Halvleder: Hvad er det? Definition, typer, silicium og anvendelser
Halvleder – hvad er det? Få en klar definition, gennemgang af typer, silicium, dopning (n-/p-type) og praktiske anvendelser i transistorer, computere og mobiltelefoner.
En halvleder er et materiale, der i nogle tilfælde kan lede elektricitet, men ikke i andre tilfælde. Gode elektriske ledere som kobber eller sølv lader let elektricitet strømme igennem sig. Materialer, der blokerer for strømmen af elektricitet, som f.eks. gummi eller plastik, kaldes isolatorer. Isolatorer bruges ofte til at beskytte folk mod elektriske stød. Som navnet antyder, leder en halvleder ikke lige så godt som en leder. Silicium er den mest anvendte halvleder, men galliumarsenid anvendes også.
Ved at tilføje forskellige atomer i halvlederens krystalgitter (gitter) ændres dens ledningsevne ved at lave n-type og p-type halvledere. Silicium er den vigtigste kommercielle halvleder, men der anvendes også mange andre halvledere. De kan laves til transistorer, som er små forstærkere. Transistorer anvendes i computere, mobiltelefoner, digitale lydafspillere og mange andre elektroniske apparater.
Ligesom andre faste stoffer kan elektronerne i halvledere kun have energier inden for visse bånd (dvs. energiniveauer) mellem energien i grundtilstanden, som svarer til elektroner, der er tæt bundet til materialets atomkerner, og den frie elektronenergi, som er den energi, der kræves for at en elektron kan slippe helt ud af materialet.
Grundlæggende begreber
Halvlederes egenskaber forklares ofte ved hjælp af energibånd: valensbåndet (hvor elektroner er bundet til atomerne) og ledningsbåndet (hvor elektroner kan bevæge sig frit og føre strøm). Mellem disse ligger båndgabet (band gap), et energispænd som bestemmer, hvor let elektroner kan løftes fra valens- til ledningsbåndet. For eksempel har silicium et båndgab på cirka 1,12 eV ved stuetemperatur, mens galliumarsenid har omkring 1,42 eV. Størrelsen af båndgabet påvirker optiske og elektriske egenskaber og derfor anvendelsesområderne.
Intrinsic og extrinsic halvledere
En intrinsisk halvleder er ren og har kun de elektroner og huller, som fremkommer ved termisk excitation. Antallet af frie ladningsbærere stiger med temperaturen. For at få bedre ledningsevne fremstiller man ofte en extrinsic (dopat) halvleder ved at tilføre små mængder andre grundstoffer:
- n-type: Tilføjelse af donoratomer (fx fosfor i silicium) giver ekstra elektroner som bærer ladningen.
- p-type: Tilførsel af acceptoratomer (fx bor i silicium) skaber "huller" (manglende elektroner), som også kan bevæge sig og føre strøm.
Hvordan doping virker
Doping ændrer krystalgitterets elektronstruktur: donoratomer har en ekstra valenselektron, der let frigives til ledningsbåndet, mens acceptoratomer mangler en elektron og dermed skaber et positivt hul i valensbåndet. Ved at kombinere n- og p-typer i et lagdelt mønster kan man lave p–n- overgange, som er fundamentet for dioder, lysdioder (LED), fotodioder og solceller.
Vigtige halvledermaterialer
- Silicium (Si): Mest udbredt i mikroelektronik og solceller. Billigt og abundant, godt for CMOS-teknologi.
- Galliumarsenid (GaAs): Bruges i højfrekvens- og optoelektroniske enheder (LED, laserdiode) pga. hurtigere elektronstransport og direkte båndgab.
- Germanium (Ge): Tidlig transistorhalvleder, anvendes i visse højhastigheds- og fotodetektoranvendelser.
- Komplekse halvledere: III–V og II–VI forbindelser (fx InP, GaN) til optoelektronik og højeffektsapplikationer.
Halvlederkomponenter og -enheder
Fra enkle p–n-dioder til komplekse integrerede kredsløb fremstilles en lang række komponenter:
- Diode: Leder strøm i én retning; basis for ensretning, spændingsregulering og fotodetektion.
- Transistor: Både bipolar junction transistors (BJT) og field-effect transistors (FET). Transistorer er grundlaget for logik og forstærkning; især MOSFET er central i moderne IC’er.
- Integrerede kredsløb (IC): Millioner til milliarder af transistorer på et enkelt siliciumskive (wafer) laver microprocessorer, hukommelse og sensorer.
- Optoelektroniske enheder: LED, laserdiode, fotodioder og solceller, som omdanner mellem lys og elektricitet.
Fremstillingsmetoder
Produktion af halvlederkomponenter er præcisionsarbejde i rene rum (cleanrooms). Centrale processer omfatter:
- Vækst af monokrystallinske wafere (Czochralski-metoden for silicium).
- Oxidation og fotolitografi til at definere mønstre på waferens overflade.
- Doping via diffusion eller ionimplantation for at skabe n- og p-områder.
- Etching, metallisering og passivering for at etablere kontakter og beskytte enhederne.
Temperatur- og miljøpåvirkninger
Halvlederes ledningsevne er temperaturafhængig: ved højere temperaturer øges antallet af thermisk eksiterede ladningsbærere, men mobiliteten kan falde pga. øget spredning. På samme måde påvirker stråling, urenheder og mekanisk stress enheders ydeevne og levetid. Fabrikation kræver stor energimængde og strenge miljøkontroller, men silicium er i sig selv et af jordens mest almindelige grundstoffer, hvilket gør materialet relativt bæredygtigt på lang sigt.
Anvendelser
Halvledere findes i næsten alle moderne elektroniske systemer:
- Computere, smartphones og datacenterchips (CPU, GPU, hukommelseschips).
- Kraft-elektronik til elbiler, invertere og strømadministration.
- Kommunikation: RF-komponenter, antenner og højfrekvensforstærkere.
- Sensorer: billedsensorer, temperatur- og tryksensorer.
- Energi: solceller og elektriske styringssystemer.
- Optik: LED-belysning, fiberlasere og optiske sensorer.
Fremtid og udfordringer
Halvlederindustrien udvikler sig mod mindre transistorstørrelser (fortsat miniaturisering), nye materialer (fx wide-bandgap som GaN og SiC til effektapplikationer) og integration af optik og elektronik på samme chip. Udfordringer inkluderer produktionsomkostninger, varmegenerering i tætpakkede chips, forsyningskævesikkerhed for kritiske materialer og miljøpåvirkninger fra fremstilling.
Opsummering
En halvleder befinder sig mellem ledere og isolatorer i sin evne til at lede elektricitet. Ved kontrol af materialets renhed og ved doping kan man styre elektrisk ledningsevne og fremstille en lang række komponenter som transistorer og dioder. Silicium dominerer kommercielt, men andre materialer som galliumarsenid har vigtige specialanvendelser. Halvledere er kernen i moderne elektronik, fra computere til solceller og kommunikationsudstyr, og de vil fortsat være centrale i teknologisk udvikling.
Elektroniske komponenter på basis af halvledere
Historie
Halvledere blev undersøgt i laboratorier allerede i 1830'erne. I 1833 eksperimenterede Michael Faraday med sølvsulfid. Han opdagede, at når materialet blev opvarmet, blev det bedre til at lede elektricitet. Dette var det modsatte af, hvordan kobber virkede. Når kobber opvarmes, leder det mindre elektricitet. En række andre tidlige eksperimentatorer opdagede andre egenskaber ved halvledere. I 1947 blev transistoren opfundet på Bell Labs i New Jersey. Dette førte til udviklingen af integrerede kredsløb, som driver næsten alle elektroniske apparater i dag.
Halvleder-doping
Doping
Doping er en proces, hvor der tilsættes en lille urenhed til en ren halvleder for at ændre dens elektriske egenskaber. Let og moderat doterede halvledere kaldes extrinsiske halvledere. En halvleder, der er så højt doteret, at den fungerer mere som en leder end som en halvleder, kaldes degenereret. De fleste halvledere er fremstillet af siliciumkrystaller. Rent silicium har kun ringe anvendelse, men doteret silicium er grundlaget for de fleste halvledere. Silicon Valley blev opkaldt efter det store antal nystartede halvledervirksomheder, der var placeret der.
Halvledere i dag
I dag anvendes halvledere vidt og bredt. Halvledere findes i næsten alle elektroniske apparater. Stationære computere, internettet, tablets og smartphones ville alle ikke være mulige uden halvledere. Halvledere kan laves til meget præcise kontakter med en lille mængde spænding. Den spænding, som halvlederen ikke har brug for, kan sendes til andre elektriske komponenter i enheden. Halvledere kan også gøres meget små, og mange af dem kan passe ind i et ret lille kredsløb. Da de kan gøres så små, kan elektriske apparater i dag gøres tynde og lette uden at gå på kompromis med processorkraften. Nogle af de dominerende virksomheder inden for halvlederbranchen er Intel Corporation, Samsung Electronics, TSMC, Qualcomm og Micron Technology.
Relaterede sider
- Diode
- Transistor
- Lysemitterende diode
- N-type halvleder
- Integreret kredsløb
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er en halvleder?
A: En halvleder er et materiale, som i nogle tilfælde vil lede elektricitet, men ikke i andre tilfælde. Det leder ikke lige så godt som gode elektriske ledere som kobber eller sølv, og det blokerer ikke for strømmen af elektricitet som isolatorer som gummi eller plastik.
Sp: Hvad er n-type og p-type halvledere?
Svar: N- og p-type halvledere skabes ved at tilføje forskellige atomer i halvlederens krystalgitter (gitter), hvilket ændrer dens ledningsevne.
Sp: Hvad bruges silicium til?
A: Silicium er den vigtigste kommercielle halvleder, og det kan fremstilles til transistorer, som er små forstærkere, der anvendes i computere, mobiltelefoner, digitale lydafspillere og mange andre elektroniske apparater.
Spørgsmål: Hvilke andre materialer anvendes som halvledere?
A: Ud over silicium anvendes galliumarsenid også som halvleder.
Spørgsmål: Hvordan opfører elektroner sig i et fast materiale?
A: Elektronerne i faste materialer kan kun have energier inden for visse bånd (dvs. energiniveauer) mellem energien i grundtilstanden, som svarer til elektroner, der er tæt bundet til materialets atomkerner, og den frie elektronenergi, som er den energi, der kræves for, at en elektron kan slippe helt ud af materialet.
Sp: Hvorfor bruges isolatorer ofte til at beskytte folk mod elektriske stød?
A: Isolatorer blokerer strømmen af elektricitet, så de kan bruges til at beskytte folk mod elektriske stød ved at forhindre, at en elektrisk strøm passerer gennem dem.
Spørgsmål: Hvordan fungerer transistorer?
A: Transistorer fungerer som små forstærkere, der tager et indgangssignal og forstærker det, inden de udsender det på et højere niveau end det, der oprindeligt blev indtastet.
Søge