A félvezető olyan anyag, amely bizonyos esetekben vezeti az elektromosságot, de más esetekben nem. A jó elektromos vezetők, mint a réz vagy az ezüst, könnyen átengedik az elektromosságot. Az elektromosság áramlását gátló anyagokat, mint például a gumi vagy a műanyag, szigetelőknek nevezzük. A szigetelőket gyakran használják arra, hogy megvédjék az embereket az áramütéstől. Ahogy a neve is mutatja, a félvezető nem vezet olyan jól, mint a vezető. A szilícium a leggyakrabban használt félvezető, de használják a galliumarzenidet is.
A félvezető kristályrácsába (rácsába) különböző atomok hozzáadásával megváltoztatja annak vezetőképességét, n-típusú és p-típusú félvezetőket hozva létre. A szilícium a legfontosabb kereskedelmi félvezető, bár sok más félvezetőt is használnak. Ezekből tranzisztorokat lehet készíteni, amelyek kis erősítők. A tranzisztorokat számítógépekben, mobiltelefonokban, digitális hanglejátszókban és sok más elektronikus eszközben használják.
Más szilárd anyagokhoz hasonlóan a félvezetők elektronjainak energiája csak bizonyos sávokon (azaz energiaszint-tartományokon) belül lehet az alapállapot energiája - amely az anyag atommagjaihoz szorosan kötött elektronoknak felel meg - és a szabad elektron energiája között, amely az elektron teljes kilépéséhez szükséges energia.
Hogyan működnek a félvezetők?
A félvezetők működésének megértéséhez fontos a tiltott sáv (band gap) és a két fő energiasáv, a valenciasáv és a vezetési sáv ismerete. Szobahőmérsékleten a félvezetőkben csak néhány elektron rendelkezik elegendő energiával ahhoz, hogy átugorja a tiltott sávot és a vezetési sávba kerüljön; ezért a tiszta (nem adalékolt) félvezető — az ún. intrinszikus félvezető — vezetőképessége korlátozott. A félvezetők vezetőképessége jellemzően nő, ha a hőmérséklet emelkedik, mert több elektron kap elég energiát a sávátlépéshez (ez ellentétes a fémek viselkedésével).
Doppozás: n-típus és p-típus
A félvezetők vezetőképességét mesterségesen is módosítják: apró mennyiségű idegen atom (dopranyag) beültetésével növelik a hordozók számát. n-típusú félvezetőben donoratomok (például foszfor vagy arzén) adnak extra szabad elektronokat, így az elektronok a többségi töltéshordozók. p-típusú félvezetőben akceptor atomok (például bór) hoznak létre lyukakat — hiányzó elektronokat — amelyek effektíve pozitív töltéshordozóként viselkednek.
Az n- és p-típusú anyagok találkozásánál jön létre a p–n átmenet, amelynek egyik legismertebb alkalmazása a dióda: egyirányú áramvezetést biztosít, és fontos szerepe van például a kapcsolóáramkörökben, egyenirányításban és fotodetektorokban.
Eszközök és alkalmazások
A félvezetőkből előállított alapvető elemekből, például diódákból és tranzisztorokból épülnek fel a modern elektronikai áramkörök. Néhány fontos alkalmazás:
- Számítógépes processzorok és memóriák (nagy integráltságú áramkörök, IC-k, CMOS technológia)
- Mobiltelefonok, táblagépek és egyéb hordozható eszközök
- Napelemek és fotovoltaikus cellák (fény hatására töltéshordozók keletkeznek)
- LED-ek és lézerek (különféle félvezető anyagok fényt bocsátanak ki)
- Szenzorok: hőmérséklet-, fény-, gáz- és mozgásérzékelők
- Teljesítélektronika: félvezetők nagyáramú és nagyfeszültségű kapcsolóelemként (például SiC, GaN alapú eszközök)
Gyakran használt félvezető anyagok
Noha a szilícium a legelterjedtebb alapanyag az integrált áramkörök gyártásához, más anyagoknak is megvan a szerepük:
- Galliumarzenid (GaAs) — jó mobilitás és optoelektronikai tulajdonságok, gyakori HF és lézeres alkalmazásokban
- Germanium — korai tranzisztorok alapanyaga, bizonyos speciális célokra ma is használják
- Szén-nitridok és szilícium-karbid (GaN, SiC) — nagy teljesítményű és magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz
Gyártás és integrálás
A félvezető eszközök gyártása precíz, tisztateres technológiát igényel. A folyamat magában foglalja a wafer előállítását, fotolitográfiát, adalékolást (dopping), vékonyréteg-lerakást és maratást. Ezekkel az eljárásokkal nagyon kis méretű (nanoméretű) struktúrákat hoznak létre, amelyekből több millió, sőt ma már több milliárd tranzisztort tartalmazó chip-ek készülnek.
Miért fontosak a félvezetők?
A félvezetők lehetővé tették az elektronika miniaturizálását, az energiahatékonyság növelését és az információs technológia robbanásszerű fejlődését. Számítógépek, kommunikáció, egészségügyi műszerek, autóipari vezérlők és megújuló energia rendszerek mind félvezető technológiára épülnek. A félvezetők tulajdonságainak finomhangolhatósága adja a modern elektronika rugalmasságát és teljesítményét.
Összefoglalva: a félvezetők anyaguknál fogva köztes viselkedést mutatnak a vezetők és szigetelők között, és tulajdonságaik mesterséges módosításával (dopping, heterostruktúrák) széles körű és változatos elektronikai komponensek készíthetők belőlük.
