Jsou uprostřed. Ne tak docela vodič, jako měď, a ne tak docela izolant, jako guma. Tento „meziprostor“ dělá z polovodičových materiálů základ každého zařízení, kterého se dnes dotýkáme.
Bez těchto krystalických pevných látek bychom neměli v kapsách chytré telefony, servery, které pohánějí internet, ani elektrická auta na cestách. Na nich jsou založeny diody, tranzistory a integrované obvody. Jsou malí. Jsou spolehliví. A hlavně: neplýtváte spoustou energie.
Mezera ve vodivosti
Materiály obecně spadají do tří kategorií.
Izolátory blokují elektřinu. Vezměte si například tavený křemen nebo sklo. Jejich vodivost je neuvěřitelně nízká, obvykle se pohybuje od 10^{-18}$ do 10^{-10}$ Siemens za centimetr. Vodiče, jako je hliník, umožňují tok proudu bez překážek. Jejich vodivost je vysoká, typicky mezi 10^4$ a 10^6$ Siemens na centimetr.
Polovodiče mezi nimi existují v chaotickém stavu.
Vodivost polovodiče není pevná. Ona se mění.
Tato variabilita je vlastnost, nikoli vada. Teplota. Světlo. Magnetická pole. I ty nejmenší nečistoty mohou radikálně změnit elektrickou vodivost polovodiče.
Vezměme si křemík. Je to nejběžnější polovodičový materiál. Čistý křemík není zvláště vodivý. Ale pokud přidáte jen hrstku atomů boru – asi 10 atomů boru na milion atomů křemíku – situace se úplně změní.
Tento malý přídavek, nazývaný také doping, zvyšuje elektrickou vodivost tisíckrát.
Proč je to důležité? Protože to umožňuje inženýrům vytvářet komponenty s přesnými, řízenými charakteristikami manipulace s výkonem. Můžete vytvořit tranzistory, které fungují jako spínače nebo zesilovače. Můžete vytvořit optické senzory, které detekují světlo. Můžete vytvořit pevnolátkové lasery, které vysílají přesné paprsky.
Tyto jednotlivé komponenty jsou užitečné. Ale jejich skutečná síla spočívá v integraci. Mohou být pevně zabaleny do mikroelektronických obvodů. Tato integrace umožňuje moderní výpočetní techniku. Mluvíme o složitých systémech, které se vejdou na čip ne větší než nehet.
Tato škálovatelnost pohání spotřebitelské a průmyslové trhy. Polovodiče jsou klíčovými prvky od zpracování signálu až po řídicí systémy. Jsou všude. A v dohledné době to tak zůstane.
Historie polovodičů začíná atomy. Na začátku 19. století začali badatelé studovat materiály nalezené mezi vodiči a izolátory. Nejjednodušší z nich jsou elementární. Skládají se pouze z jednoho typu atomu. Křemík (Si), germanium (Ge) a cín (Sn) patří do skupiny IV periodické tabulky prvků. Selen (Se) a telur (Te) jsou v šesté skupině.
Ale skutečný problém pramení ze spojení. Jsou to směsi dvou nebo více prvků. Gallium arsenid (GaAs) je binární sloučenina skupiny III-V. Kombinuje gallium ze skupiny III s arsenem ze skupiny V. Lze získat i složitější struktury. Třísložkové sloučeniny obsahují tři prvky. Telurid indium rtuti (HgIn2Te4) je příkladem sloučeniny skupiny II-III-VI. V některých případech se mohou skládat pouze ze dvou skupin. Arsenid hliníku a galia (AlGaAs) je ternární slitina skupin III-V. Hliník a gallium jsou oba ve třetí skupině. Poměr závisí na složení. Pokud je index x 1, jedná se o čistý hliník. 0 znamená čisté galium.
Čistý křemík je stále králem integrovaných obvodů. Z hlediska luminiscence však dominují binární a ternární sloučeniny skupiny III-V.
Přechod z germania na křemík
Před rokem 1947 byly polovodiče jednoduché. Jednalo se o dvoupinová zařízení. Používají se jako rovnačky. Nebo jako fotodiody. Pak se objevil bipolární tranzistor. Tohle všechno změnilo.
Na počátku 50. let bylo germanium materiálem volby. Pracoval. Ale měl chybu. Zařízení vyrobená z germania měla příliš velký svodový proud. I při mírných teplotách byl únik v mnoha aplikacích nepřijatelný.
Křemík se na scéně objevil na počátku 60. let. Rychle nahradilo germanium. Důvody byly praktické. Za prvé, křemíková zařízení mají mnohem nižší svodové proudy. Za druhé, oxid křemičitý (SiO2) se snadno tvoří na povrchu křemíku. Tvoří vysoce kvalitní izolaci. To zjednodušuje výrobu.
Dnes je technologie křemíku všude. Křemíková zařízení tvoří více než 95 procent všech polovodičových produktů po celém světě.
Světlé body polovodičových spojů
Křemík je univerzální. Nehodí se však pro všechny úkoly. Mnoho polovodičových sloučenin má elektrické a optické vlastnosti, které křemík nemůže replikovat. Nejvýraznějším příkladem je arsenid galia. Lépe zvládá světlo a určité rádiové frekvence.
To je důvod, proč běžné počítačové procesory GaAs nepoužívají. Lze jej nalézt v oblasti optoelektroniky. Používá se v radiofrekvenčních aplikacích. Na těchto specializovaných trzích se stávají zřejmými omezení křemíku.
Jak výběr materiálu určuje výkon zařízení
Výběr materiálu není jen akademická záležitost. Definuje, co zařízení v praxi umí. Pokud potřebujete zpracovávat data, řešením je křemík. Pokud potřebujete vyzařovat světlo nebo vysílat vysokofrekvenční signály, budete hledat jinde.
Toto rozdělení vysvětluje moderní obraz polovodičů. Objemově dominuje jeden materiál. Jiní dominují výkonu v určitých oblastech. Fyzikální vlastnosti atomů určují použití.
Jak atomy tvoří křemíkovou páteř
Polovodiče jsou založeny na monokrystalech. Atomy jsou uspořádány v husté trojrozměrné síti. V čistém křemíku je tato struktura téměř bezchybná.
Podívejte se na zjednodušený 2D řez tohoto krystalu. Každý atom křemíku je obklopen čtyřmi sousedy. Má čtyři vnější elektrony. Sdílí je. Každý společný pár tvoří kovalentní vazbu. Přitažlivost mezi elektrony a jádry drží mřížku pohromadě.
Izolované atomy se chovají odlišně. Mají oddělené energetické úrovně. Když spojíte mnoho atomů do krystalu, tyto úrovně se rozšíří. Proměňují se v energetické zóny.
Bandgap bariéra
Důležitá je teplota. Při absolutní nule, bez tepelných vibrací, elektrony zcela vyplní určité zóny. Nejlidnatější pásmo je valenční pásmo. Nad ním je vodivá zóna.
Je mezi nimi mezera. Zakázaná oblast. Elektrony zde nemohou existovat. V dielektriku je tato mezera obrovská. U polovodičů je to méně. Tato zakázaná zóna určuje chování materiálu.
Nejužitečnější polovodiče se pohybují od 0,25 do 2,5 elektronvoltů. Křemík – 1,12 eV. Gallium arsenid – 1,42 eV. Diamant, ideální dielektrikum, má hodnotu až 5,5 eV. Velikost této mezery určuje, jak snadno proud protéká.
V čistém polovodiči při nízkých teplotách jsou elektrony „uzamčeny“. Jsou ve svých energetických zónách a nejsou schopny vést elektrický proud. Vytápění mění situaci. Tepelné vibrace mohou přerušit kovalentní vazby a uvolnit elektrony, které mohou přenášet elektřinu. Uvolněním elektronu však za sebou zůstane neobsazená pozice.
Toto prázdné místo se nazývá „díra“.
Díry se chovají jako fiktivní částice s kladným nábojem. Pohybují se opačným směrem než elektrony. Když je aplikováno elektrické pole, jak volné elektrony ve vodivém pásu, tak otvory ve valenčním pásu se pohybují krystalem. Tento dvojitý pohyb vytváří elektrický proud. Vodivost závisí na dvou faktorech: hustotě těchto nosičů náboje a jejich pohyblivosti.
V vlastním polovodiči se počet volných elektronů rovná počtu děr. Pohybují se však různou rychlostí. Mobilita elektronů je obecně vyšší. Vezmeme si vlastní křemík při pokojové teplotě. Elektrony se pohybují rychlostí 1500 cm²/(V s) a díry zaostávají rychlostí 500 cm²/(V s). Obecně platí, že s rostoucí teplotou klesá mobilita elektronů i děr.
Čistý křemík špatně vede proud při pokojové teplotě. Aby to výrobci napravili, legovali je. Přinášejí nečistoty v koncentracích asi jedna část na milion. Vznikne tak nečistotný polovodič. Doping výrazně zvyšuje vodivost, i když mírně snižuje mobilitu nosiče.
Vytváření materiálů typu n a p
Doping se provádí výměnou atomů.
Když je atom křemíku nahrazen pentalentním atomem, jako je arsen, čtyři z jeho pěti vnějších elektronů tvoří vazby se sousedními atomy křemíku. Pátý elektron zůstává volný. Jde do vodivého pásma. Vznikne tak polovodič typu n. Arsen je dárcem. Daruje elektrony.
Pokud nahradíte křemík trojmocným atomem, jako je bor, má pouze tři vnější elektrony. K vytvoření stabilních kovalentních vazeb potřebuje čtvrtý elektron. Chytá elektron z blízké vazby. To vytváří díru ve valenčním pásu. Vznikne tak polovodič typu p. Bór působí jako akceptor.
p-n křižovatka
Tam, kde se setkávají materiály typu n a typu p, se děje něco zajímavého.
Diodový efekt a porucha přechodu
Když se typ nečistoty uvnitř monokrystalu náhle změní z p-typu (akceptory) na n-typ (donory), vytvoří se p-n křižovatka. Zde se odehrává „kouzlo“. Na straně p jsou hlavními nosiči náboje otvory, tzv. majoritní nosiče. Zůstávají tam také některé tepelně generované elektrony, které působí jako menšinové nosiče. Na straně n je situace opačná: elektrony dominují a díry jsou menšinovými nosiči.
Vrstva vyčerpání (oblast prostorového náboje) se nachází přímo na rozhraní. Volné nosiče náboje jsou z této oblasti odstraněny, čímž se přechod účinně promění v izolátor. Toto je „mrtvá zóna“, dokud procesy nespustí vnější stres.
Usměrnění: jak proud teče jedním směrem
Definující vlastností p-n junction je rektifikace. To umožňuje, aby proud snadno procházel jedním směrem a byl blokován v jiném. Podívejte se na charakteristiku proudového napětí křemíkového p-n přechodu : je nelineární. Je „tvrdohlavá“.
Pokud je aplikováno stejnosměrné napětí – kladné na straně p, záporné na straně n – bariéra je zničena. Většina hlavních dopravců přechodem spěchá. Proud teče volně. Jen.
Reverzní zkreslení? V tomto případě se protiklady nepřitahují, ale odpuzují. Nosiče náboje se vzdalují od křižovatky a vrstva vyčerpání se zvyšuje. Prochází jím jen malý svodový proud. Lze je zanedbat. Dokud jím nepřestane být.
Pochopení průrazného napětí
Při použití zpětného předpětí zůstává svodový proud konstantní. Tedy dokud nedosáhnete kritického prahu. Přechod je zničen. Proud se náhle zvýší.
Toto porucha křižovatky je často neškodná, pokud ovládáte ztrátu energie. Nenechte to přehřát a dioda to přežije. Toto není odmítnutí; toto je limit.
Propustné napětí potřebné k zapnutí pn přechodu je obvykle menší než jeden volt. A co zpětné průrazné napětí? Velmi se liší. Některá zařízení mají méně než jeden volt, jiná tisíce voltů. Koncentrace nečistot a parametry zařízení určují, kde je tato hranice nakreslena.
Proč je to důležité?
Možná si myslíte, že pn junctions jsou jen abstraktní fyzika. To je špatně. Jsou základem moderní elektroniky. Ačkoli existují složitější struktury, jako jsou p-n-p a n-p-n tranzistory, všechny jsou založeny na základním chování jednoduchého p-n přechodu.
Bez tohoto jednosměrného ventilu nedojde k narovnání. Žádná stabilizace. Neexistovaly by žádné integrované obvody, které by napájely vše od telefonů po rozvodné sítě. Jedná se o jednoduchou strukturu. Jasná hranice. Ale ona všechno mění.
Stále posouváme hranice toho, jak tenké mohou být tyto vrstvy, jak rychle se mohou přepínat a jak velkému napětí mohou odolat před rozpadem. Fyzika se nezměnila, ale aplikace se neustále rozšiřují. Odkud přijde další průlomový objev?
