Mi az a félvezető? Definíció, működés és alkalmazások
Mi az a félvezető? Ismertető: definíció, működés és alkalmazások — szilícium, n/p típusok, tranzisztorok és felhasználásuk a modern elektronikában.
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.
Félvezető alapú elektronikus alkatrészek
Történelem
A félvezetőket már az 1830-as években laboratóriumokban tanulmányozták. Michael Faraday 1833-ban ezüstszulfiddal kísérletezett. Felfedezte, hogy az anyagot melegítve jobban vezeti az elektromosságot. Ez éppen az ellenkezője volt annak, ahogyan a réz viselkedett. Amikor a rezet melegítik, kevésbé vezeti az elektromosságot. Számos más korai kísérletező is felfedezte a félvezetők egyéb tulajdonságait. 1947-ben a New Jersey-i Bell Labs-ben feltalálták a tranzisztort. Ez vezetett az integrált áramkörök kifejlesztéséhez, amelyek ma szinte minden elektronikus eszközt működtetnek.
Félvezető-dopping
Dopping
A dózerolás az a folyamat, amikor egy tiszta félvezetőhöz egy kis szennyeződést adnak hozzá, hogy megváltoztassák annak elektromos tulajdonságait. Az enyhén és mérsékelten adalékolt félvezetőket extrinsicnek nevezik. Az olyan nagymértékben adalékolt félvezetőt, amely inkább vezetőként, mint félvezetőként viselkedik, degeneráltnak nevezzük. A legtöbb félvezető szilíciumkristályokból készül. A tiszta szilíciumnak kevés haszna van, de az adalékolt szilícium a legtöbb félvezető alapja. A Szilícium-völgy a nevét az ott található nagyszámú félvezetőgyártó startup cégről kapta.
Félvezetők ma
Napjainkban a félvezetőket széles körben használják. A félvezetők szinte minden elektronikus eszközben megtalálhatók. Az asztali számítógépek, az internet, a táblagépek, az okostelefonok mind-mind nem lennének lehetségesek félvezetők nélkül. A félvezetőkből kis feszültséggel nagyon pontos kapcsolók készíthetők. Az a feszültség, amelyre a félvezetőnek nincs szüksége, az eszközben lévő más elektromos alkatrészekhez küldhető. A félvezetők nagyon apróvá is tehetők, és sokuk egy meglehetősen kis áramkörbe is belefér. Mivel ilyen kicsire lehet őket készíteni, az elektromos eszközök ma már vékonyak és könnyűek lehetnek anélkül, hogy a feldolgozási teljesítmény rovására mennének. A félvezető-üzletágban meghatározó vállalatok közé tartozik az Intel Corporation, a Samsung Electronics, a TSMC, a Qualcomm és a Micron Technology.
Kapcsolódó oldalak
- Dióda
- Tranzisztor
- Fénykibocsátó dióda
- N-típusú félvezető
- Integrált áramkör
Kérdések és válaszok
K: Mi az a félvezető?
A: A félvezető olyan anyag, amely bizonyos esetekben vezeti az elektromosságot, más esetekben viszont nem. Nem vezet olyan jól, mint az olyan jó elektromos vezetők, mint a réz vagy az ezüst, és nem gátolja az áram áramlást, mint az olyan szigetelők, mint a gumi vagy a műanyag.
K: Mik azok az n-típusú és p-típusú félvezetők?
V: Az n-típusú és p-típusú félvezetőket úgy hozzák létre, hogy a félvezető kristályrácsába (rácsába) különböző atomokat adnak, ami megváltoztatja a vezetőképességét.
K: Mire használják a szilíciumot?
V: A szilícium a legfontosabb kereskedelmi félvezető, amelyből tranzisztorokat, azaz kis erősítőket lehet készíteni, amelyeket számítógépekben, mobiltelefonokban, digitális hanglejátszókban és sok más elektronikus eszközben használnak.
K: Milyen más anyagokat használnak még félvezetőként?
V: A szilícium mellett a gallium-arzenidet is használják félvezetőként.
K: Hogyan viselkednek az elektronok egy szilárd anyagban?
V: A szilárd anyagokban az elektronok 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.
K: Miért használnak gyakran szigetelőanyagokat az emberek áramütés elleni védelmére?
V: A szigetelők blokkolják az áram áramlását, ezért az áramütés elleni védelemre használhatók azáltal, hogy megakadályozzák, hogy az elektromos áram áthaladjon rajtuk.
K: Hogyan működnek a tranzisztorok?
V: A tranzisztorok kis erősítőként működnek, amelyek egy bemeneti jelet vesznek fel, és felerősítik azt, mielőtt magasabb szinten adják ki, mint amit eredetileg bevittek.
Keres