču ima više. Poluvodiči u kojima su većinski nositelji naboja elektroni nazivaju se poluvodičima n-tipa, a poluvodiči u kojima su većinski nositelji naboja šupljine poluvodičima p-tipa.

Silicij se kontrolirano dopira u širokim granicama, s koncentracijama primjesa od 1014 do 1021 atoma/cm³. Razmjerno koncentracijama primjesa, mijenja se i koncentracija većinskih nositelja. Posljedica je toga promjena električne provodnosti silicija od 10² do 106 S/m. Poput vodiča, primjesni se poluvodiči odlikuju negativnim temperaturnim koeficijentom električne provodnosti.

Elementarni poluvodički materijali su oni u kojima su svi atomi iste vrste, kao što su to elementi silicij i germanij. U početku je najzastupljeniji poluvodički materijal bio germanij a danas je u elektronici najčešći poluvodički materijal silicij, i to zbog svojega prikladnog temperaturnog područja, niske cijene, jednostavnosti i uvedenosti tehnoloških procesa te prihvatljivih radnih brzina. U siliciju se izrađuje najveći broj poluvodičkih elektroničkih elemenata, ali i najsloženiji integrirani sklopovi. Najčešće se rabi u obliku monokristala, a katkad i kao polikristal (za izradbu elektroda pojedinih elemenata) te kao amorfni silicij (za izradbu sunčanih baterija).

Složeni poluvodički materijali uglavnom su binarni, i to građeni od spojeva trovalentnih i peterovalentnih elemenata (tzv. III–V poluvodiči), odnosno dvovalentnih i šesterovalentnih elemenata (II–VI poluvodiči). Primjeri su prve vrste galijev arsenid (GaAs), galijev fosfid (GaP), indijev fosfid (InP) i indijev antimonid (InSb), a primjeri druge vrste kadmijev sulfid (CdS) i cinkov sulfid (ZnS). Često im se dodaje i malena količina trećeg elementa, čime nastaju ternarni poluvodički materijali, npr. aluminij-galij-arsenid (AlxGa1–xAs). Pritom x označuje udjel u kojem, u galijevu arsenidu, aluminijevi atomi zamjenjuju galijeve atome. Galijev arsenid ponajviše se rabi za poluvodičke elemente velikih brzina. U tom se materijalu izvode i manje složeni, ali vrlo brzi integrirani sklopovi. Uz ostale složene poluvodičke materijale, služi i za izradbu fotoelektroničkih elemenata.

poluvodiči. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 15.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=49299>.