Co to jest półprzewodnik i do czego służy?

Jiahui Huang/Flickr/CC BY-SA 2.0

Półprzewodnik to materiał, który ma pewne unikalne właściwości w sposobie, w jaki reaguje na prąd elektryczny. Jest to materiał o znacznie niższych oporach przepływu prąd elektryczny w jednym kierunku niż w drugim. Przewodność elektryczna półprzewodnika jest pomiędzy dobrym przewodnikiem (jak miedź) a izolatorem (jak guma). Stąd nazwa półprzewodnik. Półprzewodnik to również materiał, którego przewodność elektryczną można zmienić (tzw. domieszkowanie) poprzez zmiany temperatury, zastosowane pola lub dodanie zanieczyszczeń.

Chociaż półprzewodnik nie jest wynalazkiem i nikt nie wynalazł półprzewodnika, istnieje wiele wynalazków, które są urządzeniami półprzewodnikowymi. Odkrycie materiałów półprzewodnikowych pozwoliło na ogromne i ważne postępy w dziedzinie elektroniki. Potrzebowaliśmy półprzewodników do miniaturyzacji komputerów i części komputerowych. Potrzebowaliśmy półprzewodników do produkcji części elektronicznych, takich jak diody, tranzystory i wiele innych ogniwa fotowoltaiczne .

Materiały półprzewodnikowe obejmują pierwiastki krzem i german oraz związki arsenku galu, siarczku ołowiu lub fosforku indu. Istnieje wiele innych półprzewodników. Nawet niektóre tworzywa sztuczne mogą być półprzewodnikami, co pozwala na zastosowanie plastikowych diod elektroluminescencyjnych (LED), które są elastyczne i można je formować w dowolny pożądany kształt.

Co to jest doping elektronowy?

Według dr Kena Mellendorfa at Newtona Zapytaj naukowca :

„Doping” to procedura, dzięki której półprzewodniki, takie jak krzem i german, są gotowe do użycia w diodach i tranzystorach. Półprzewodniki w swojej niedomieszkowanej formie są w rzeczywistości izolatorami elektrycznymi, które nie izolują zbyt dobrze. Tworzą wzór krystaliczny, w którym każdy elektron ma określone miejsce. Większość materiałów półprzewodnikowych ma cztery elektrony walencyjne , cztery elektrony w zewnętrznej powłoce. Umieszczając jeden lub dwa procent atomów z pięcioma elektronami walencyjnymi, takimi jak arsen, z półprzewodnikiem o czterech elektronach walencyjnych, takim jak krzem, dzieje się coś interesującego. Nie ma wystarczającej liczby atomów arsenu, aby wpłynąć na ogólną strukturę kryształu. Cztery z pięciu elektronów są używane w taki sam sposób jak w przypadku krzemu. Piąty atom nie pasuje do struktury. Nadal woli wisieć w pobliżu atomu arsenu, ale nie trzyma się go ciasno. Bardzo łatwo go oderwać i przebić przez materiał. Półprzewodnik z domieszką jest bardziej podobny do przewodnika niż półprzewodnik z domieszką. Można również domieszkować półprzewodnik atomem trójelektronowym, takim jak aluminium. Aluminium wpasowuje się w strukturę kryształu, ale teraz w strukturze brakuje elektronu. To się nazywa dziura. Wprawienie sąsiedniego elektronu w ruch do dziury to coś w rodzaju poruszania się dziury. Umieszczenie półprzewodnika domieszkowanego elektronami (typu n) z półprzewodnikiem domieszkowanym dziurami (typu p) tworzy diodę. Inne kombinacje tworzą urządzenia takie jak tranzystory.

Historia półprzewodników

Termin półprzewodnik został po raz pierwszy użyty przez Alessandro Volta w 1782 roku.

Michael Faraday był pierwszą osobą, która zaobserwowała efekt półprzewodnikowy w 1833 roku. Faraday zauważył, że opór elektryczny siarczku srebra zmniejsza się wraz z temperaturą. W 1874 roku Karl Braun odkrył i udokumentował pierwszy efekt diody półprzewodnikowej. Braun zaobserwował, że prąd płynie swobodnie tylko w jednym kierunku na styku metalowego punktu z kryształem galeny.

W 1901 opatentowano pierwsze urządzenie półprzewodnikowe, zwane „kocimi wąsami”. Urządzenie zostało wynalezione przez Jagadis Chandra Bose. Kocie wąsy to półprzewodnikowy prostownik punktowy używany do wykrywania fal radiowych.

Tranzystor to urządzenie wykonane z materiału półprzewodnikowego. John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley wspólnie wynaleźli tranzystor w 1947 w Bell Labs.

Źródło

• Narodowe Laboratorium Argonne. „NEWTON – Zapytaj naukowca”. Archiwum internetowe, 27 lutego 2015 r.