Halvleder

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk

Halvledere er stoffer som ikke er gode elektriske ledere i ren form, men som under visse omstendigheter vil kunne lede strøm godt.

Atomene i en halvleder låner bort elektronene i sine ytterste elektronskall til nabo-atomene, slik at atomene fyller opp hverandres ledige elektronplasser i de ytterste skallene. Dermed er alle ytterskallelektronene involvert i bindingene mellom atomene, og det er ingen igjen som kan bevege seg fritt. Når elektroner ikke kan forflyttes innen stoffets omfang, sier vi at stoffet ikke kan lede strøm, og stoffet er da en isolator.

Halvledere vil kunne lede noe strøm hvis de varmes opp, eller det settes på en tilstrekkelig høy ytre spenning som river løs elektroner med makt. Annerledes er det hvis halvlederstoffet målrettet forurenses med små mengder andre grunnstoffer i fremstillingsprosessen, en prosess som kalles doping. De forurensende stoffene forstyrrer halvlederens lokale elektronbalanse og gir halvlederen enten et overskudd eller et underskudd av elektroner, alt etter hvilket grunnstoff halvlederen forurenses med. Elektronene som stammer fra forurensningen kan forflytte seg over hele stoffet, som altså slik er blitt til en leder. Når forurensningen er slik at det er oppstått underskudd av elektroner, vil elektroner fra naboatomer kunne flytte seg til de ledige plassene som er oppstått. Også denne mekanismen virker over hele stoffets omfang.

Dopingen foregår helst ikke ved fremstillingen av selve råmaterialet, men i fremstillingsprosesser under danningen av komponenten selv. Ofte blir av prosesstekniske årsaker dopingstypen endret, for eksempel fra P til N ved at en ny doping overstyrer den forrige. Doping kan foreså ved bestråling med atomer i vakuum eller ved å la halvlederen ligge i en egnet atmosfære, med styrt trykk, temperatur og konsentrasjon, over en tid. Deler av komponenten maskeres midlertidig i de områder som ikke skal endres.

Plassene der det er underskudd av elektroner kalles for hull. Hull kan slik betraktes som egne positive ladningsbærere. Se ladningsbærere.

Det mest vanlige halvledermaterialet er i dag silisium (Si), som er utgangspunktet for mange moderne elektronikkomponenter som transistorer og dioder. Tidligere ble germanium (Ge) mye brukt.

Karbon (C) i diamantform er også en halvleder (med meget stort båndgap). Diskrete motstander er ofte laget av karbon. De nevnte halvlederne står under hverandre i Periodesystemet, og har 4 elektroner hver i sine ytterste skall. Noen få andre typer halvledere kan dannes ved å sette sammen flere grunnstoffer, som for eksempel Galliumarsenid (GaAs). Vann er også en halvleder.

En halvleder kalles P-dopet (positiv) hvis den har overskudd av hull, og N-dopet (negativ) hvis den har overskudd av elektroner. Ved å sette P- og N-dopede halvledere inntil hverandre oppstår et område der stoffet på den ene siden har hull og på den andre siden elektroner som ladningsbærere. Området kalles en P-N overgang og er en diode. Dette utnyttes i stor skala i elektronikkindustrien. For eksempel vil en PN-overgang hindre elektroner å gå fra P til N men ikke fra N til P, dvs. strøm kan ledes fra P til N og ikke omvendt (se strømretning). Det samme gjelder også for hullene. De kan ikke gå fra N til P og leder dermed også kun strøm fra P til N. To veldig vanlige kombinasjoner er:

  • PN, kalles diode og gjør at strømmen bare kan gå i den ene retningen,
  • Med tre lag, eller to overganger, PNP eller NPN, kalles konstruksjonen en bipolar transistor. Her er det strømmen som tilføres det midterste laget (basis) som styrer strømmen gjennom alle tre lagene.