Halvledare är elektroniska komponenter som är nyckeln till praktiskt taget alla aspekter av modern elektronikteknik – att förstå vad de är och hur de fungerar är viktigt för alla som är involverade i elektronik.
Halvledare och halvledarteknik utgör grunden för större delen av elektronikindustrin idag.
Transistorer, dioder, tyristorer, fälteffekttransistorer, integrerade kretsar och många fler elektroniska komponenter har alla halvledarteknik gemensamt. Alla dessa elektroniska komponenter används i stora mängder varje dag i all form av elektroniktillverkning.
Som ett resultat av den enorma grad av flexibilitet som halvledartekniken ger, har den gjort det möjligt för elektronik att ta över många områden i det dagliga livet, som för femtio år sedan inte ansågs möjligt.
Halvledarteknologin bygger naturligtvis på halvledare som är en speciell form av material där konduktiviteten kan ändras på flera sätt.
Utveckling av halvledare
De första effekterna för halvledare märktes i början av 1900-talet. Det faktum att vissa material varken var isolatorer av ledare hade varit känt under en tid.
Också några av de första enheterna började användas – Cat’s Whisker radiodetektor var en av de första. Den hade först använts runt 1906, och sedan på 1920-talet var dessa enheter i utbredd användning för tidiga radiosändningar.
Under 1920-talet började en större teoretisk förståelse av halvledare växa i takt med att kvantfysiken bakom deras funktion började förstås.
Det var dock inte förrän behovet av mikrovågsdioder kom för användning i radarapparater under andra världskriget som drivkraften att driva dessa enheter framåt uppstod.
I slutet av 1940-talet utvecklades den första transistorn och sedan på 1960-talet gick tekniken framåt och snart började många nya enheter dyka upp: fälteffekttransistorer, lysdioder och naturligtvis den integrerade kretsen.
Halvledare undersöktes i många år, och även om de första enheterna användes i början av 1900-talet var det relativt okänt om hur de fungerade. Sakta avslöjades hemligheterna bakom deras funktion och många halvledarenheter och elektroniska komponenter uppfanns.
Halvledare definition
För att bättre kunna förstå halvledare är en bra början att ha en definition som ger en kortfattad beskrivning av vad en halvledare egentligen är.
Halvledardefinition:
En halvledare definieras som ett material som är halvvägs mellan en ledare och en isolator när det gäller elektrisk ledningsförmåga. Det är i allmänhet ett kristallint fast material som leder elektrisk ström under vissa förhållanden och detta gör det idealiskt för att kontrollera strömflödet.
Introduktion till halvledare
En elektrisk ström uppstår när det finns ett flöde av elektroner i en viss riktning. Eftersom elektroner har en negativ laddning betyder deras rörelse att laddning flyter från en punkt till en annan och det är vad en elektrisk ström är.
För att strömmen ska kunna flyta måste elektronerna kunna röra sig fritt i materialet. I vissa material rör sig elektroner fritt runt gittret, även om antalet elektroner och de tillgängliga utrymmena för dem balanserar ut så att själva materialet inte bär någon laddning.
I dessa material rör sig elektronerna fritt men slumpmässigt. Genom att placera en potentialskillnad över ledaren kan elektronerna fås att driva i en riktning och detta utgör en elektrisk ström. Många material kan leda elektricitet, men metaller är de vanligaste exemplen.
Till skillnad från metaller finns det många andra material där alla elektroner är fast bundna till sina modermolekyler och de är inte fria att röra sig. Följaktligen när en potential placeras över ämnet kommer mycket få elektroner att kunna röra sig och mycket lite eller ingen ström kommer att flyta.
Dessa ämnen kallas icke-ledare eller isolatorer. De inkluderar de flesta plaster, keramik och många naturligt förekommande ämnen som trä.
Halvledare faller inte in i kategorierna ledare eller icke-ledare. Istället hamnar de emellan. En mängd olika material faller inom denna kategori, och de inkluderar kisel, germanium, galliumarsenid och ett stort antal andra ämnen.
I sitt rena tillstånd är kisel en isolator utan fria elektroner i kristallgittret. Men för att förstå hur den fungerar som en halvledare, titta först på kiselets atomära struktur i dess rena tillstånd.
Varje molekyl i kristallgittret består av en kärna med tre ringar eller banor som innehåller elektroner, och varje elektron har en negativ laddning. Kärnan består av neutroner som är neutrala och utan laddning, och protoner som har en positiv laddning. I atomen finns det samma antal protoner och elektroner så hela atomen har ingen total laddning.
Elektronerna i kisel, som i alla andra element, är ordnade i ringar med strikt antal elektroner i varje omloppsbana. Den första ringen kan bara innehålla två, och den andra har åtta. Silikonets tredje och yttre ring har fyra.
Elektronerna i det yttre skalet delas med de från intilliggande atomer för att bilda ett kristallgitter. När detta händer finns det inga fria elektroner i gittret, vilket gör kisel till en bra isolator.
En liknande bild kan ses för germanium. Den har två elektroner i den innersta omloppsbanan, åtta i nästa, 18 i den tredje och fyra i den yttre. Återigen delar den sina elektroner med de från intilliggande atomer för att göra ett kristallgitter utan några fria elektroner.
Effekt av föroreningar i en halvledare
För att göra kisel eller någon annan halvledare till ett delvis ledande material är det nödvändigt att tillsätta en mycket liten mängd föroreningar i materialet. Detta förändrar egenskaperna avsevärt.
Om spår av föroreningar av material som har fem elektroner i den yttre ringen av deras atomer tillsätts kommer de in i kristallgittret och delar elektroner med kislet. Men eftersom de har en extra elektron i den yttre ringen, blir en elektron fri att röra sig runt gittret.
Detta gör att en ström kan flyta om en potential appliceras över materialet. Eftersom denna typ av material har ett överskott av elektroner i gittret är det känt som en halvledare av N-typ. Typiska föroreningar som ofta används för att skapa halvledare av N-typ är fosfor och arsenik.
Det är också möjligt att placera element med bara tre elektroner i sitt yttre skal i kristallgittret. När detta händer vill kislet dela sina fyra elektroner med en annan atom med fyra atomer. Men eftersom föroreningen bara har tre finns det ett mellanslag eller ett hål för en annan elektron. Eftersom denna typ av material saknar elektroner är det känt som material av P-typ. Typiska föroreningar som används för material av P-typ är bor och aluminium.
Hål & elektroner i halvledare
Det är lätt att se hur elektroner kan röra sig runt gittret och bära ström. Det är dock inte fullt så uppenbart för hål. Detta händer när en elektron från en hel bana rör sig för att fylla ett hål och lämnar ett hål där den kom ifrån.
En annan elektron från en annan bana kan sedan flytta in för att fylla det nya hålet och så vidare. Hålens rörelse i en riktning motsvarar en rörelse av elektroner i den andra, därav en elektrisk ström.
Av detta kan man se att antingen elektroner eller hål kan bära laddning eller en elektrisk ström. Som ett resultat är de kända som laddningsbärare, hål är laddningsbärare för en halvledare av P-typ och elektroner för en halvledare av N-typ.
Lista över vanliga halvledartermer
Laddningsbärare – Laddningsbärare är en fri en fri (mobil, obunden) partikel som bär en elektrisk laddning, t.ex. en elektron eller ett hål.
Ledare – Ett material där elektroner kan röra sig fritt och elektricitet kan flöda.
Elektron – En subatomär partikel som bär en negativ laddning.
Hål – Frånvaron av en valenselektron i en halvledarkristall. Rörelsen av ett hål är likvärdig med rörelsen av en positiv laddning, dvs motsatt rörelsen av en elektron.
Isolator – Ett material där det inte finns några fria elektroner tillgängliga för att bära elektricitet.
Majoritetsbärare – Strömbärare, antingen fria elektroner eller hål som är i överskott, dvs i majoriteten i ett specifikt område av ett halvledarmaterial. Elektroner är de flesta bärare i halvledare av N-typ och hål i ett område av P-typ.
Minoritetsbärare – Strömbärare, antingen fria elektroner eller hål som är i minoritet i ett specifikt område av ett halvledarmaterial
N-typ – Ett område av en halvledare där det finns ett överskott av elektroner.
P-typ – Ett område av en halvledare där det finns ett överskott av hål.
Halvledare – Ett material, som varken är en isolator eller en hel ledare som har en mellanliggande nivå av elektrisk ledningsförmåga och där ledning sker med hjälp av hål och elektroner.
Komponenter och enheter som använder halvledare
Exempel på komponenter och enheter som använder halvledare och halvledarmaterial inkluderar följande:
- Integrerad krets
- Tangentbord och mus
- datorskärm
- Processor
- Minneschip
- Transistor
Halvledare är motorerna som driver tekniska framsteg och inspirerar till innovation.
Moderna halvledare är miljarder transistorer sammanfogade på en liten bit av glasliknande material som kallas kisel. Varje transistor, mindre än cellerna i din kropp, arbetar tillsammans genom att slå på och av över 100 miljarder gånger per sekund för att tillåta elektricitetsflöde
Det är detta elflöde som bestämmer halvledarens beteende och dess tillämpning.
Halvledare är avgörande för driften av alla moderna elektroniska enheter – och i takt med att deras kraft, komplexitet och sofistikering har vuxit, så har deras användningsområden också ökat.
Halvledare driver våra bärbara datorer, smartphones och surfplattor. De är ansvariga för många av de moderna framstegen inom bilelektronik, flygelektronik och medicinsk utrustning; och halvledare har gjort det möjligt för våra vitvaror, apparater och belysning att uppnå oöverträffade effektivitetsvinster. Halvledare är de väsentliga byggstenarna som driver modern teknik.
