Det finns många olika typer av halvledarmaterial och varje typ av halvledarmaterial har sina egna egenskaper.
Eftersom dessa olika typer av halvledare har något olika egenskaper lämpar de sig för olika tillämpningar i olika former av halvledarenheter och elektroniska komponenter.
Vissa kan vara tillämpliga för standardsignaltillämpningar, andra för högfrekventa förstärkare, medan andra typer kan vara tillämpliga för krafttillämpningar och tuffa miljöer eller andra för ljusavgivande applikationer – det finns faktiskt en hel mängd elektroniska komponenter och enheter som stämmer halvledare. Alla dessa olika tillämpningar tenderar att använda olika typer av halvledarmaterial.
De grundläggande halvledarmaterialen som kisel och till och med germanium har använts i många år och i synnerhet kisel har utgjort stöttepelaren för halvledarindustrin. Kisel är inte bara lätt att arbeta, utan har också många utmärkta egenskaper som gör att det kan användas för många halvledarenheter.
Men många material, ofta sammansatta halvledare, används också. Dessa tenderar att utmärka sig när det gäller prestanda inom några mer nischade områden.
I takt med att tekniken för tillverkningen av dessa nya halvledartyper utvecklas och de börjar användas mer inom sina olika områden, så ökar variationen av material eller föreningar som används i halvledare.
Halvledartyper/klassificeringar
Det finns två grundläggande grupper eller klassificeringar som kan användas för att definiera de olika halvledartyperna:
Inre material: En inneboende typ av halvledarmaterial gjord för att vara mycket ren kemiskt. Som ett resultat har den en mycket låg konduktivitetsnivå med mycket få antal laddningsbärare, nämligen hål och elektroner, som den har i lika stora mängder.
Extrinsiskt material: Extrinsiska typer av halvledare är de där en liten mängd föroreningar har lagts till det grundläggande inneboende materialet. Denna ’doping’ använder ett element från en annan periodisk systemgrupp och på så sätt kommer den antingen att ha fler eller färre elektroner i valensbandet än halvledaren själv. Detta skapar antingen överskott eller brist på elektroner. På detta sätt finns två typer av halvledare tillgängliga: Elektroner är negativt laddade bärare.
N-typ: Ett halvledarmaterial av N-typ har ett överskott av elektroner. På detta sätt är fria elektroner tillgängliga inom gittren och deras totala rörelse i en riktning under påverkan av en potentialskillnad resulterar i ett elektriskt strömflöde. Detta i en halvledare av N-typ är laddningsbärarna elektroner.
P-typ: I ett halvledarmaterial av P-typ råder brist på elektroner, det vill säga det finns ”hål” i kristallgittret. Elektroner kan röra sig från en tom position till en annan och i detta fall kan det anses att hålen rör sig. Detta kan ske under påverkan av en potentialskillnad och hålen kan ses flyta i en riktning vilket resulterar i en elektrisk ström.
Det är faktiskt svårare för hål att röra sig än för fria elektroner att röra sig och därför är rörligheten för hål mindre än för fria elektroner. Hål är positivt laddade bärare.
Halvledarmaterialgrupper
De vanligaste halvledarmaterialen är kristallina oorganiska fasta ämnen. Dessa material klassificeras ofta efter sin position eller grupp inom det periodiska systemet. Dessa grupper bestäms av elektronerna i den yttre omloppsbanan de särskilda elementen.
Medan de flesta halvledarmaterial som används är oorganiska, undersöks och används också ett växande antal organiska material.
Halvledarmaterial finns i ett antal olika grupper av det kemiska periodiska systemet. Man har funnit att egenskaperna hos de olika materialen förändras från en grupp till nästa och även som ett resultat av deras olika atomnummer.
Det kan ses att kisel som är det mest använda materialet för att skapa halvledarbaserade elektroniska komponenter är i grupp IV liksom germanium som var det första materialet som användes allmänt för transistorer och dioder.
Men halvledarmaterial kan också tillverkas av sammansatta halvledare som galliumarsenid GaAs, kadmiumsulfid CdS, kiselkarbid SiC och många fler.
Lista över halvledarmaterial
Det finns många olika typer av halvledarmaterial som kan användas inom elektroniska enheter. Var och en har sina egna fördelar, nackdelar och områden där den kan användas för att erbjuda optimal prestanda.
Germanium
Denna typ av halvledarmaterial användes i många tidiga enheter från radardetekteringsdioder till de första transistorerna. Dioder visar en högre omvänd ledningsförmåga och temperaturkoefficient innebar att tidiga transistorer kunde drabbas av termisk rusning. De erbjuder en bättre laddningsbärarrörlighet än kisel och används därför för vissa RF-enheter. Det används inte lika mycket nuförtiden eftersom bättre halvledarmaterial finns tillgängliga.
Silicon
Silicon är den mest använda typen av halvledarmaterial. Dess stora fördel är att den är lätt att tillverka och ger goda allmänna elektriska och mekaniska egenskaper. En annan fördel är att när den används för integrerade kretsar bildar den högkvalitativ kiseloxid som används för isoleringsskikt mellan olika aktiva element i IC.
Galliumarsenid
Galliumarsenid är den näst mest använda typen av halvledare efter kisel. Den används ofta i högpresterande RF-enheter där dess höga elektronrörlighet utnyttjas. Den används även som substrat för andra III-V-halvledare, t.ex. InGaAs och GaInNAs. Det är dock ett sprött material och har en lägre hålrörlighet än kisel vilket gör applikationer som CMOS-transistorer av P-typ inte möjliga. Det är också relativt svårt att tillverka och detta ökar kostnaderna för GaAs-enheter.
Kiselkarbid
Kiselkarbid kan användas i ett flertal applikationer. Det används ofta i kraftenheter där dess förluster är betydligt lägre och driftstemperaturerna kan vara högre än för silikonbaserade enheter. Kiselkarbid har en nedbrytningsförmåga som är ungefär tio gånger så stor som kisel själv. Former av kiselkarbid var typer av halvledarmaterial som användes med vissa tidiga former av gula och blå lysdioder.
Galliumnitrid
Denna typ av halvledarmaterial börjar bli mer utbredd i mikrovågstransistorer där höga temperaturer och krafter behövs. Den används också i vissa mikrovågskretsar. GaN är svårt att dopa för att ge områden av p-typ och det är också känsligt för ESD, men relativt okänsligt för joniserande strålning. Har använts i några blå lysdioder. Läs mer . . .
Galliumfosfid
Detta halvledarmaterial har funnit många användningsområden inom LED-teknik. Den användes i många tidiga lysdioder med låg till medium ljusstyrka som producerade en mängd olika färger beroende på tillsatsen av andra dopämnen. Ren galliumfosfid ger grönt ljus, kvävedopat, det avger gulgrönt, ZnO-dopat avger det rött.
Kadmiumsulfid
Används i fotoresistorer och även i solceller.
Blysulfid
Detta halvledarmaterial användes som mineralgalena och användes i de mycket tidiga radiodetektorerna som kallas ’Cat’s Whiskers’ där en punktkontakt gjordes med tenntråden på galenan för att korrigera signalerna.
Enkel bearbetning och kostnad
När man väljer ett material för användning i en halvledarenhet eller elektronisk komponent finns det ett antal överväganden. En är den lätthet med vilken materialet kan bearbetas.
Kisel har fördelen att det inte bara är allmänt tillgängligt, utan det är också lätt att bearbeta. Det är lätt att odla kiselkristallerna i en form där de kan skäras eller skivas till wafers och sedan bearbetas till vilka elektroniska komponenter som helst.
Som ett resultat av detta är processerna för kisel relativt billiga (jämfört med bearbetning av andra material) och kisel är också tillämpbart på många enheter – det är den idealiska halvledaren för många enheter. Allt detta betyder att processerna har finslipats och att det finns gott om kapacitet för dem.
Andra material kanske inte är lika lätta att hantera även om de kan fungera bra inom ett område och vara idealiska för många områden av elektronisk kretsdesign, etc.
Ett sådant material är galliumarsenid. Detta har uppenbarligen problem med hanteringen av råvarorna eftersom arsenik är mycket giftigt. Men galliumarsenidmaterialet är inte heller lätt att hantera.
Det övergripande resultatet är att bearbetningskostnaderna blir mycket högre för galliumarsenidenheter som GaAs FET och liknande. Men prestationsfördelarna kan innebära att merkostnaderna är motiverade.
Det innebär att det blir en balans mellan prestanda och kostnad. I vissa fall kanske det inte finns något annat sätt att erhålla den erforderliga prestandan och därför kommer extrakostnaderna att behöva bäras, men i andra kan det finnas en kostnads-/prestandabalans att göra när man överväger enheter för en elektronisk kretsdesign.
Det finns många olika material som kan användas inom halvledarenheter. Utbudet av elektroniska komponenter som använder halvledare idag är enormt, och även om kisel är den överlägset mest använda, används många andra halvledarmaterial. Dessa används för att deras prestanda överträffar på ett eller annat område, vilket gör att prestanda hos olika elektroniska komponenter kan förbättras på ett eller annat område jämfört med kisel.
