For å forstå hvordan halvledere fungerer, er det viktig først å ha forstått hva som gjør at noen stoffer leder strøm, mens andre ikke gjør det.

Transkript

1 Kompendium Halvledere Stoffer som leder elektrisk strøm kalles ledere. Stoffer som ikke leder elektrisk strøm kalles isolatorer. Hva er da en halvleder? Litt av svaret ligger i navnet, en halvleder er et stoff som leder strøm, men som med noen endringer kan produseres slik at det for eksempel bare leder strøm i en retning. For å forstå hvordan halvledere fungerer, er det viktig først å ha forstått hva som gjør at noen stoffer leder strøm, mens andre ikke gjør det. Oktettregelen En viktig del av egenskapene til stoffer bestemmes av hvordan atomene er bygget opp, og særlig viktig er distribusjonen av elektroner i det ytterste skallet. Elektronene i det ytterste skallet kalles også valenselektronene. Du husker kanskje oktettregelen? Den sier at et atom er mest stabilt dersom det har 8 elektroner i ytterste skall (med unntak av H og He, som er mest stabile med 2 elektroner i ytterste skall, men det skyldes at de bare har et skall, og det er fullt med 2 elektroner). (Oktettregelen gjelder egentlig bare de 3 første periodene i periodesystemet. Etter det er det 18 valenselektroner som i hovedregel gir stabilt ytterskall.) Ledere er stoffer som leder strøm Gode ledere har få elektroner i ytterste skall. Dersom disse stoffene mister de få elektronene de har i sitt ytterste skall, blir de mer stabile, fordi det er 8 elektroner i skallet innenfor, og som oktettregelen sier, er dette en stabil konfigurasjon. Dette betyr at de i reaksjon med andre stoffer lett danner stabile, positivt ladde ioner med 8 elektroner i ytterste skall. Man kan også si at disse stoffene lett slipper elektronene sine. Dersom vi setter sammen mange atomer av en leder til en stor klump, vil denne klumpen inneholde elektroner som ikke sitter i et fullt skall med 8 elektroner. Vi må også huske at disse stoffene lett slipper slike elektroner. Disse elektronene kaller vi frie. De kan lett bevege seg bort fra atomkjernen. (I et fast stoff snakker vi ikke om ioner, men vi kan betrakte atomenes gjennomsnittladning som variabel.) Dersom vi får alle elektronene til å bevege seg samtidig i samme retning, har vi laget strøm. Dermed kan vi generelt si om ledere: De har få elektroner i ytterste skall (13) De holder dårlig på valenselektronene De danner lett positive ioner (men kun saltdannende reaksjoner med andre stoffer) Som fast stoff har de mange frie elektroner som kan brukes til å lage en strøm

2 De aller fleste metallene har nettopp disse egenskapene, og er derfor gode ledere. Isolatorer er stoffer som ikke leder strøm Gode isolatorer har mange elektroner i ytterste skall. Da skulle man kanskje tro at de hadde mange elektroner å avse til elektrisk strøm, men slik er det ikke. den de nesten har et fullt ytre skall, blir de mer stabile om de tar til seg noen ekstra elektroner, og fyller opp det nesten fulle skallet. Når de fyller opp det ytterste skallet til 8 elektroner, er de mest stabile. Dette betyr at disse stoffene nærmest suger til seg elektroner. Vi kan si at disse stoffene har en sterk evne til å holde på elektroner. Setter vi sammen atomer fra et av disse stoffene til en stor klump, vil atomene i klumpen dele elektronpar med hverandre for å oppnå 8 elektroner i de ytterste skallene. den atomene har en tendens til å trekke til seg elektroner, vil det ikke bli mange elektroner som er frie, og dermed blir det ikke lett å få elektroner til å bevege på seg slik at vi kan lage en strøm. Dermed kan vi generelt si om isolatorer: De har mange elektroner i ytterste skall (57) De holder godt på valenselektronene De danner negative ioner (men også her kun i saltdannende reaksjoner med andre stoffer) Som fast stoff har de ikke frie elektroner som kan danne strøm De beste isolatorene er ikke grunnstoffer, men sammensatte stoffer som ikke inneholder frie elektroner, som f.eks. plast Halvledere Nå har du lært om ledere og isolatorer. Dersom du ser på punktlistene om egenskapene deres og sammenlikner, kan du kanskje gjette deg til hvor mange elektroner et atom fra en halvleder har i sitt ytterste skall Lederne har 13 elektroner i ytterste skall, isolatorene har 57 elektroner der. den det bare er edelgassene som har 8 elektroner i ytterste skall, så gjenstår bare de atomene som har 4 elektroner i ytterste skall. Blant disse stoffene finner vi halvlederne. Halvlederne danner gjerne kovalente bindinger mellom naboatomer der de deler på elektronpar. Dermed kan vi generelt si om halvledere: De har 4 elektroner i ytterste skall. En halvleder kan også lages av to grunnstoffer som ikke har 4 elektroner i ytterste skall, men som deler elektroner på en slik måte at to atomer til sammen har 8 elektroner, for eksempel fra gruppe 3 og 5. Et eksempel er GaAs. De holder hverken godt eller svakt på valenselektronene. De har i utgangspunktet få frie elektroner til å danne strøm med (Ved enhver temperatur over det absolutte nullpunkt, 273,15 C vil det være bevegelse nok i ethvert materiale til at noen elektroner er frie ).

3 Figuren under viser hvordan vi kan tenke oss elektronparbindingene mellom silisiumatomene i rent silisium: Figuren viser en modell for hvordan vi kan tenke oss elektronparbindinger i rent silisium. Kun de ytterste elektronskallene er tegnet inn, for enkelhets skyld. I virkeligheten kan vi tenke oss at alle atomene er omgitt av andre atomer, slik som det midterste på bildet. Atomet i midten har 8 elektroner rundt seg. 4 av elektronene er atomets egne, de 4 andre er lånt fra atomene rundt. De fire atomene rundt låner igjen et elektron hver fra atomet i midten. Denne gjensidige låningen skjer ved at to elektroner fra hvert sitt atom danner et elektronpar, som så deles mellom de to atomene. Dette kalles en kovalent binding. Halvlederne finner vi i gruppe 14 ( IV i noen referanseverk) i det periodiske system. Denne gruppen kalles karbongruppen, fordi karbon er det første elementet i gruppen.

4 Selv om karbon har halvlederegenskaper (bortsett fra diamantformen, som er en god, om enn dyr, isolator), har det tradisjonelt vært lite brukt i den moderne halvlederindustrien. Ny forskning ved The University of Princeton i USA kan kanskje føre til at karbon kan bli den neste store halvlederen. De andre stoffene i gruppen er halvmetaller og metaller, og foreløpig lettere å bruke industrielt. Stoffene som brukes til halvledere er halvmetaller. Disse er silisium (grunnstoff nr. 14) og germanium (grunnstoff nr. 32). lisium er det nest mest vanlige stoffet i jordskorpa, bare slått av oksygen, og dermed har vi nok av dette stoffet til industrien. Germanium, derimot, er på listen over 14 viktige grunnstoffer som vi er i ferd med å få for lite av. Det spås at innen 23 vil behovet germanium tredobles, samtidig som tilgjengeligheten blir mindre. Dette har sammenheng med den stadig økende bruken av høyteknologiske komponenter på verdensbasis. (Germanium har noen ulemper som halvleder som gjør at silisium har overtatt i halvlederindustrien, men det brukes i dag i optisk industri og som katalysator i en del prosessindustri der man lager polymerer. Germanium brukes også i moderne nanoledninger) Doping av halvledere En klump av halvlederatomer leder strøm. Atomene i halvlederen har 4 elektroner i ytterste skall, og hvert atom danner stabile elektronparbindinger med 4 andre atomer rundt seg. Denne stabile strukturen med kovalente bindinger kan man endre ved en prosess som kalles doping. Dopingen endrer egenskapene til halvlederen, slik at vi kan utnytte dem i elektronikken. Man doper halvledermaterialet ved å tilsette små mengder av stoffer fra nabogruppene i periodesystemet. Som du kanskje vet, øker antall elektroner i det ytterste skallet med 1 for hver gruppe vi beveger oss mot høyre. Halvlederne befinner seg i gruppe 14 (eller IV, om du vil), og har 4 elektroner i ytterste skall. Stoffene i gruppe 13 (eller III, om du vil) har 3 elektroner i ytterste skal, noe som gjør dem til bedre ledere enn stoffene i gruppe 14. Stoffene i gruppe 15 har 5 elektroner i ytterste skall, noe som gjør dem til bedre isolatorer. Ved å tilsette ørsmå mengder av dopingatomer fra disse nabogruppene, endrer vi lederegenskapene til halvlederne. Dette kalles å dope halvlederne. 1 dopingatom pr 1 millioner halvlederatomer kalles lett doping. 1 dopingatom pr 1 halvlederatomer kalles tung doping Ndoping Ved å tilsette små mengder av atomer fra gruppe 15, skaper vi et lite overskudd av frie elektroner i halvlederen. Dette skjer fordi stoffene i gruppe 15 danner elektronparbindinger med halvlederatomene, men har 5 elektroner som kan bindes og ikke 4. 4 går med til å danne elektronpar, mens det femte forblir fritt i krystallstrukturen. Disse elektronene kan vandre, og dermed kan vi enklere lage

5 strøm gjennom halvlederen. den elektroner har negativ ladning, kalles en slik halvleder for negativt dopet, eller en ndopet halvleder. Arsen, Fosfor og Antimon brukes til ndoping. Antimon står også på listen over stoffer verden står i fare for å gå tom for. Figuren under viser silisium dopet med arsen: As As den arsen har 5 valenselektroner, blir det noen elektroner til overs når arsen og silisium danner elektronparbindinger. Disse frie elektronene er markert med rødt. De frie elektronene kan bevege seg fritt mellom atomene, og dermed være med på å danne en elektrisk strøm. Pdoping Når vi tilsetter små mengder atomer fra et stoff i gruppe 13 til en halvleder, blir det litt for lite elektroner til elektronparbindinger i halvlederen. Stoffene i gruppe 13 danner også elektronparbindinger med halvlederatomene, men siden de bare har 3

6 elektroner i ytterste skall, vil den ene av de 4 elektronparbindingene mangle et elektron. Dette løses ved at dopingatomet tar imot et elektron fra et halvlederatom. Dette etterlater et såkalt hull i ytterskallet til halvlederatomet. Disse hullene oppfører seg som positive ladninger i halvlederen. Ved at elektroner flytter seg til ledige hul, dannes nye hull, og slik forflyttes hullene i krystallstrukturen som om vi hadde en strøm av positive ladninger. Bor, Aluminium, Indium og Gallium brukes som pdoping. Indium og Gallium er blant de 14 stoffene vi kommer til å ha problemer med å få nok av til å dekke kommende behov. Figuren under viser silisium dopet med aluminium: Al Al Aluminium har bare 3 valenselektroner, og dermed oppstår det ledige plasser i skallene når aluminium og silisium danner elektronparbindinger. Dette kalles hull. Hullene er vist med rødt i tegningen. Hullene kan forflytte seg til andre elektronpar, og kan dermed sees på som en flyttbar positiv ladning.

7 Halvledere i elektroniske komponenter På grunn av sin evne til å transportere både negative og positive ladninger, er dopede halvledere blitt ryggraden i elektronikkverden. Ved å kombinere n og p dopede halvledermaterialer kan vi lage elektroniske komponenter med helt spesielle egenskaper. De viktigste komponentene laget av halvledere er dioden og transistoren. Dioden Dioden er den eldste og enkleste av halvlederkomponentene i elektronikken. Den består av en halvleder som er ndopet og pdopet fra hver sin side. Funksjonen er enkel. En diode slipper strøm gjennom bare en vei, omtrent som en dør som bare kan åpnes fra en side. Dioden fungerer ved at et lag av ndopet materiale ligger inntil et lag av pdopet materiale. Du husker sikkert at ndopet materiale inneholder frie elektroner, mens p dopet materiale inneholder frie positivt ladde hull. Du vet sikkert også at like ladninger frastøter hverandre, mens ulike ladninger tiltrekker hverandre. I en diode som det ikke går strøm gjennom, vil de frie elektronene og hullene trekkes mot hverandre, slik at områdene på hver side av flaten der de to sjiktene møtes blir ladet. Nær flaten der materialene møtes, vil hull og elektroner vandre over til motsatt side. Elektroner som vandrer over, vil droppe ned i ledige hull, slik at de kansellerer hverandre og opphører å være flyttbare ladninger. Hull som vandrer over vil fylles med ledige elektroner og dermed også forsvinne. På denne måten dannes negative ladninger i dopingmaterialet i dette sjiktet. Slik blir noe av hver side svakt elektrisk ladet. Denne ladningen motvirker etter hvert videre vandring: Elektroner som kommer over på psiden møter negative ladninger som tvinger dem tilbake, og hull som vandrer over mot nsiden møter positive ladninger som tvinger dem tilbake. Slik blir endene av dioden nøytrale, mens møtesjiktet mellom materialene er ladet. Vi har nå et sjikt uten frie elektroner eller hull, der det ikke kan skje noen ytterligere transport av ladning. Dette sjiktet kalles sperresjiktet.

8 Hull Hull og elektroner har kansellert hverandre Frie elektroner pside Sperresjikt nside Figuren viser en diode som det ikke er satt noen spenning over. Sperresjiktet inneholder elektrisk ladede dopingatomer. På psiden er disse atomene negativt ladet, og frastøter elektroner som forsøker å vandre over fra nsiden, mens atomene på nsiden er positivt ladet, og frastøter positivt ladede hull som prøver å vandre over fra psiden.

9 Dersom vi setter dioden i en krets slik at den har positiv spenning på nsiden og negativ spenning på psiden, vil frie elektroner på nsiden trekkes mot den positive enden, mens hullene beveger seg i motsatt retning. Dette øker størrelsen på sperresjiktet der det blir færre bevegelige ladningsbærere, og dioden kan ikke lede strøm. Hull Hull og elektroner har kansellert hverandre Frie elektroner pside Sperresjiktet er større nside

10 Setter vi dioden inn i en krets slik at den får negativ ladning på nsiden, og positiv ladning på psiden, skjer det motsatte. Hullene på psiden presses gjennom sperresjiktet, mens elektronene presses gjennom motsatt vei. Nå leder dioden strøm. En vanlig silisiumsdiode krever en spenning på ca.,7 V før dette skjer. Hull Hull og elektroner presses gjennom sperresjikt Frie elektroner pside Sperresjiktet forsvinner nside Det finnes mange varianter av dioder, du har sikkert vært borti lysdioder, som er dioder som avgir lys når det går strøm gjennom dem. Andre varianter er zenerdiode, fotodiode, Schottkydiode, diac og triac. Alle disse diodetypene har særegne trekk og bruksområder.

11 Transistoren Transistoren satte i gang en revolusjon da den kom. Den gjorde månelandingen mulig, den gjorde bærbare radioer mulig og den gjorde PCer og mobiltelefoner mulig. Transistoren er uten sidestykke den viktigste komponenten i moderne elektronikk, og dermed den komponenten det produseres mest av i verden. Prosessorene i PCer, Mac, mobiltelefoner og alt annet som trenger en elektronisk hjerne, består i dag av millioner eller milliarder av transistorer. (GF1 prosessoren i et nvidia GeForce 4 skjermkort består av 2.9 milliarder transistorer) Du må først ha forstått hvordan en diode virker for å forstå transistoren. Transistoren er i korte trekk to dioder satt mot hverandre. En diode kalles ofte en PNovergang, fordi den består av et Nsjikt og et Psjikt. Transistoren består av tre sjikt. Det gir oss to muligheter, NPN eller PNPtransistor. En NPNtransistor består av to Ndopede sjikt med et tynt Pdopet sjikt mellom seg. PNPtransistoren består tilsvarende av to Pdopede sjikt med et tynt Ndopet sjikt mellom seg. Transistorens viktigste egenskap er at den kan styre et stort strømsignal ved hjelp av et mye mindre et. Hvert av de 3 sjiktene i en transistor kobles til strøm i en krets. De 3 sjiktene har forskjellige navn. Sjiktene i hver ende kalles henholdsvis kollektor og emitter. Det tynne midterste sjiktet kalles basen. La oss se på NPNtransistoren. Den har tre lag: Et Ndopet lag på hver side, og et P dopet i midten. Når det ikke går strøm gjennom transistoren, dannes det sperresjikt mellom lagene, akkurat som i dioden. Tegningen på neste side viser hvordan transistoren kan tenkes å se ut når det ikke går strøm gjennom den. Sperresjiktene rundt Psjiktet i midten hindrer forflytning av ladninger.

12 2N Hovedspenning Lampe nmateriale, emitterside pmateriale, base nmateriale, kollektorside Sperresjikt Motstand Frie elektroner Bryter Hull Lavspent styresignal

13 Vi kan se på kretsen som er tegnet opp som to sammensatte kretser. En krets går fra hovedspenningskilden gjennom emitter og kollektor på transistoren, og så gjennom en lampe. Den andre kretsen går mellom emitter og base på transistoren. Det er tegnet inn en spenningskilde, mest for å gjøre tegningen mer lettfattelig. Spenningskilden kan godt være en lavspent signalkilde, for eksempel en mikrofon. Da vil transistoren fungere som en signalforsterker. På kretsen er det også tegnet inn en motstand. I en vanlig transistorkrets brukes motstander for å sørge for at spenningen over base og emitter ikke blir for høy. Da blir også strømmen gjennom det tynne basesjiktet mindre, og sjiktet holder dermed lavere temperatur, noe som øker levetiden på transistoren. Så lenge det ikke går strøm mellom base og emitter er transistoren lukket. Emitter Kollektor Base Figuren viser hvordan vi kan tenke oss en lukket transistor sperrer en strøm. Den lille porten fra basen åpner den store mellom kollektor og emitter. Elektronene går motsatt vei av strømmen, slik at strømmen vil gå fra kollektor til emitter på et skjema, mens vi her har illustrert retningen på elektronene, som går motsatt vei. Det skal liten spenning til for å åpne sperresjiktet mellom base og emitter. Om vi setter en liten spenning mellom base og emitter, slik at basen blir positiv, og emitter negativ, åpner vi transistoren. Spenningen drar frie elektroner gjennom sperresjiktet på emittersiden og basen, og hull forflyttes inn på emittersiden. Dermed er sperresjiktet på emittersiden borte. Når dette sperresjiktet er borte, vil spenningen i den store kretsen åpne sperresjiktet på kollektorsiden, og dermed går det strøm gjennom hovedkretsen, og lampa lyser. PNPtransistoren fungerer likt som NPNtransistoren, men på PNPtransistoren må basen være negativ i forhold til emitter for å åpne transistoren.

14 Tegningen under viser kretsen slik kan tenkes å se ut når transistoren er åpen. Stor strøm Hovedspenning Stor strøm Lampe nmateriale, emitterside pmateriale, base nmateriale, kollektorside Sperresjikt Liten strøm Motstand Lavspent, styresignal Bryter som slutter kretsen Frie elektroner Hull

15 Figuren over viser hvordan vi kan tenke oss transistoren når det går strøm over basen. Strømmen mellom kollektor og emitter varierer i takt med strømmen gjennom base/emitterkretsen. Transistoren har på samme måte som dioden en liten terskelspenning som må til for at den åpnes. Om vi varierer spenningen i base/emitterkretsen mellom maksimal og minimal spenning, vil strømmen gjennom hovedkretsen variere i takt med base/emitterspenningen. Det er dette man utnytter i lydforsterkere. Figuren over viser transistoren når signalet over basen er på det høyeste. Transistoren er nå helt åpen, og selv om spenningen over base/emitter øker, vil ikke spenningen over kollektor og emitter øke. Transistoren har også en maksimal inputspenning for når den er helt åpen. Når spenningen kommer over dette, går det maksimalt med strøm gjennom transistoren, og selv om vi øker spenningen mellom emitter og base, vil det ikke gå mer strøm gjennom hovedkretsen. Overdrivelyden på en gitarforsterker oppstår delvis når styresignalet på en eller flere transistorer i forsterkerkretsen er så høyt at de blir stående helt åpne mesteparten av tiden og ikke klarer å få med alle svingningene i lydsignalet. Dette kalles klipping og resulterer i en ringende lyd. I tillegg kan det i en musikkforsterker oppstå harmoniske forstyrrelser på grunn av tonenes frekvenser og

16 signalenes bølgeform, men det skal vi ikke gå nærmere inn på her. På grunn av denne begrensningen i transistoren, går god design av forsterkere hovedsakelig ut på å passe på at alle transistorene i en forsterkerkrets hele tiden mates med et styresignal som ligger innenfor transistorens kapasitet. Kort sammendrag: Om ledere: De har få elektroner i ytterste skall (13) De holder dårlig på valenselektronene De danner lett positive ioner når de danner salter i reaksjon med andre stoffer Som fast stoff har de mange frie elektroner som kan være ladningsbærere og transportere strøm Om isolatorer: De har mange elektroner i ytterste skall (57) De holder godt på valenselektronene De danner negative ioner når de danner salter i reaksjon med andre stoffer Som fast stoff har de ikke frie elektroner som kan danne strøm De beste isolatorene er ikke grunnstoffer, men stoffer som ikke inneholder frie elektroner, som f.eks. plast Om halvledere: De har 4 elektroner i ytterste skall (I gjennomsnitt, dersom vi snakker om halvledere sammensatt av to grunnstoffer) De holder hverken godt eller svakt på valenselektronene Halvlederatomer danner kovalente bindinger til naboatomer De leder strøm i utgangspunktet, men kan modifiseres til å lede strøm kun ved spesielle forutsetninger Doping av halvledere Er å tilsette stoffer med et elektron mer i ytterskallet enn halvlederen (Ndoping) eller et elektron mindre i ytterskallet enn halvlederen (Pdoping). N doping tilfører frie elektroner, Pdoping tilfører frie hull Dioden Slipper strøm gjennom i bare en retning, og består av et Pdopet sjikt og et N dopet sjikt. Mellom P og Nsjiktene oppstår det et sperresjikt der frie elektroner og frie hull kansellerer hverandre. Strøm kan ikke passere dioden så lenge sperresjiktet er intakt Strøm i riktig retning bryter sperresjiktet, og det går strøm gjennom dioden Strøm i feil retning øker sperresjiktet, og det kan ikke gå strøm gjennom dioden

17 Transistoren Består av tre sjikt, enten satt sammen som PNP eller NPN Sjiktene kalles kollektor, base og emitter Strømmen mellom kollektor og emitter styres av strømmen mellom base og emitter Når det ikke går strøm mellom base og emitter, er transistoren lukket, og det går ingen strøm gjennom den Transistoren kan brukes som en signalforsterker: Det svake signalet mellom base og emitter forsterkes siden det kraftige signalet mellom kollektor og emitter øker og synker når det svake signalet mellom base og emitter øker og synker Når transistoren når sin maksspenning, kan ikke strømmen lengre øke. Derfor må signalet inn tilpasses slik at styresignalet hele tiden ligger under maksspenningen til transistoren. Kan brukes som bryter (for eksempel i datamaskiner)