Полуспроводник

Полуспроводници — кристални тела кај кои степенот на спроводливоста на електричната струја се наоѓа помеѓу металите и изолаторите.
Носители на електричеството низ полуспроводниците во електричното поле се празнините кои се движат во насока на електричното поле и електроните кои се движат во насока спротивна на насоката на електричното поле.
Има 2 вида полуспроводници:
* Н-тип (негативен), полуспроводник кој се добива кога силициум се допингува со атоми со повисок број на валентни електрони од силициум, како на пример петвалентен фосфор.
* П-тип (позитивен), полуспроводник кој се добива кога силициум се допингува со атоми со помал број валентни електрони од силициум, како на пример тривалентен бор.
1 Вовед
Спроводливоста на материјата е мерка за можноста низ неа да тече електрична струја ако врз неа се дејствува со електрично поле. Електричната струја настанува како резултат на насочено движење на наелектризирани честички. Спроводливоста на материјата зависи од повеќе услови – природата на материјата, температура, осветленост, допингување со хемиски нечистотии, механички деформации на материјалот и др. кои можат да доведат до зголемување или намалување на спроводливоста на самата материја.
Полуспроводници се материјали чиј степен на спроводливост на електричната струја се наоѓа помеѓу металите и изолаторите. Носители на електричеството низ полуспроводниците во електричното поле се празнините кои се движат во насока на електричното поле и електроните кои се движат во насока спротивна на насоката на електричното поле. Во практиката идеално хемиски чисти полуспроводници не постојат. Постоењето и на најмали примеси од други елементи во структурата на полуспроводниците, многу ја менува нивната спроводливост. Зголемувањето на спроводливоста на полуспроводниците под дејство на примесите, се должи на зголемување на бројот на слободни електрони, или на зголемување на бројот на шуплини.
Бидејќи спроводливоста на полуспроводниците може да се менува со контролирано додавање на примеси или со дејствување на електрично поле или светлина, тие се многу корисни уреди за засилување на сигнали и претворање на енергија. Исто така, денес се и основна градбена единка на компјутерскиот хардвер, сообраќајните показатели, големите телевизиски екрани, сетилници, радиоприемници, радиопредаватели, итн.
За да се објаснат својствата на полуспроводниците се осврнуваме кон теоријата на квантната физика со помош на која се прикажува движењето на електроните низ кристалната решетка на атомот.
2 Кристална структура на полуспроводниците
Кога атомите ќе се приближат на блиско растојание, тие се поврзуваат и формираат стабилно цврсто тело, со врски помеѓу соседните атоми. Кај полуспроводникот, тенденцијата на секој атом да формира пополнета надворешна електронска лушпа е задоволена со помош на ковалентна врска. Соседните атоми ги делат електроните како заеднички и се сместени најмногу во зоната помеѓу атомите. Ова ковалентно поврзување може да се изведе квантитативно со помош на квантната механика, со решавање на Шредингеровата равенка. Се добиваат високи вредности за |ψ|2¬ на средината помеѓу јадрата, што значи дека постои голема веројатност поврзувачките електрони да се наоѓаат таму.
Елементите кои се основни полуспроводнички материјали формираат ковалентни врски. Овие ковалентни кристали се одликуваат со сјај и тврдина затоа што соседните атоми мора да го задржат правилниот просторен распоред, бидејќи врските се строго насочени по линијата што ги поврзува атомите, како и заради големата јачина на парното електронско поврзување.
Најважни елементарни полуспроводници се во IV група на периодниот систем: јаглерод C6 (2p2), силициум Si14 (3p2), германиум Ge32 (4p2) и калај Sn50 (5p2). Елементите во соседните колони B, P, As, Sb, S, Se, Te, I, исто, повеќе или помалку, имаат некои полуспроводнички особини.
Ако се гледаат елементите од IV група, заедничко им е што имаат 4 електрони во надворешната електронска лушпа (s + p) и имаат 4 празни места (бидејќи можно е пополнување до p6), па овие елементи се четиривалентни и се очекува да имаат слични механизми на поврзување и хемиски особини.
Заради тенденцијата на атомите да ја пополнат надворешната електронска лушпа овие елементи кристализираат во т.н. дијамантска структура. Секој атом се поврзува со 4 соседни атоми делејќи ги со нив валентните електрони. Тридимензионално оваа структура изгледа како на слика 1.
Друга важна група полуспроводници се соединенијата формирани од III и IV група елементи во периодниот систем. Најпознати се: GaAs, InSb. Со оглед на тоа што едниот елемент има три празни места, а другиот има пет празни места во валентната лушпа, карактерот на врските е ковалентен, со кристална структура слична на дијамантската, со алтернативни атоми од III, односно IV група. Иако подготовката на овие соединенија за производство на единствен кристал со доволно добар квалитет е потешка отколку кај елементарните полуспроводници, тие имаат дополнителни технички предности.
3 Општи особини на полуспроводниците
Главна особина на полуспроводниците претставува наглата промена на бројот на носители, а со тоа и на електричните особини под влијание на надворешни дејства:
-промена на температурата,
-осветленоста,
-електрично и магнетното поле,
-внесувањето примеси.
Во зависност од наведените фактори, бројот на носители во полуспроводниците може да се менува повеќе милиони пати.
При ниски температури, кои се приближни до апсолутна нула, не доаѓа до премин на електроните од пополнета во слободната зона, бидејќи енергијата на електронот од пополнетата зона не е доволна да ја совлада забранетата зона. Тогаш полуспроводникот се однесува како одличен диелектрик, односно изолатор.
При собна температура, енергијата на еден дел од електроните во пополнетата зона е доволна да ја совлада забранетата зона и електроните да преминат во слободната зона (валентната).
Со зголемување на температурата на полуспроводникот, енергијата на електронот се зголемува и се зголемува бројот на електрони кои можат да преминат од забранетата во слободната зона, т.е. се зголемува бројот на носители.
4 Процеси и проведување во полуспроводниците
Во отсуство на топлинска возбуда или надворешна стимулација валентната зона е пополнета, а спроводната е празна, односно, ако кристалот е доволно ладен, заштитен од светлина и друго, валентните електрони се вклучени во ковалентните врски и нема слободни електрони во кристалот кој би можеле да се движат. За да се случи проведување мора валентните електрони да преминат во повисоки енергии, но на ниски температури нема расположливи празни енергетски нивоа во валентната зона, а енергетските нивоа во спроводната зона можат да се достигнат само ако електроните добијат енергија поголема од Еg. Јасно е дека ковалентните врски можат да бидат раскинати ако се доведе доволно енергија.
Поврзувањето помеѓу кристалното прикажување и зонското е тоа да минимумот енергија за да се раскине една ковалентна врска е токму Еg. Ковалентните врски можат да се раскинат на различни начини со додавање на надворешна енергија. Ослободениот електрон може да се движи низ материјалот под дејство на применетите полиња, сè додека не наиде на друга раскината врска каде ќе биде зафатен за да ја комплетира, односно се рекомбинира и повеќе да не учествува во процесот на проведување. Така, со зголемување на температурата на полуспроводникот од 0 К нагоре, неговите особини се менуваат од изолатор до спроводник.
Кога една ковалентна врска се раскинува испуштајќи еден електрон се појавува вкупен позитивен полнеж поврзан со ковалентна врска, заради отсуството на електронот. Ова би била кристалографска манифестација на празнините, кои беа дискутирани претходно. Ако се примени електрично поле, постои можност еден од електроните од соседните ковалентни врски да се придвижи да ја пополни празнината. Овој процес се повторува така што движењето на електроните предизвикува движење на празнините во правец на електричното поле. Така, празнините се движат како фиктивни позитивни честички. Овој концепт на празнини е погоден заради тоа што е поедноставено да се третира движењето на позитивно наелектризирани честички отколку движењето на врзаните електрони кои се движат по празнините.
5 Безпримесни полуспроводници
Безпримесни (чисти, интринсични) полуспроводници не се идеално чисти полуспроводници, но се така наречени бидејќи степенот на присуство на нечистотии приближно нема никакво влијание врз електричното однесување на полуспроводникот.
Пример за такви полуспроводници се они составени од атоми само на силициум или само на германиум.
Силициумот (Si) е четиривалентен атом кој образува ковалентни врски со соседните атоми на силициум и генерира регуларна структура која ја нарекуваме кристал. Валентните електрони се во надворешниот електронски слој и тие го одредуваат типот на хемиска врска која ќе се образува (ковалентна, водородна, јонска, метална, Вандервалсова).
При температура од 0 К, сите електрони се наоѓаат во валентната врска и се дел од ковалентни врски, за разлика од спроводната зона каде нема електрони. Од друга страна, на повисоки температури (пр. температура од 300 К), доаѓа до возбудување на електроните од валентната зона, нивен премин на повисоки енергетски нивоа при што овие електрони ја достигнуваат спроводната зона и обезбедуваат можност за спроведување на електрична струја. Притоа, бројот на електрони во спроводната зона е еднаков со бројот на празнини (шуплини) кои остануваат во валентната зона.
За разлика од изолаторите, кај полуспроводникот постои конечна веројатност дека на било која температура над 0 К, електрон од валентната зона ќе премине во спроводната зона оставајќи едно празно место во валентната зона.
6 Примесни полуспроводници
Примеси (допанти) се атоми од друг материјал кои во мал процент се додаваат во кристалната решетка на полуспроводникот, со цел да се промени неговата спроводливост и типот на носители кои се одговорни за таа спроводливост.
Најважните примеси кои се додаваат во полуспроводниците (Si, Ge) се елементите од III-та и IV-та група елементи од периодниот систем. Додавањето на контролирана количина на овие примеси се вика допингување (допирање).
Екстринсичен полуспроводник се добива со допингување, односно со внесување на многу мало количество туѓи атоми во еден интринсичен полуспроводник (идеално чист полуспроводник е една идеализација - и најчистиот полуспроводник сепак содржи извесно количество туѓи атоми - таков полуспроводник наречен е уште и интринсичен полуспроводник или безпримесен полуспроводник. Таквиот полуспроводник има релативно висок специфичен отпор и главно се користи како појдовен материјал за изработка на т.н. екстринсични (допирани, примесни) полуспроводници). Обично се додаваат малку примеси: 1 дел на 1010, до 1 дел на 103.
Примесните полуспроводници се класифицирани во две групи според типот носители кој е доминантен: Н–тип и П–тип.
6.1 Н–тип
Ако на сопствениот полуспроводник му се додаде контролирано количество на примес од V група (P,As,Sb) материјалот се збогатува со спроводни електрони и тој се нарекува полуспроводник од Н–тип.
Овие примеси имаат петвалентни електрони. Петтиот (несврзан) електрон дарител (на примесот од Н-тип), не може да оствари ковалентна врска со атом домаќин, па се наоѓа на доста повисоко енергетско ниво одошто четирите останати електрони. Затоа тој може лесно да го напушти дарителот, градејќи со тоа позитивен јон. Енергетски се наоѓа под спроводната зона и може многу полесно од електронот од валентната зона да помине во спроводната зона оставајќи позитивно јонизиран дарител.
Ако туѓите атоми имаат поголем број валентни електрони отколку атомите домаќини (4 електрони кај Si и Ge) се работи за екстринсичен полуспроводник од тип n, бидејќи сега мнозински носители на товар ќе бидат електроните.
Допирањето со дарители всушност во структурата на енергетските зони се одразува со појава на една дополнителна, многу тесна зона на дозволени енергии поставени на ниво наречено дарителско ниво. Тоа ниво се наоѓа веднаш под спроводната зона.
Основна разлика помеѓу овие механизми и механизмот кај сопствените полуспроводници е што јонизираните примеси остануваат како фиксни позитивни наелектризирани центри во кристалната решетка и не се создаваат празнини. Така Vтата група примеси даваат електрони и се викаат дарители. Во шемата на енергетски зони секој дарителски атом доведува до појава на ново изолирано дарителско ниво ЕD, малку под дното на спроводната зона. Така, со воведување на примеси се воведува дискретно енергетско ниво во забранетата зона. На 0 К сите дарителски нивоа се пополнети, но на собна температура тие се празни.
Бидејќи на собна температура секој примесен атом дава дополнителен носител, мали концентрации на примеси значајно ја зголемуваат концентрацијата на носители, а со тоа и спроводливоста. Примесите со атоми на фосфор, арсен или антимон, кои имаат по петвалентни електрони се користат за донирање во полуспроводниците од Н-тип. Наброените елементи се викаат уште и дарители, бидејќи тие даваат електрони во спроводната зона.
Спроводливоста на полуспроводникот од N – тип ќе ја објасниме преку пример, т.е. полуспроводникот го вклучуваме во струјното коло преку контактните плочки, така што под дејство на ЕМС на изворот, во него се создава електрично поле со јачина Е. Насоката на полето оди од позитивната кон негативната контактна плочка. Под дејство на силата на електричното поле, слободните електрони ќе се движат во насока спротивна на насоката на полето. Така, во колото ќе протече струја од негативниот кон позитивниот пол на изворот преку полуспроводникот. Спроводливоста на овој полуспроводник ќе зависи од бројот на слободните електрони, а тоа значи, од процентот на атомите на арсенот.
Ако го промениме поларитетот на изворот, се менува и насоката на електричното поле. Сега слободните електрони ќе се движат во обратна насока на првиот случај. Јачината на струјата во обата случаи е иста. Од тоа произлегува дека во блокот на полуспроводникот од Н-тип нема појава на исправување на струјата.
6.2 П-тип
Полуспроводниците со мнозинство носители – празнини (шуплини) се нарекува полуспроводник од П-тип. Тие се добиваат со додавање на примеси од III група (Ba,Al,Ga,In) на Si или Ge. Три сврзани електрони на акцепторот (примес од П-тип) сврзани се ковалентно со 3 атоми на силициум, додека врската со четвртиот атом Si останува непотполна и одговара на енергетската состојба која се наоѓа над валентната зона. Оваа дозволена состојба може многу полесно (поверојатно) да се исполни со електрон од валентната зона и со тоа да создаде празнина во валентната зона, отколку електрон од валентната зона би поминал во спроводната зона оставајќи шуплина. Всушност, над температура од 0 К, електрон од соседните атоми може да го пополни празното електронско место, оставајќи празно место во валентната зона за проведување. Со тоа акцепторот станува негативно наелектризиран и е т.н. јонизиран акцептор.
И акцепторите се наоѓаат во супституциска положба во кристалот, но сега ним им недостасува еден електрон за да остварат валентни врски со своите соседни атоми од домаќините.
Празните енергетски нивоа предизвикани од туѓите атоми прават една многу тесна дозволена енергетска зона наречена акцепторско ниво поставено во непосредна близина над врвот на валентната зона на основниот материјал, на типично растојание од 0,01–0,1 еV. Со ова се објаснува преодот на електроните од валентната зона на енергетските нивоа на акцепторите и при мали енергетски побуди.
Спроводливоста на полуспроводникот од П-тип ќе ја објасниме на следниов начин. Електричното поле што го создава изворот на ЕМС во блокот на германиумот, им дејствува со извесна сила на слободните електрони, коишто се добиени со топлинско раскинување на валентните врски на тој начин, што движејќи се во обратна насока на полето на својот пат тие вршат пополнување на шуплините.
7 Енергетски влијанија врз својствата на полуспроводниците
Врз својствата на полуспроводниците влијаат следните појави:
:#Влијание на деформацијата врз спроводливоста;
:#Топлински својства на полуспроводниците;
:#Термоелектрични појави;
:#Влијание на електрични полиња врз спроводливоста;
:#Влијание на светлината врз спроводливоста;
:#Честотна зависност на фотоспроводливоста
:#Зависност на фотоспроводливоста од интензитетот на осветлувањето
:#Квантен прираст на внатрешен фотоефект
:#Релаксација на фотоспроводливоста
:#Фотонапонски ефект
1.Влијание на деформацијата врз спроводливоста:
Спроводливоста на тврдите кристални тела какви што се полуспроводниците трпи промени при промена на меѓуатомските растојанија предизвикани од механички деформации. Притоа се менува и концентрацијата на носителите и нивната подвижност. Концентрацијата може да стане помала и поголема, зависно од промената на ширината на забранетата енергетска зона на кристалот и енергетските нивоа на примесите. Со тоа се менуваат и енергиите на активирање на носителите и нивните ефективни маси. Подвижноста на носителите може да биде променета заради промена на амплитудата на осцилирање на атомите и промена на нивното меѓусебно растојание. Додека кај металите при деформации најмногу се менува подвижноста на носителите (електроните), кај полуспроводниците пред сè, се менува концентрацијата заради промена на енергијата на активирање.
Ширината на забранетата зона при доближување на атомите може и да се намалува и да се зголемува. Кај разни полуспроводници иста деформација може да предизвика и зголемување и намалување на спроводливоста.
Промената на специфичната електрична спроводливост при деформација се одликува со величината тензочувствителност d што всушност претставува однос на релативната промена на специфичниот електричен отпор спрема релативната промена на релативната деформација.
2.Топлински својства на полуспроводниците:
Кај полуспроводниците топлинската енергија се пренесува и преку слободните носители (електрони и празнини) и преку атомите кои осцилираат околу рамнотежната положба. При собни и повисоки температури спроводните материјали подобро водат топлина, додека при ниски температури тие не се разликуваат. Дијамантот подобро проведува топлина од бакарот на високи температури.
3.Влијание на светлината врз спроводливоста:
Светлинската енергија која ја апсорбира полуспроводникот може да предизвика во него зголемено количество на носители во однос на рамнотежното ниво кое е дефинирано од температурата. Ова доведува до зголемена електрична спроводливост и ова се користи кај фотоотпорниците.
Фотоспроводливост σ е зголемена електрична спроводливост на материјалите под дејство на електромагнетни зрачења. При фотоспроводливоста се манифестира квантната природа на светлината. Бидејќи ширината на забранетата енергетска зона е различна кај разни полуспроводници, фотоспроводливоста се јавува од инфрацрвеното па сè до ултравиолетовото подрачје на спектарот.
4.Фотонапонски ефект:
Фотонапонски ефект е појава на електричен напон на краевите од полуспроводникот (p-n премин) заради апсорпција на светлоста во полуспроводникот. Електроните и празнините кои се создаваат заради апсорпција на светлината може да се разделат преку внатрешниот потенцијал кој постои во осиромашениот p-n премин. Во p-n преминот се смалува внатрешниот потенцијал и таа потенцијална разлика во однос на вредноста при топлинска рамнотежа се јавува како фотонапон. Овој фотонапон може да создаде електрична струја во надворешно коло. Според тоа, можно е претворање на светлосната енергија во електрична. Ова е физичка основа на сончевите ќелии (фотоелементи).
5.Влијание на електрични полиња врз спроводливоста:
Јачината на електричното поле кое делува врз полуспроводникот може да влијае врз спроводливоста. При слаби јачини на полето до извесна критична вредност важи Омовиот закон, а специфичната електрична спроводливост е независна од јачината на полето. При посилни електрични полиња расте експоненцијално, при што може да настане разрушување на полуспроводникот. Со пораст на температурата, кривата се поместува нагоре, но наклонот на стрмниот дел е поблаг. При јаки полиња може да настане ефект на судирна јонизација што доведува во одредени услови до разрушување на полуспроводникот.
8 Полуспроводнички елементи
8.1 Диода
Диодата е електронска компонента која дозволува проток на електрична струја во една насока без отпор, додека во спротивна насока има бесконечен отпор. Затоа кај диодите постои спроводна и неспроводна насока. Може да се смета дека за протекување на струја во спроводната насока, диодата има отпорност со вредност приближна на нула, а додека во неспроводната насока отпорноста може да достигне приближно бесконечна вредност.
Диодите претежно се произведуваат од полуспроводнички материјали како што се силициум или германиум. Меѓутоа, сè уште постојат диоди со термојонска емисија, некогаш познати како електронски цевки. Исто како жарулката, така и вакуумските цевки имаат влакно кое се вжарува кога низ него ќе протече струја. Вжарениот конец во вакуум емитира електрони, а потоа електричен напон помеѓу електроните, придвижувајќи ги електроните од вжарената електрода, кон другата, ладната електрода. Така, текот на електронот од вжарениот конец во вакуум до другата електрода, претставува проток на електрична струја. Загреаната електрода која е извор на електрони, се вика катода, а ладната електрода се вика анода. Повеќето современи диоди се засновани на полуспроводничките p-n споеви. Кај полуспроводничките диоди струјата тече од p-страна (анодата) кон n-страна (катодата), но не и во спротивна насока како кај вакуумските цевки.
8.1.1 Полуспроводничка диода
Елементите, кои се направени преку комбинација на два полуспроводника од П и Н-тип и служат за исправување на наизменичната струја, се нарекуваат полуспроводнички кристални диоди. Во зависност од конструкцијата на диодите тие можат да бидат точкести и слојни.
8.1.1.1 Точкеста диода
Точкеста диода се изработува од чист германиум, во вид на тенок лист, којшто најпрво се заварува на метална подлога, а потоа се поставува во цилиндар од изолациона маса. Во цилиндарот се воведува тенка спирална жичка од волфрам, платина или злато, со многу тенок врв, кој се заварува со листот од германиумот по електричен пат. За да се создаде PN-спојот, најпрво диодата се оптоварува со нормална јачина на струјата, а потоа се пропуштаат импулси на десетпати појака струја од максимално дозволената. Притоа се развива голема топлина околу точкесто заварената жичка и се формира кратер околу нејзиниот врв. Со помош на дифузија на границата помеѓу P-областа и N-областа се создава PN-спој со мала контакта површина. Точкестата диода се користи во електрониката за исправување и демодулација на високочестотни струи со мала моќност. Основен недостаток на точкестата диода е што, поради малата допирна површина на контактот не можат да се добијат јаки струи. За отклонување на овој недостаток конструирана е слојната диода.
8.1.1.2 Слојна диода
Слојна диода претставува PN-спој и може да биде поларизирана во пропусна и непропусна насока. Ако позитивниот пол на изворот е сврзан за P-областа, а негативниот за N-областа од кристалот, диодата ќе биде поларизирана во пропусна насока. Во тој случај, мал напон предизвикува протекување на многу јака струја. Отпорот на диодата во пропусната насока е многу мал. Затоа во надворешното коло треба да се вклучи отпорник за да се заштити диодата од пробивање. Во случај позитивниот пол на изворот да е врзан за N-областа, а негативниот за P-областа, диодата ќе биде поларизирана во непропусна насока. Струјата во диодата, тогаш има обратна насока и е многу слаба. Со зголемување на напонот, таа малку расте. Оваа струја е наречена инверзна струја, а напонот, на кој е вклучена диодата, се нарекува инверзен напон. Инверзниот напон не смее да се зголемува над една одредена граница, која најчесто за слојната диода изнесува околу 900 V. Ако се пречекори дадената вредност на максималниот инверзен напон, инверзната струја ќе стане толку јака, што едноставно ќе ја разори потенцијалната бариера и ќе дојде до пробивање на PN-спојот и оштетување на диодата.
8.1.2 Светлечки диоди (LED)
Повеќето диоди емитираат зрачење, но тоа не го напушта полуспроводникот и се наоѓа во честотен опсег на инфрацрвеното зрачење. Изборот на полуспроводничкиот материјал ја одредува бојата на светлината. Црвената боја одговара на напон од 1,2 V, а напонот од 2,4 V одговара на виолетовата боја. Денес постојат диоди и за ултравиолетова светлина. Првите светлечки диоди биле жолти и црвени, а останатите настанале подоцна. Важно е дека сите светлечки диоди се еднобојни.
8.1.3 Фотодиода
Фотодиодата реагира на појавата на светлина генерирајќи електрична струја. Фотодиодите многу се користат и како сончеви или фотонапонски ќелии и во фотометријата. Ако фотонот нема доволно енергија, нема да се возбуди електронот. Дури и светлинските диоди можат да се употребат како фотодиоди со ниска ефикасност во некои примени. Понекогаш светлинските диоди и фотодиодата се спакувани во исто куќиште. Овој уред се нарекува „оптоизолатор“. За разлика од трансформаторот, овој уред дозволува галванско раздвојување на еднонасочен напон. Ова е многу корисно, на пример кај заштитата на пациентите кои се приклучени на медицински уреди. Сончевите ќелии се исто така еден вид на фотодиоди.
8.2 Транзистори
Полуспроводниците можат да послужат и за правење на засилувачи на променливи електрични сигнали. Засилувачите се прават со комбинација од еден П-тип и два Н-типа, или со еден Н-тип и два П-типа полуспроводници и се наречени полуспроводнички триоди или кратко познати како транзистори. Името транзистори доаѓа од англиските зборови TRANSFER RESISTOR, кои во превод значат ''пренослив'', односно транзитен отпор. Принципот на работа на транзисторот први го дале по Втората светска војна, во 1948 година Бардин и Братејн.
Според својата намена транзисторите се изработувале во повеќе типови, но најширока примена во практиката имаат биполарните транзистори. Според начинот на изработка транзисторите можат да бидат: слојни, еднослојни, со точкести слоеви, итн. Денес се произведуваат најмногу биполарни слојни транзистори, па затоа и нашето внимание ќе се задржи на овој тип транзистори.
По својата структура биполарниот транзистор претставува двоен PN-спој, којшто, во зависност од редоследот на полуспроводничкиот материјал, може да биде PNP или NPN слоен транзистор.
8.3 Сончева ќелија
Сончевата ќелија е полуспроводнички уред кој ја претвора сончевата енергија во електрична енергија со помош на фотоелектричен ефект. Група ќелии формираат сончеви модули, познати како сончеви плочи или фотонапонски плочи.
Ќелиите се користат за детекција на светлина или друг облик на електромагнетно зрачење близу видливиот спектар, на пример детектор на инфрацрвено зрачење или мерење на интензитетот на светлината.
Фотонапонските ќелии можат да се користат како самостојни извори на енергија или како додатни извори на енергија. Како самостојни извори на енергија се користат за: сателити, сообраќајни знаци, калкулатори и други објекти кои бараат долготраен извор на енергија.
Како додатен извор на енергија, фотонапонските ќелии можат да се приклучат на електрична мрежа, но засега тоа е неисплатливо. Сончевите ќелии често се спојуваат и се затвораат во модули. Фотонапонските модули главно имаат стаклена плоча која ја пропушта светлината и во исто време го штити полуспроводникот од природните појави. Сончевите ќелии исто така се често споени сериски во модул, создавајќи вкупен напон. Доколку се споени паралелно тогаш се формира поголема струја. Потоа модулите се спојуваат меѓусебно сериски или паралелно или и на двата начина. За да се искористи практично енергијата добиена од сонцето, електрицитетот најчесто се предава на електрична мрежа со употреба на „инвертор“. Во самостојните системи за чување на енергија која моментално не е потребна се користат батерии. Сончевите плочи можат да се користат за погон или полнење на преносливи уреди.
Како работат сончевите ќелии?
1.Фотоните од сончевата светлина удираат во сончевите плочи и полуспроводничиот материјал како силициумот ги апсорбира.
2.Електроните се потиснуваат од атомот и стануваат слободни, т.е. можат слободно да протекуваат низ материјалот, со што се формира струја. Поради специфичната градба на сончевите ќелии, електроните можат да се движат само во една насока.
3.Полето на сончеви ќелии ја претвора сончевата енергија во употребливо количество на еднонасочна струја.
9 Силициум(Si) и германиум(Ge)
Иако развојот на полуспроводничката електроника започнува со Ge, со појавата на микроелектрониката, Si станува најважен полуспроводнички елемент.
Силициум е најупотребуваниот полуспроводнички материјал кој е основа во структурата на компјутерските чипови и останатиот хардвер. Ултрачистиот силициум може да биде смешан со други елементи за да се адаптира неговиот електричен одговор со контролирање на бројот и полнежот (позитивен и негативен) на постоечките серии. Таква контрола е потребна за транзисторите, сончевите ќелии, полуспроводничките детектори и други полуспроводнички направи кои се користат во електрониката и другите високотехнолошки апликации.
Силициумот секогаш содржи различни примеси кои, зависно дали нивните нивоа се поблиску до валентната зона или спроводната зона, можат да се однесуваат како акцептори или дарители. Ова по правило важи за тривалентните (акцепторски) примеси односно петвалентните (дарителски) примеси.
Ако кристалниот силициум се помеша со примес од друг материјал, спроводливоста на силициумот може да се смени. Силициумот има 4 валентни електрони во највисокиот енергетски слој. Ако на силициумот се додаде мала количина на пример од материјал кој има петвалентни електрони (фосфор,арсен или друг елемент од 5 група), ќе се појават вишок слободни електрони кои ја зголемуваат спроводливоста на силициумот. Таквите примеси се викаат дарителски примеси, бидејќи тие даваат електрони, а така добиениот силициум се вика Н-тип на силициум, бидејќи има повеќе слободни носители на негативни полнежи отколку празнини.
Ако на силициумот се додаде мала количина на пример од материјал кој има тривалентни електрони (бор, индиум или други елементи од трета група), ќе се појават вишок на шуплини кои на тој начин ја зголемуваат спроводливоста на силициумот. Таквите примеси се викаат акцепторски примеси бидејќи привлекуваат (примаат) слободни електрони, а така добиениот силициум се нарекува П-тип на силициум, бидејќи има повеќе слободни носители на позитивен полнеж (шуплини) отколку електрони.
Si ги има следниве предности:
:*Si е значително полесен (2 пати), што е важно за изработка на лесни склопови.
:*Распространет е во вид на евтини суровини (SiO3, кварцен песок)
:*Има 2 пати поголема топлинска спроводливост, што оневозможува локални загревања кај микроелектронските кола
:*Максималната работна температура му е до 200̊̊ C, a за Ge е под 100̊ C
:*Si многу лесно оксидира и создава стабилен изолациски SiO2 слој што е важно во технологијата за изработка на интегрирани кола.
Силициумот се употребува во:
:-Интегрираните кола
:-Полуспроводничките мемории
:-Фотодетекторите
:-Балистичките кола
:-Тиристорите
:-Сончевите ќелии
Иако развојот на полуспроводничката електроника е поврзан со Ge, тој денес се употребува само за изработка на специјални полуспроводнички направи. Негова посебно добра особина е високата подвижност на носителите, поради што се применува во детекторите на оптички и јадрени зраци.
10 Полуспроводнички соединенија и легури
Заради потребата од полуспроводнички материјали со сакана големина на енергетски процеп и подвижност на носителите во последните 30 години интензивно се истражува добивањето на монокристални полуспроводнички соединенија и легури, што доведе до голем напредок во оптоелектрониката и микроелектрониката.
Најважни полуспроводнички соединенија, кои практично може да се добијат во ултрачисти монокристали и монокристални слоеви без дефекти, се соединенијата и легурите од тип III-V; Галиум арсенидот (GaAs) и индиум антимонидот (InSb).
Употребата на GaAs е во голема експанзија за изработка на оптоелектронски направи, ултрабрзи компјутери и дискретни микробранови направи.
Овој материјал има низа предности во однос на Si:
:*Има значително поголема електронска подвижност и средна брзина на поместување при заситување, што овозможува изработка на побрзи компјутери и работа на повисоки честоти.
:*GaAs – Подлога допирана со хром има полуизолациски особини, заради што можат да се намалат паразитните капацитивности и да се зголеми горната гранична честота на интегрираните кола и микробрановите направи.
:*Максималната работна температура на GaAs p-n споеви достига 300 C (додека кај Si е 200 С), поради значително поголемиот енергетски процеп, односно редуцираната сопствена топлинска генерација на парови електрон – празнина;
:*Редуцираната сопствена топлинска генерација на парови овозможува работа на помали напони и помала дисипација
:*Големината и директниот тип на енергетскиот процеп кај GaAs овозможува негова примена за ласери за разлика од Si кој има индиректен енергетски процеп.
:*Секако покрај многуте предности постои еден недостаток, а тоа е високата цена.
11 Органски полуспроводници
Во последниве години внимание привлекуваат органските полуспроводници, особено спроводните полимери, со особина на контролирано допирање, така што својствата можат да им се менуваат во широки граници од диелектрични до спроводни филмови на полиацетилен (CH)n. Со напарување на дарители (алкални метали) или акцептори (халогени елементи) се менува специфичната електрична отпорност од 107 Ωm до 10-5 Ωm. Слично се допираат полипарафенилен, полипарафенилен сулфид, полипирол, политиофен и др.
Полуспроводнички суперрешетки:
Суперрешетките се структури со еднодимензионално периодичен потенцијал, со период од околу 10 nm. Овој потенцијал се создава со селективно допирање или со регуларно повторување на хетероспоеви на два материјала со различни дебелини и енергетски процепи.
Најчесто користени се суперрешетките кај кои енергетскиот процеп на еден материјал во енергетската скала се наоѓа во енергетскиот процеп на другиот материјал. Доколку слоевите во материјалот со потесен енергетски процеп се тесни во споредба со брановите должини на електроните и празнините, тогаш енергиите на електроните и празнините се квантизирани во правец на суперрешетката. Затоа валентната и спроводната зона на полуспроводниците се разбиваат на подзони. Заради ова доаѓа до делотворно зголемување на енергетскиот процеп Еg2 (растојание меѓу најниските мини-зони во валентната и спроводната зона). Ова особина на променлив делотворен процеп Еg2 зависно од дебелината на слојот може да се нарече проектирање на енергетскиот процеп. Суперрешетката може да се разгледува како нов материјал кој се разликува од материјалите од кои е направен. Комерцијалната примена на суперрешетките би била во изработка на ласери и инфрацрвени детектори.
12 Постапки за добивање на полуспроводни материјали
Полуспроводните материјали од кои се градат полуспроводните компоненти треба да ги имаат следните својства:
-Голема хемиска чистота, без која ефектот на допирањето кое се остварува во многу мали концентрации не би можел да се манифестира.
-Потребно е големо совршенство во кристалната структура, односно отсуство на дефекти кои би довеле до појава на дополнителни енергетски нива. Ако на пример во еден p-n преод би се јавила една граница на зрната, исправувачкиот ефект би исчезнал или многу би се намалил. Исто би делувала и зголемена концентрација на дислокации.
Големата хемиска чистота се постига со методата на зонско топење:
При зонското топење, цилиндрично парче од полуспроводничкиот материјал се става во графитно садче. Намотка со високочестотна струја полека се движи така што го опфаќа садот заедно со полуспроводникот. Во полуспроводникот се индуцираат Фукоови струи кои предизвикуваат локално топење на полуспроводникот.
При придвижувањето, растопената зона ги повлекува нечистотиите од полуспроводникот, бидејќи во стопениот дел тие полесно се раствораат. Стврднатиот дел на тој начин се пречистува, а нечистотиите се однесуваат на крајот од шипката
од материјалот, од каде се отстрануваат со отсекување. Постапката треба да се изврши во контролирана атмосфера за да се одбегне загадување кое би дошло од атмосферата. Со едно поминување на грејачот преку полуспроводникот концентрацијата на нечистотии само се намалува, а не се отстранува докрај. Затоа, потребно е постапката да се повтори повеќепати. Обично тоа се извршува на тој начин, што високочестотниот грејач има повеќе групи навивки на извесно растојание, па истовремено постојат повеќе стопени зони.
Откако се постигне потребната хемиска чистота, потребно е да се обезбеди и потребната кристална совршеност, односно да се добие полуспроводникот во вид на големо парче монокристал.
Обично за ова се користи методата на Чохралски:
При оваа метода, полуспроводникот се наоѓа во стопена состојба во сад при температура малку повисока од точката на топење. Мал монокристал наречен „семе“ од истиот полуспроводник каков се извлекува и ориентиран во саканиот правец, прицврстен е на крајот од едно вретено и ставен во контакт со површината на растопениот полуспроводник.
Отпрво се остава семето лесно површински да се растопи со цел да се натопи од сите страни со течниот полуспроводник. Притоа преку вретеното се одзема извесно количество топлина, така што ќе започне стврднување на слоевите околу семето во продолжение на кристалните оски, односно ќе почне кристалот да „расте“ или да се „извлекува“. Во ова фаза вретеното се става во многу спора ротација и уште поспоро дигање нагоре, така што секогаш се одржува меѓуспојот цврсто тело - течност во близината на површината.
Со ротацијата се спречува постоење на температурни разлики кои би го нарушиле правилното формирање на кристалот. На ваков начин се растат шипки од монокристален полуспроводник со пречник до 10 cm и со должина до 1 m. Потоа од монокристалот се сечат тенки плочки врз кои се градат полуспроводните компоненти,
диоди, транзистори, интегрирани кола.
13 Заклучок
Ниту самите научници кои работеле на истражувањето на полуспроводничките материјали не можеле да замислат колкаво влијание нивниот труд би оставил врз идните генерации.
Денес поголемиот дел од електронските компоненти и направи не можат да се замислат без полуспроводничките материјали, како основни.
Полуспроводничките материјали ги користиме за производство на интегрирани кола, за изработка на електронски компоненти, ласери, ќелии и за многу други работи без кои денес животот не може да се замисли.
Сите уреди, кои ние ги применуваме во секојдневната употреба, всушност, се состојат од полуспроводници, и затоа скоро секој современ уред може да се нарече полуспроводнички.
За подобро да се разбере зошто полуспроводниците се толку корисни, накратко објаснивме некои нивни основни одлики, видови на полуспроводници, својства, постапки за добивање и примена во секојдневниот живот.