Halfgeleier - Wikipedia
'n Halfgeleier is 'n vastestof met geleidingseienskappe tussen 'n geleier en dié van 'n isolator; dit kan wissel oor 'n wye bestek hetsy permanent of dinamies. Halfgeleiers is belangrike materiale in vandag se tegnologie. Halfgeleiertoestelle, elektroniese komponente wat gemaak word van halfgeleiermateriale, is belangrike moderne elektriese toestelle. Hierdie toestelle word gebruik in die vervaardiging van rekenaars, selfone en digitale klankspelers. Silikon word tans gebruik om die meeste kommersiële halfgeleiers te vervaardig, maar daar bestaan dosyne ander materiale wat ook gebruik kan word.
4.4 Planêre tegnieke
5 Soorte komponente
5.1 Bipolêre transistor
5.5 LDR en termistor
Halfgeleiers het eienskappe wat baie ooreenstem met isolators. Die twee kategorieë van vastestowwe verskil hoofsaaklik in die opsig dat isolators 'n lae mobiliteit van ladingsdraers besit. In halfgeleiers is die aantal (vrye) ladingsdraers klein. Daar is 'n bandgaping tussen die energieë wat elektrone moet verkry om vrylik van atoom tot atoom te kan beweeg. In halfgeleiers verkry baie min elektrone voldoende termiese energie om oor die bandgaping te spring vanaf die valensieband tot in die geleidingsband, wat nodig is vir elektrone om beskikbaar te wees om 'n elektriese stroom te gelei. Om hierdie rede het suiwer halfgeleiers en isolators, in die afwesigheid van toegepaste elektriese velde, soortgelyke weerstande. Vir halfgeleiers met kleiner bandgapings is dit egter moontlik om ander metodes buiten termiese energie te gebruik om hulle elektriese eienskappe te beheer.
Halfgeleiers se intrinsieke elektriese eienskappe word dikwels permanent verander deur die invoeging van onsuiwerhede deur 'n doteringsproses. By benadering kan gesê word dat elke atoom van die onsuiwerheid 'n elektron of "gat" (later bespreek) byvoeg sodat elektrone vryelik kan beweeg. As 'n voldoende hoeveelheid onsuiwerheid bygevoeg word sal die halfgeleier elektrisiteit byna so goed as metale gely. Afhangende van die soort onsuiwerheid sal 'n gedoteerde gebied op die halfgeleier meer elektrone of gate hê en word dienooreenkomstig N-tipe of P-tipe halfgeleiers materiaal onderskeidelik genoem. Sperlae tussen die N- en P-tipe halfgeleiers skep elektriese velde wat veroorsaak dat elektrone en gate om van hulle af weg te beweeg, 'n eienskap wat krities is vir die werking van halfgeleiertoestelle. 'n Digtheidsverskil in die hoeveelheid onsuiwerhede lewer 'n klein elektriese veld in die gebied wat gebruik word om elektrone of gate wat nie in ewewig is nie te versnel.
Bo en behalwe die permanente verandering wat deur dotering meegebring word sal die weerstand van halfgeleiers gewoonlik dinamies verander word deur elektriese velde dinamies toe te pas. Die vermoë om die weerstand/geleiding in gebiede in die halfgeleiermateriaal te beheer deur die toepassing van elektriese velde is die eienskap wat halfgeleiers nuttig maak. Dit het gelei tot 'n wye reeks halfgeleiertoestelle, soos transistors en diodes. Halfgeleiertoestelle wat oor dinamies beheerbare geleiding beskik, soos transistors, is die boustene van geïntegreerde stroombaan-toestelle soos mikroverwerkers. Die "aktiewe" halfgeleiertoestelle (transistors) word gekombineer met passiewe toestelle wat uit halfgeleiermateriaal vervaardig word, soos onder andere kapasitore en resistors,om volledige elektroniese stroombane te lewer.
Die meeste halfgeleiers waarin die elektrone voldoende energie verloor het om vanaf die geleidingsband na die valensieband terug te val (die energievlakke tussen die bandgaping), sal lig uitstraal gelykstaande aan 'n kwantum energie in die sigbare elektromagnetiese spektrum. Hierdie foto-emissieproses is die verskynsel waarop lig-emissie diodes (LED) en halfgeleierlasers op gebaseer word. Daarteenoor kan die absorpsie van lig in fotodetektors elektrone opwek om vanaf die valensieband na die hoër geleidingsband te beweeg, 'n verskynsel wat die basis vorm vir die opwekking van elektrisiteit vanaf sonselle.
Halfgeleiers kan uit elementêre materiale soos silikon en germanium bestaan of saamgestelde halfgeleiers soos galliumarsenied en indiumfosfied of legerings soos silikongermanium of aluminiumgalliumarsenied.
Sedert 1930 is die moontlikheid ondersoek om elektroniese komponente uit halfgeleiers te vervaardig. Die eerste tipe komponent was 'n diode of gelykrigter, wat 'n elektriese stroom slegs in een rigting deurlaat en dus gebruik kan word om wisselstroom in gelykstroom om te sit.
Die seleniumgelykrigter het bestaan uit 'n laag selenium en 'n laag seleniumtinlegering. Die voegvlak tussen die twee lae vorm 'n sperlaag wat stroom net in een rigting deurlaat. 'n Ander tipe diode het bestaan uit 'n voegvlak tussen 'n metaalkontak en 'n loodsulfiedkristal wat in kristalradio's gebruik is. In 1948 het die Amerikaners William Shockley, Walter Brittain en John Bardeen die transistor vervaardig, waarvoor hulle in 1956 die Nobelprys vir Fisika ontvang het. Die transistor was bipolêr, so genoem omdat twee materiale met teenoorgestelde ladings vir die samestelling gebruik is. Die eerste transistors is meestal vervaardig uit germanium, maar later is grotendeels oorgeskakel na silikon aangesien dit by hoër temperature kon werk.
Die transistor kon twee funksies verrig wat vroeër deur elektronbuise gedoen is naamlik versterking en skakeling, maar was baie kleiner en het minder energie verbruik. Aan die einde van die vyftigerjare het die transistor die buis op feitlik alle gebiede in die elektronika vervang, veral na die invoering van planêre tegnieke by die vervaardiging. 'n Nadeel van vroeëre bipolêre transistors was dat dit nie baie effektief was by hoë frekwensies nie. Die veldeffektransistor (FET) werk op 'n effens ander beginsel as die bipolêre transistor, wat dit meer geskik maak vir hoë frekwensies en vir skakelaars wat op groot skaal in rekenaars gebruik word. Ander komponente, soos Zener-diodes, wat in die tru-rigting begin gelei by 'n bepaalde spanning, is ontwikkel, asook vierlaag-diodes of tiristors wat gebruik word om groot strome aan te skakel in swaar elektriese toe rusting. Nog 'n ontwikkeling was die van die fotoëlektronika.
Hieronder val talle komponente waarvan die werking beïnvloed word deur die lig wat daarop skyn: die fotoweerstand, die fotodiode, die fototransistor, ensovoorts. Dit kan as ligmeters of as liggevoelige skakelaars in stroomkringe dien. Daar is ook komponente wat lig uitstraal wanneer dit 'n stroom gelei, die sogenaamde LED's ("light emitting diodes"), en selfs halfgeleierlasers. 'n Groot vooruitgang was die mikroëlektronika, waardeur die geïntegreerde stroombaan (IC) ontwikkel is. Met hierdie tegniek word 'n groot aantal transistors, diodes en weerstande op 'n klein silikonskyfie aangebring. Geïntegreerde stroombane is uiters betroubaar en kan goedkoop in massa vervaardig word. Dit het rekenaarvervaardiging baie vereenvoudig en prosesbeheer deur middel van mikroprosesseerders moontlik gemaak.
Suiwer silikon en germanium is intrinsieke halfgeleiermateriaal en is swak geleiers by kamertemperatuur. Die geleidingsvermoë neem toe met temperatuurstyging: germanium is 'n goeie geleier bo ongeveer 100 ˚C en silikon bo ongeveer 200 ˚C. Die halfgeleierkomponente wat in die praktyk gebruik word, word egter vervaardig van ekstrinsieke halfgeleiermateriaal. Dit is suiwer halfgeleiermateriaal waarby gekontroleerde hoeveelhede onsuiwerhede gevoeg is, sodat die geleidingsvermoë by kamertemperatuur drasties toeneem en binne perke nie veel temperatuurafhanklikheid toon nie.
Hierdie onsuiwerhede word doteerstowwe ("dope") genoem. Indien fosfor of arseen by suiwer silikon gevoeg word, ontstaan daar 'n oormaat elektrone en 'n N-tipe silikon word verkry. Die oormaat elektrone ontstaan omdat fosfor of arseen een elektron meer in die valensring het as silikon en die ekstra elektron beweeg dan vry in die kristal rond, waardeur 'n elektriese stroom gedra kan word, Indien boor of aluminium by suiwer silikon gevoeg word, ontstaan daar 'n tekort aan elektrone en 'n P-tipe silikon word verkry.
Die tekort aan elektrone ontstaan omdat boor of aluminium een elektron minder in die valensring het as silikon. Elektrone van naburige silikonatome kan hierdie "holtes" vul en so 'n elektriese stroom dra. Feitlik alle halfgeleierkomponente bevat 'n kombinasie van N-tipe en P-tipe silikon, wat saamgevoeg word tot 'n PN-voegvlak.
Germanium word gesuiwer deur chemiese metodes en sonesmelting. Dit word dan gesmelt en gedoteer deur 'n klein hoeveelheid N-doteerstof by die gesmelte germanium te voeg. Dit word by 'n temperatuur net bokant die smeltpunt gehou en 'n klein germanium-entkristal word in kontak met die gesmelte germanium gebring. Die entkristal dien as groeipunt waarom die germanium kristalliseer, sodat 'n groot enkelkristal sal vorm wanneer die entkristal stadig uit die gesmelte germanium getrek word.
Met hierdie sogenaamde Czochralskitegniek kan homogene kristalle van etlike kilogram verkry word. Die kristal word dan in dun plaatjies gesaag en glad gepoleer, aangesien ladingsdraers in onreëlmatighede vasgevang kan word, wat die eienskappe van 'n transistor kan beïnvloed. Die eerste beskikbare transistors was puntkontaktransistors. Dit is verkry deur twee indiumdraadjies (indium is 'n P-tipe doteerstof) aan weerskante van die germaniumplaatjie in te smelt, waardeur 'n PNP-transistor verkry word. Vir goeie transistorwerking moet die middelste laag, die basis, baie dun wees.
In hierdie tegniek word N-tipe of P-tipe halfgeleiermateriaal verhit tot 'n temperatuur net onder smeltpunt en in kontak gebring met die damp van die doteerstof. Die doteerstof beweeg dan deur diffusie in die materiaal in. Die graad van dotering ("doping") en doteringsprofiel kan akkuraat beheer word deur die temperatuur, konsentrasie doteerstof en diffusietyd te varieer en transistors met 'n basisdikte van minder as 10‾⁶m (1 mikron) kan vervaardig word.
Die sonesmelttegniek en Czochralski-tegniek is nie baie geskik vir silikon nie, aangesien gesmelte silikon besoedel word deur onsuiwerhede van die smeltkroes. Suiwer silikon kan verkry word deur die reduksie van trichloarsilaan, SiHCe3, of silikontetrachloried, SiCI4, met waterstof.
Hierdie twee vlugtige verbindings kan baie suiwer verkry word deur distillasie in kwartsapparaat. Die dampe word dan in die teenwoordigheid van enkelkristal-silikon met behulp van waterstof gereduseer en die silikon groei op die enkelkristal. Gewoonlik is die enkelkristal 'n plat skyfie, en 'n dun lagie baie suiwer silikon kan op die skyfie gekweek word, 'n proses bekend as epitaksie. Doteerstowwe kan by die dampe gevoeg word sodat N- of P-tipe epitaksiale silikon verkry word. Silikon kan ook gedoteer word met die diffusietegniek, maar die doteringsprofiel is sodanig dat dele naby die oppervlak altyd baie swaar gedoteer is.
Vroeër is transistors gemaak deur diffusie aan die bo- en onderkant van 'n silikonskyfie. Die skyfie vorm die basis waarop die emittor en die kollektor deur diffusie aangebring is. In die planêre tegniek word alle diffusieprosesse slegs aan die bokant van die skyfie gedoen en alle kontakte is ook aan die bokant.
Die oorspronklike skyfie vorm die kollektor, en die basis en emittor word agtereenvolgens met diffusie verkry. In hierdie tegniek is dit dan nodig om bepaalde gebiede af te skerm gedurende diffusie, wat gedoen word deur 'n oksiedlaag (SiO2) oor die hele skyfie te kweek deur dit by 'n hoë temperatuur in suurstof of stoom te verhit. Die oksied word nou bedek met 'n liggevoelige lagie materiaal, bekend as fotolak. 'n Masker met 'n bepaalde patroon word oor die fotolak geplaas en belig met ultraviolet lig, waarna sekere gedeeltes van die fotolak tydens die ontwikkeling verwyder word volgens die patroon van die masker.
Vervolgens word die oksiedlagie verwyder deur chemiese etsing slegs in gebiede wat nie met fotolak bedek is nie. Die skyfie met die oksiedpatroon word dan in 'n diffusie-oond geplaas en slegs die kaal gedeeltes word (tot 'n N- of P-vlak) gedoteer, aangesien doteerstowwe nie deur die oksiedlagie kan dring nie. Om N- of P-vlakke op ander gedeeltes van die skyfie te laat vorm, word die proses herhaal. Die oksiedlaag is baie stabiel en isoleer die oppervlak van die silikon. In sommige tegnieke word die oksiedlagie nie verwyder nie, maar speel self 'n rol by die MOS- ("metal-oxide-semiconductor") komponente soos veldeffektransistors en geïntegreerde stroombane.
'n Ander tegniek om doteerstowwe in silikon te laat indring, is om dit in te skiet met 'n deeltjieversneller. Die proses staan bekend as ioonimplantasie. Die silikonskyfie word in 'n vakuumruimte geplaas en ione van die doteerstof word elektries versnel deur 'n hoë elektriese spanning van tot etlike honderd kV. Vanweë die hoë energie van die ione kan hul redelik diep in die silikon indring wanneer hulle daarmee bots. Die vorming van die doteringsprofiel kan baie beter beheer word as in die diffusietegniek en wei deur die versnelpotensiaal en implanteringstyd te varieer.
'n Nadeel van die tegniek is egter dat die silikonkristal beskadig word deur die ione en dit moet weer uitgegloei word by 'n temperatuur van ongeveer 900°C om die skade te herstel. Ioonimplantasie sal diffusie as doteringstegniek in die toekoms al hoe meer vervang.
Die elektroniese komponente op die silikonskyfie word steeds kleiner en kleiner gemaak ten einde meer komponente in 'n kleiner volume te kry. Die meeste interne verbindings in 'n IC word deur metaalopdamping en fotolitografiese etsprosesse gedoen, maar daar moet tog eksterne geleiers ook aan die IC verbind word. Hiervoor word dun draadjies van goud of aluminium gebruik. In sommige tegnieke word gebruik gemaak van termiese druklasse, waarby 'n warm maar nie gesmelte draadjie op die kontakpunte vasgedruk word. AI die prosesse word onder 'n mikroskoop met mikromanipuleerders gedoen.
Die bipolêre transistor is die oudste transistor op die mark en word gebruik vir skakeling en versterking. Sommige kan groot drywing hanteer, tot etlike honderde watt. Dit het drie kontakpunte: die basis, die kollektor en die emittor. Deur middel van die basis word die stroom deur die transistor beheer en 'n klein stroom tussen die basis en emittor veroorsaak 'n groot stroom tussen die kollektor en emittor. Die transistor kan of NPN of PNP wees.
Die veldeffektransistor ("field effect transistor", FET) het ook drie kontakpunte, die hek, die put en die bron. 'n Variasie van spanning tussen die hek en die bron veroorsaak 'n versterkte variasie in stroom tussen die put en die bron. Die FET kan 'n N-kanaal of 'n P-kanaal hê, en word hoofsaaklik gebruik as skakelaars in rekenaars.
Diodes laat slegs stroom in een rigting deur en word baie gebruik in elektroniese toestelle om 'n wisselstroom in 'n gelykstroom om te sit. 'n Zener-diode is sodanig dat dit by 'n bepaalde tru-spanning ook in die tru-rigting gelei. Hulle word gebruik om spannings in elektroniese toe rusting te stabiliseer. 'n Varicap is 'n diode wat as klein kapasitor gebruik word. Die voegvlak van die diode tree op as 'n kapasitor en die grootte van die kapasitor kan verander word deur die spanning oor die diode te varieer. Dit word gebruik by die frekwensieinstemmers van radio's en televisiestelle.
Vierlaagdiodes bestaan uit vier opeenvolgende, verskillend gedoteerde lagies. Die bekendste vorm is die tiristor of SCR ("semiconductor controlled rectifier"). 'n PNPN-tipe sal by aansluiting aan 'n spanningsbron stroom in geen rigting gelei nie. Deur 'n klein positiewe puls by die binneste P-vlak aan te lê, sal die diode kortsluit en die tiristor sal begin gelei. Dit skakel slegs af as die stroom in die tru-rigting omkeer. Tiristors kan groot strome, van tot 1 000 ampère, skakel by 220 volt 0f selfs hoër spannings, en word dus baie gebruik in die beheerstelsels van groot elektromotors.
LDR en termistorWysig
'n LDR is 'n liggevoelige weerstand. Dit het 'n hoë weerstand in die donker, maar 'n baie lae weerstand as lig daarop val. Dit word veral gebruik in beheermeganismes waarmee ligte outomaties aan- en afgeskakel word. Die termistor het 'n negatiewe weerstandskoëffisiënt. Sy weerstand daal vinnig met toename in temperatuur en word gebruik om te kompenseer vir temperatuurvariasies in elektroniese toestelle.
'n LED ("light emitting diode") is 'n diode wat lig uitstraal wanneer 'n stroom daardeur vloei. Die doeltreffendheid van energie-omsetting kan so hoog as 100% wees. LED's word baie gebruik in die syfervertoon en as waarskuwingsliggies van rekenaars en elektroniese instrumente. Dit kan ook gebruik word in optiese koppelings waar die lig wat 'n LED uitstraal, 'n LDR aktiveer (byvoorbeeld die bekende outomatiese winkeldeurklokkies wat lui as mens die ligstraal onderbreek wanneer jy instap). In hierdie tipe koppeling kan die twee komponente elektries van mekaar geskei en by verskillende potensiale wees.