Hálfleiðari

Hálfleiðarar eru efni sem hafa rafeindaskipan sem veldur því að eðlisleiðni í hálfleiðandi efni eykst með hækkandi hitastigi upp að ákveðnu marki. Hægt er að fá fram ýmsa gagnlega eiginleika með því að blanda öðrum efnum við hreinan hálfleiðara með ákveðnum aðferðum en það kallast dópun. Hagnýting hálfleiðara byggir á þessum eiginleikum. Efni sem ekki eru hálfleiðarar flokkast ýmist sem leiðarar eða einangrarar. Munurinn á hálfleiðurum og einangrurum er stigsmunur. Við mjög hátt hitastig fara einangrarar að sýna þá eiginleika sem hálfleiðarar sýna í kringum herbergishita.

Grunnatriði í eðlisfræði hálfleiðara

Eiginleikar hálfleiðara byggjast á ákveðnu bili milli leyfilegra orkuástanda fyrir rafeindir í hálfleiðarakristalli. Þetta bil kallast orkugeil. Öll ástönd fyrir neðan þetta bil eru full af rafeindum og öll ástönd fyrir ofan það eru laus, fyrir utan tiltölulega fáar rafeindir sem stökkva yfir bilið fyrir tilstilli varmaorku. Þessar rafeindir geta leitt rafstraum í gegnum kristalinn. Þegar hitastigið hækkar, eykst fjöldi rafeinda sem hafa nógu mikla varmaorku til að stökkva yfir bilið og þess vegna eykst eðlisleiðnin. Með því að blanda litlu magni af öðrum efnum (þetta kallast að íbæta hálfleiðarann og aukaefnin kallast íbæting) er hægt að bæta við aukarafeindum sem halda sig stöðugt fyrir ofan orkugeilina. Þá kallast efnið n-efni. Með því að íbæta með annars konar efnum er hægt að búa til holur fyrir rafeindir fyrir neðan orkugeilina. Þá er talað um p-efni. Hvort fyrir sig eykur leiðnina, en ekki er hægt að gera hvort tveggja í einu. Virkni hálfleiðaratóla byggist að miklu leyti á samskeytum milli p-efnis og n-efnis.

Hálfleiðandi efni

Þrjú frumefni eru hálfleiðarar á hreinu formi. Þau eru germaníum, kísill og kolefni í formi demants. Þau eru öll í sömu lotu í lotukerfinu. Aðrir hálfleiðarar eru efnasambönd. Dæmi um slík eru Ga As, GaSb og InAs. Mikilvægasti hálfleiðarinn er án efa kísill. Kostir hans eru að hann er frumefni og hefur hærra bræðslumark en germaníum auk þess sem auðveldara er að hreinsa hann. Aðrir hálfleiðarar eru notaðir í sérhæfð tól s.s. ljósdíóður og hálfleiðaraleysa.

Notkun hálfleiðara

Hálfleiðarar tóku við hlutverki rafeindalampa í rafeindatækni eftir því sem leið á seinni helming 20. aldarinnar og nútíma rafeindatækni byggir nánast alfarið á því að hagnýta eiginleika hálfleiðara. Einföldustu hálfleiðaratólin, eða hlutirnir sem hægt er að búa til úr hálfleiðara, kallast díóður og transistorar. (Á íslensku heita þau tvistar og smárar, en íslensku nöfnin hafa aldrei náð að festa sig í sessi.) Tölvukubbar, þ.m.t. örgjörvar eru framleiddir úr kísli og í raun má líta svo á að þeir séu fjölmargir transistorar sem tengjast saman. Úr ákveðnum hálfleiðurum eru framleiddar ljósdíóður og leysidíóður sem geisla frá sér ljósi þegar straumur fer um þær. Hálfleiðarar eru einnig notaðir sem ljósskynjarar þar sem leiðni hálfleiðara eykst þegar á hann skín ljós.

Saga hálfleiðaratækni

Fyrsta notkun hálfleiðara var í svokölluðum kristalviðtækjum fyrir útvarp, en þau komu fram í kringum aldamótin 1900. Þau byggðust á díóðu sem var þannig gerð að með þar til gerðu skafti potaði hlustandinn málmprjóni í hálfleiðarakristal þangað til tækið fór að virka. Þá virkaði tækið í einhvern ófyrirsjáanlega langan tíma og svo þurfti að endurtaka þetta. Á þessum tíma var ekki til eðlisfræðileg útskýring á hvernig díóðan virkaði. Með tilkomu lampaviðtækja urðu kristaltækin úrelt, en nær hálfri öld síðar, í seinni heimstyrjöldinni, vaknaði aftur áhugi á þessari gömlu tækni vegna þess að ratsjártæknin var að ryðja sér til rúms og í ljós kom að kristallarnir hentuðu betur en lampadíóður við þær háu tíðnir sem best hentuðu ratsjánni. Þá var leitað leiða til að búa til transistor og það heppnaðist árið 1947 í Bell Laboratories í Bandaríkjunum. Uppfinningin er eignuð John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley.

Tengill

„Hvað er hálfleiðari?“. Vísindavefurinn.