Полупроводник ?е матери?ал ко?и има нека сво?ства проводника и сво?ства изолатора . У зависности од услова у ко?има се налази као и од примеса т?. нечисто?а у ?ему, могу преовладати сво?ства проводника односно изолатора. ^[1]

Величина ко?а карактерише полупроводне матери?але ?е енергетски процеп. Енергетски процеп ?е разлика изме?у валентног и проводног нивоа атома ко?и сачи?ава?у полупроводни матери?ал и представ?а енерги?у потребну да електрон из валентног нивоа пре?е у проводни ниво, т?. да напусти матични атом. ?единица ко?а се у пракси користи за карактеризаци?у енергетског процепа ?е електронволт (eV). Полупроводни матери?али има?у енергетски процеп од неколико електронволти до неколико десетина електронволти.

На ниским температурама електрони у валентном нивоу нема?у дово?ну енерги?у да савлада?у енергетски процеп тако да су сви везани за атоме па се тада чист полупроводник понаша као изолатор. Ме?утим ве? на собно? температури ?едан део електрона на валентном нивоу има дово?ну енерги?у да савлада енергетски процеп и пре?е на проводни ниво т?. да напусти матични атом . Када електрон напусти атом на ?еговом месту оста?е упраж?ено место ко?е називамо шуп?ина а цео атом представ?а позитиван ?он . На ова? начин долазимо до по?ма носиоца наелектриса?а у полупроводнику. Наиме код проводника носиоци наелектриса?а су слободни електрони. Ме?утим иако у чисто физичком смислу исто важи и за полупроводнике код ?их ради лакшег об?аш?ава?а процеса ко?и се дешава?у унутар полупроводника уводимо и шуп?ине као носиоце наелектриса?а ко?е за?едно са електронима учеству?у у прово?е?у електричне стру?е .

Електрони су, као што ?е познато, негативна наелектриса?а па ?их зовемо негативним носиоцима наелектриса?а, док су шуп?ине места на ко?има се заправо налази позитиван ?он па ?их називамо позитивним носиоцима наелектриса?а. Концентраци?у позитивних носилаца означи?емо латиничним словом p а концентраци?у негативних носилаца са латиничним словом n . Код чистог полупроводника сваки слободан електрон остав?а за собом шуп?ину тако да ?е код чистих полупроводника p = n концентраци?а слободних електрона ?еднака концентраци?и шуп?ина. Чисти полупроводници представ?а?у тек полазну основу у изради електронских компоненти. ^[2]

Чистим полупроводницима се дода?у примесе (нечисто?е) како би добили полупроводнике p односно n типа. Процес у коме се чистом полупроводнику дода?у примесе назива се допира?е .

Начин рада полупроводника [ уреди | уреди извор ]

Како би било ?асни?е делова?е полупроводника може се размотрити стаклени спремник напу?ен дестилисаном водом. Уколико се пар електрода урони у воду и ако се на ?их спо?и ?едносмерни напон (нижи од напона потребног за електролизу) не?е поте?и стру?а због тога што дестилована вода нема носиоца набо?а. Стога ?е дестилисана вода изолатор. Раствори ли се у води мала количина кухи?ске соли почи?е да тече стру?а, због тога што су ослобо?ени покретни носиоци ( ?они ). Пове?ава?ем концентраци?е соли пове?ава се и провод?ивост, али не знача?но. Суви кристали соли нису провод?иви због тога што су покретни носиоци набо?а зароб?ени у кристалима.

Потпуно чист кристал силици?ума ?е изолатор, али када ?е зага?ен нпр. арсеном (поступак се назива допира?е), али незнатно зага?ен како кристална решетка не би била потпуно раскинута, тада нечисто?а преда?е (донира) слободне електроне и омогу?ава провод?ивост. То се дога?а због тога што атоми арсена има?у пет електрона у сво?о? спо?аш?о? ?усци, док их атом силици?ума има само четири. Провод?ивост ?е могу?а зато што су уведени слободни носиоци набо?а, у овом случа?у ?е формиран силици?ум n-типа, n због негативног наелектриса?а електрона.

Друга вари?анта ?е да се силици?ум допира са бором чиме се ствара силици?ум p-типа ко?и ?е исто тако провод?ив. Због тога што бор у спо?аш?о? ?усци има само три електрона наста?е нова врста носиоца набо?а, звана шуп?ина , ко?а се формира у кристално? решеци силици?ума.

С друге стране, у вакуумско? цеви се носиоци набо?а (електрони) одаши?у због термичке емиси?е из катоде загре?аване жичаном нити. Стога, вакуумске цеви не могу произвести шуп?ине (позитивне носиоце набо?а).

Уоч?иво ?е да се носиоци набо?а истог поларитета одби?а?у ?едан од другог, стога су при непосто?а?у силе они случа?но расподе?ени по полупроводничком матери?алу. Ипак, у ненапа?аном биполарном транзистору (или спо?но? диоди) носиоци набо?а насто?е да мигрира?у ка P-N спо?у, због привлачне силе ко?у узроку?у ?ихови супротни набо?и с друге стране спо?а.

Пове?а?ем нивоа допира?а пове?ава се и провод?ивост полупроводника, под условом да кристална решетка углавном остане неоште?ена. Код биполарног транзистора емитер ?е ?аче допиран у односу на базу. Однос нивоа допира?а емитер/база ?е ?едан од главних фактора ко?и одре?у?у стру?но по?ача?е спо?ног транзистора. ^[3]

Ниво допира?а ?е екстремно низак: реда неколико делова на сто милиона, и то ?е к?уч делова?а полупроводника. У металима ?е бро? носиоца екстремно висок: ?едан носилац набо?а по атому. Код метала, како би се знача?ан део запремине матери?ала претворио у изолатор, носиоци набо?а мора?у бити издво?ени из метала кориште?ем напона. Код метала ?е та вредност напона астрономска; више ?е него дово?на да уништи метал пре него што га претвори у изолатор. Али код слабо допираних полупроводника посто?и само ?едан слободни носилац набо?а на неколико милиона атома. Напонски ниво потребан за издва?а?е свега неколико носиоца набо?а из посматране запремине матери?ала се може ?едноставно пости?и. С друге стране, електрицитет у металима ?е нестиш?ив, као флуид, док се код полупроводника понаша као компримовани гас. Допирани полупроводници се могу врло брзо претворити у изолаторе, док се метали не могу.

Претходно ?е об?аш?ено во?е?е набо?а код полупроводника помо?у носиоца набо?а, било електрона било шуп?ина, али ?е бит делова?а биполарног транзистора да електрони/шуп?ине наизглед ствара?у забра?ени скок кроз осиромашени сло? у реверзно поларизираном спо?у база/колектор ко?и ?е контролисан напоном база/емитер. Иако транзистор налику?е на две спо?ене диоде, биполарни транзистор се не може ?едноставно направити као спо? две дискретне проводне диода спо?ене за?едно. За добива?е делова?а биполарног транзистора потребно ?е да се ?две диоде“ произведу на истом кристалу, и да физички деле за?едничко и екстремно танко подруч?е базе.

Теме?и физике полупроводника [ уреди | уреди извор ]

Валентни по?асеви полупроводника [ уреди | уреди извор ]

У ?езику физике полупроводника, полупроводници (и изолатори) се дефинишу као тела код ко?их на апсолутно? нули (0 K ), на?гор?и ?е по?ас заузет ста?има енерги?а електрона, по?ас ?е познат као валентни по?ас, и потпуно ?е пун. Под условима апсолутне нуле, Ферми?еву енерги?у, или Ферми?ев ниво можемо замислити као енерги?у до ко?е су заузета сва дозво?ена ста?а електрона.

На собно? температури, посто?и одре?ено размазива?е дистрибуци?е енерги?а електрона, врло мали, али незанемарив бро? електрона има дово?ну енерги?у да пре?е забра?ени по?ас и у?е у вод?иви по?ас. Електрони ко?и има?у дово?но енерги?е да буду у вод?ивом по?асу су ослобо?ени ковалентне везе изме?у суседних атома унутар тела, и слободно се могу мицати унутар тела матери?ала, и исто тако проводити набо?. Ковалентне везе из ко?их долазе ти узбу?ени електрони сада има?у ма?ак електрона, или шуп?ине ко?е се исто тако могу мицати наоколо. (Шуп?ина се као таква у ствари не помиче, али се суседни електрон може помицати тако да попуни шуп?ину, остав?а?у?и притом слободну шуп?ину на месту с ко?ег се помакнуо, и на та? се начин стиче утисак да се шуп?ине помичу.)

Важна разлика изме?у проводника и полупроводника ?е да код полупроводника помица?е набо?а ( стру?а ) омогу?ено помица?ем и електрона и шуп?ина. У супротности с тим код проводника Ферми?ев ниво лежи изме?у вод?ивог по?аса, па ?е такав по?ас само до пола попу?ен електронима. У том случа?у, електронима ?е потребна само мала количина енерги?е да на?у друго незаузето ста?е у ко?е ?е се помакнути, у ствари за ствара?е тока стру?е. ^[5]

Лако?а ко?ом електрони у полупроводнику могу бити премештени из валентног у вод?иви по?ас зависи од размака изме?у тих по?асева, исто ?е тако величина енерги?е изме?у вод?ивог и валентног по?аса та ко?а служи као произво?на граница ко?а одва?а полупроводнике од изолатора. Матери?али ко?и има?у енерги?у забра?еног по?аса (по?аса изме?у валентног и вод?ивог по?аса) испод приближно 3 електронволт (eV) се углавном сматра?у полупроводницима, док се они с ве?им енерги?ама забра?еног по?аса сматра?у изолаторима.

Електрони ко?и су преносници набо?а у вод?ивом по?асу су познати као слободни електрони , мада се често ?едноставно назива?у електрони ако контекст допушта такву ?асну употребу. Шуп?ине у валентном по?асу се понаша?у врло слично као позитивно наелектрисане копи?е електрона, и оне се обично третира?у као стварно наелектрисане честице.

Парови електрон-шуп?ине [ уреди | уреди извор ]

?онизира?у?е зраче?е ко?е удара у полупроводник врло често избацу?е електрон из ?еговог енергетског нивоа и као последицу остав?а шуп?ину. Такав процес ?е познат као ствара?е пара електрон шуп?ине . Корисни по?ам ?е ексцитон ко?и опису?е електрон и шуп?ину као за?едно везане у квазичестицу. Дета?и овог специфичног процеса код ко?ег се ствара пар електрон-шуп?ина нису ?ош дово?но добро познати, ипак, познато ?е да ?е просечна енерги?а потребна за ствара?е пара електрон-шуп?ина на задано? температури зависна од врсте и енерги?е ?онизира?у?ег зраче?а. Код силици?ума , та ?е енерги?а ?еднака 3,62 eV на собно? температури и 3,72 eV на 80 K.

Допира?е полупроводника [ уреди | уреди извор ]

?едан од главних разлога због ко?их су полупроводници корисни у електроници ?е та? да се ?ихова електроничка сво?ства ?ако добро могу ме?ати у контролисаном смеру додава?ем мале количине нечисто?а. Те се нечисто?е назива?у допанди. ?ако допира?е полупроводника може пове?ати ?егову провод?ивост за фактор ве?и од билион. У модерним интегрисаним колима , на пример, ?ако допирани поликристал силици?ума се често користи као замена за метале .

Интринсични и екстринсични полупроводници [ уреди | уреди извор ]

Интринсични полупроводник ?е полупроводник ко?и ?е дово?но чист да преостале нечисто?е незнатно утичу на електрична сво?ства. У том случа?у, сви носиоци су створени термалном или оптичком побудом електрона из попу?еног валентног по?аса у празни вод?иви по?ас. У интринсичном полупроводнику ?е присутан ?еднак бро? електрона и шуп?ина. У електричном по?у електрони и шуп?ине теку у супротним смеровима, премда они доприносе стру?и у истом смеру буду?и да су супротно наелектрисани. Код интринсичног полупроводника стру?а шуп?ина и стру?а електрона нису нужно ?еднаке, због тога што електрони и шуп?ине има?у различите ефективне масе (у кристалима, аналоги?а са слободним инерци?ским масама). ^[6]

Концентраци?а носиоца у интринсичном полупроводнику ?е ?ако зависна од температуре. На ниским температурама, валентни по?ас ?е потпуно попу?ен, чине?и матери?ал изолатором . Пове?а?е температуре доводи до пове?а?а бро?а носиоца што прати пове?а?е провод?ивости. Ово се сво?ство користи код термистора . Ово ?е понаша?е у потпуно? супротности у односу на ве?ину метала, ко?и има?у све ма?у вод?ивост на све ве?им температурама све до температуре распрше?а (на ко?о? метал поста?е плазма).

Екстринсични полупроводник ?е полупроводник ко?и ?е допиран с нечисто?ама како би се модификовао бро? и тип присутних слободних носиоца набо?а.

Полупроводник ко?и ?е допиран врло великим количинама нечисто?а, при чему ниво нечисто?а представ?а знача?ан део полупроводничких атома, назива се дегенераци?а . Дегенерисани полупроводник се понаша слично као проводник, а не више као полупроводник.

Допира?е n-типа [ уреди | уреди извор ]

Сврха допира?а n-типа ?е да се створи мноштво покретних електрона или електрона носиоца у матери?алу. Као помо? у разумева?у како се постиже допира?е n-типа може се размотрити на примеру силици?ума (Si). Атом силици?ума има четири валентна електрона, од ко?их ?е сваки ковалентно везан за ?едан од четири електрона суседног атома силици?ума. Ако се у кристалну решетку уместо атома силици?ума угради атом са пет валентних електрона (група V у периодном систему елемената, нпр. фосфор (P), арсен (As), или антимон (Sb)), тада ?е атом имати четири ковалентне везе и ?едан слободни електрон. ^[7] Та? ?едан слободни електрон ?е доста слабо везан за атом и лако се може побудити да пре?е у вод?иви по?ас. На уобича?еним температурама, сви су такви електрони привидно побу?ени у вод?иви по?ас. Буду?и да побу?ива?е таквих слободних електрона не резултира формира?ем шуп?ина, бро? електрона у таквом матери?алу далеко премашу?е бро? шуп?ина. У овом случа?у електрони су ве?ински носиоци , а шуп?ине су ма?ински носиоци . Због тога што петеровалентни атоми има?у додатне електроне за донира?е , они се назива?у атомима донорима (донорски атоми). Ни ?едан покретни електрон унутар полупроводника никад ни?е далеко од непокретног позитивно допираног ?она, и n-допирани матери?ал углавном има нето вредност електричног набо?а ?еднаку нули.

Допира?е p-типа [ уреди | уреди извор ]

Сврха допира?а p-типа ?е ствара?е мноштва шуп?ина . У случа?у силици?ума се у кристално? решеци надомешта тровалентни атом (као што ?е бор ). Резултат ?е да недоста?е ?една од четири ковалентне везе уобича?ене у решеци силици?ума. На та? начин атом допанда може прихватити електрон из атома везаног у суседну ковалентну везу за попу?ава?е четврте везе. Такви се допанди назива?у акцептори. Атоми допанда прихвата?у електроне, узроку?у?и недостатак ?едне везе са суседним атомом што резултира формира?ем шуп?ине . По?едина шуп?ина ?е повезана с околним негативно наелектрисаним ?оном допанда па полупроводник оста?е електрично неутралан као целина. ?едном кад ?е шуп?ина одлутала унутар решетке, ?едан протон у атому ?е бити изложен , на месту где ?е пре била шуп?ина, и не?е га више бити могу?е пребрисати другим електроном. Из тог разлога се шуп?ина понаша као носиоц позитивног набо?а. Када ?е додат дово?но велик бро? атома акцептора, бро? шуп?ина увелико надмашу?е бро? термално побу?ених атома. Због тога су у матери?алима p-типа шуп?ине ве?ински носиоци , док су електрони ма?ински носиоци . Плави ди?аманти (типа IIб), ко?и садрже бор (B) као нечисто?у, су пример природног наста?а?а p-типа полупроводника.

Концентраци?е носиоца [ уреди | уреди извор ]

Кад ?е полупроводник допиран, концентраци?а ?егових ве?инских носиоца ?е ве?а од концентраци?е интринсичких носиоца за фактор ко?и зависи од нивоа допира?а. Ипак, производ концентраци?а ве?инских и ма?инских носиоца и да?е оста?е ?еднак квадрату концентраци?е интринсичких носиоца. На пример, интринсички полупроводник на температури на ко?о? ?е концентраци?а носиоца (шуп?ина и електрона) ?еднака 10 ¹³ /cm ³ . Ако ?е полупроводник n-допиран на 10 ¹⁶ /cm ³ , тада ?е концентраци?а шуп?ина бити 10 ¹⁰ /cm ³ . То произилази из тога да ?е концентраци?а ма?инских носиоца у допираном полупроводнику зависна од температуре на квадрат мере концентраци?е носиоца у интринсичком полупроводнику, док ?е концентраци?а ве?инских носилаца практично фиксирана на нивоу одре?еном допира?ем.

Полупроводник n-типа [ уреди | уреди извор ]

Код полупроводника n-типа додате су донорске примесе. Донорска примеса има електрон вишка ко?и не учеству?е у везама са околним атомима полупроводника тако да се захва?у?у?и ?има ствара вишак негативних наелектриса?а у полупроводнику. Код полупроводника n-типа електрони представ?а?у ве?инске носиоце наелектриса?а а шуп?ине ма?инске носиоце.

Полупроводник p-типа [ уреди | уреди извор ]

Код полупроводника p-типа додате су акцепторске примесе. Акцепторска примеса има ма?ак електрона тако да она генерише шуп?ину и на та? начин се ствара вишак шуп?ина т?. позитивних наелектриса?а у полупроводнику. Код полупроводника p-типа шуп?ине представ?а?у ве?инске носиоце наелектриса?а а електрони ма?инске носиоце.

Када имамо полупроводнике p и n типа ?иховим спа?а?ем доби?а се PN спо? и на та? начин се доби?а диода .

Од полупроводних матери?ала се праве све активне електронске компоненте .

На?знача?ни?и представници полупроводних матери?ала су силици?ум (Si), ^[8] германи?ум (Ge) ^{[9] [10]} и гали?ум-арсенид (GaAs). ^{[11] [12]}

P-N спо?еви [ уреди | уреди извор ]

P-N спо? се може створити допира?ем суседних подруч?а полупроводника p-типом и n-типом донора. Ако ?е позитивни напон поларизаци?е спо?ен на сло? p-типа тада су доминантни позитивни носиоци (шуп?ине) гурнуте према спо?у. Истовремено, доминантни негативни носиоци (електрони) у матери?алу n-типа су привучени према спо?у. Све док посто?и мноштво носиоца на спо?у, спо? се понаша као проводник, и напон спо?ен на кра?евима p-n спо?а ствара стру?у. Како су облаци шуп?ина и електрона приморани да се преклапа?у, електрони пада?у у шуп?ине и поста?у део популаци?е непомичних ковалентних веза. Ме?утим, ако ?е поларизаци?ски напон окренут, шуп?ине и електрони су одвучени од спо?а. Стога се на спо?у ствара врло мали бро? нових парова електрон/шуп?ина, посто?е?и слободни носиоци су натерани да оставе осиромашени сло?, (ко?и ?е врло узак и налази се изме?у p и n сло?а); подруч?е релативно невод?ивог силици?ума. Реверзни напон поларизаци?е ствара само врло малу стру?у ( стру?а цуре?а ) кроз спо?. P-n спо? ?е основа електронске компоненте ко?а се зове диода , ко?а омогу?ава ток електричног набо?а у само ?едном смеру. Слично се може допирати и тре?е подруч?е полупроводника, допира?ем n-типа или p-типа се формира компонента с три извода, као што ?е биполарни спо?ни транзистор (ко?и може бити p-n-p или n-p-n).

Када се у осиромашеном подруч?у кориште?ем зраче?а ?онизу?е, претходно електрично створен, пар електрон/шуп?ина две новонастале слободне наелектрисане честице ?е бити избачене из осиромашеног подруч?а. Након што ?е у осиромашеном подруч?у створен пар електрон/шуп?ина, шуп?ина ?е под утица?ем електричног по?а бити потиснута према подруч?у p-типа, док ?е исто тако под утица?ем електричног по?а, електрон бити потиснут према подруч?у n-типа. Помица?е ових носиоца набо?а ствара малу стру?у ко?у се може мерити и анализирати.

За масовну производ?у су нужни полупроводници с предвид?ивим и поузданим електричним сво?ствима. Ниво потребне хеми?ске чисто?е ?е екстремно висок због тога што присутност нечисто?а и у врло малим размерама може имати врло велике ефекте на сво?ствима матери?ала. Исто тако ?е потребан и висок степен савршености кристалне решетке због тога што се грешке у кристално? структури упли?у у полупроводничка сво?ства матери?ала. Грешке у кристално? решеци су главни узрок ма?кавости полупроводничких уре?а?а. Што ?е ве?и кристал то ?е теже пости?и потребно савршенство. Данаш?и процеси масовне производ?е користе кристалне шипке промера изме?у 10 и 300 мм ко?е се облику?у као ва?ци и режу се у вафере (танке кришке).

Тражена чисто?а и перфекци?а полупроводничких матери?ала [ уреди | уреди извор ]

Због траженог нивоа хеми?ске чисто?е и перфекци?е у кристално? структури ко?е су потребне за производ?у полупроводничких елемената, разви?ене су специ?алне методе за производ?у почетних полупроводничких матери?ала. За постиза?е високе чисто?е користи се техника узго?а кристала ко?а користи Чохралски?ев процес. Додатни корак ко?и се користи за да??е пове?а?е чисто?е ?е познат као зонско чиш?е?е. Код зонског чиш?е?а се омекшава део тврдог кристала. Нечисто?е се концентру?у у омекшаном подруч?у, док се же?ени матери?ал поновно кристализу?е остав?а?у?и чврсти матери?ал чисти?им и с ма?е грешака у решеци.

Референце [ уреди | уреди извор ]

Литература [ уреди | уреди извор ]

Спо?аш?е везе [ уреди | уреди извор ]

Полупроводник на Викимеди?ино? остави .

• Howstuffworks' semiconductor page
• Semiconductor Concepts at Hyperphysics
• Calculator for the intrinsic carrier concentration in silicon
• Semiconductor OneSource Hall of Fame Архивирано на са?ту Wayback Machine (9. октобар 2009), Glossary
• Principles of Semiconductor Devices Архивирано на са?ту Wayback Machine (13. фебруар 2009)
• US Navy Electrical Engineering Training Series Архивирано на са?ту Wayback Machine (6. ?ун 2004)
• NSM-Archive Physical Properties of Semiconductors]
• Semiconductor Manufacturer List
• ABACUS
• Organic Semiconductor page
• DoITPoMS Teaching and Learning Package- "Introduction to Semiconductors"