Czym właściwie są półprzewodniki?
Chcesz zrozumieć jak działają diody, tranzystory, fotodetektory i inne elementy półprzewodnikowe? Będzie to bardzo trudne (jeśli w ogóle możliwe) jeżeli nie zrozumiesz najpierw czym są same półprzewodniki. Słowo „półprzewodnik” sugeruje, że jest to taki nie do końca przewodnik. Co to jednak w ogóle znaczy? Czym różni się półprzewodnik od „całego” przewodnika, a czym od izolatora? I w jaki sposób pozwala to budować różne pożyteczne elementy elektroniczne? O tym właśnie będzie dzisiejszy wpis.
Trzy klasy materiałów
Ciała stałe możemy podzielić na trzy grupy w zależności od tego jak przewodzą one prąd elektryczny:
- Przewodniki – bardzo dobrze przewodzą prąd.
- Izolatory – nie przewodzą prądu prawie w ogóle.
- Półprzewodniki – coś pomiędzy przewodnikami, a izolatorami.
Co oznacza to sformułowanie „pomiędzy przewodnikami, a izolatorami”? Otóż półprzewodniki same z siebie praktycznie w ogóle nie przewodzą prądu. Możliwe są jednak pewne zabiegi, które sprawią, że zaczną to robić. Jakie to zabiegi? Zanim odpowiemy na to pytanie to musimy dowiedzieć się dlaczego przewodniki przewodzą prąd elektryczny, a izolatory nie.
Czym jest prąd elektryczny?
Czym jest prąd elektryczny? Jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Ładunek elektryczny może być przenoszony przez dwa typy cząstek. Pierwszy z nich to elektrony obdarzone małym ładunkiem ujemnym. Elektrony przenoszą ładunek np. w metalach czy właśnie półprzewodnikach. Oprócz tego nośnikami ładunku mogą być naładowane dodatnio jony. Taka sytuacja występuje np. w bateriach i akumulatorach. Przewodnictwo jonów jednak tutaj zostawimy.
Co to znaczy, że ruch ładunków musi być uporządkowany? Np. w metalach elektrony znajdują się w ciągłym ruchu niezależnie od tego czy podłączamy je do jakiegoś źródła napięcia czy nie. Ruch ten jest jednak chaotyczny. Elektrony zmieniają co chwila kierunek tak, że ich średnia prędkość jest równa zeru.
Jak można „uporządkować” taki ruch elektronów? Robi się to za pomocą pola elektrycznego np. za pomocą baterii. Pole elektryczne wytwarza siłę kierującą ładunki elektryczne w określoną stronę.
I tutaj dochodzimy do różnicy między przewodnikami, półprzewodnikami i izolatorami. Elektrony w przewodnikach mogą się swobodnie poruszać pod wpływem pola elektrycznego. Elektrony w izolatorach – nie. A w półprzewodnikach? Jak już pisałem – same z siebie nie. Ale można im to umożliwić.
Dlaczego przewodniki przewodzą prąd?
Dwa prawa mechaniki kwantowej
Żeby zrozumieć dlaczego przewodniki przewodzą prąd, a izolatory nie, trzeba poznać dwa prawa fizyczne. Są one opisywane przez dział fizyki zwany mechaniką kwantową. Jest to dziedzina bardzo nieintuicyjna i odległa od naszych codziennych doświadczeń. Wbrew temu czego uczy się w szkole podstawowej, elektrony nie są jednak jak poruszające się piłeczki i stosują się do nich inne prawa fizyki.
Podam Ci teraz te dwa prawa rządzące ruchem elektronów. Mogą Ci się one wydać bardzo dziwne, ale zaufaj mi – tak właśnie działa przyroda.
- Elektrony w ciałach stałych nie mogą mieć każdej możliwej energii. Pewne zakresy energii są dla nich zabronione.
- W tym samym obszarze mogą się znajdować maksymalnie dwa elektrony o tej samej energii.
Prawda, że brzmi to dziwnie? Nie ma tutaj miejsca, żeby tłumaczyć czemu tak się dzieje – wymagałoby to solidnego wykładu z mechaniki kwantowej. Możemy za to zobaczyć jakie wnioski płynąć z tych dwóch praw.
Pasma energetyczne
Zacznijmy od naszego pierwszego prawa. Mówi ono, że w ciele stałym istnieją tylko określone wartości energii dozwolone dla elektronów. Wartości te tworzą tzw. pasma. Widzisz to narysowane schematycznie na poniższym rysunku. Dwa puste koła dla każdej wartości energii symbolizują dwa elektrony, które mogą ją potencjalnie przyjąć. Na rysunku przedstawione są trzy pasma energetyczne. Wewnątrz pasm dozwolone energie są bardzo blisko siebie, ale same pasma są oddzielone dużymi przerwami. Żaden elektron nie może mieć energii o wartości z takiej przerwy.
Oczywiście rysunek jest dużym uproszczeniem. W rzeczywistości potencjalnych energii wewnątrz każdego pasma jest wręcz niewyobrażalna ilość – niemniej jednak oddaje on to co się dzieje z elektronami w ciałach stałych.
Obsadzanie pasm
Elektrony obsadzają kolejne pasma. Oczywiście najpierw zajmują one niższe wartości energii, a potem st dopiero wyższe. Zgodnie z naszym drugim prawem (nazywa się ono często „zakazem Pauliego”) każdy poziom energii mogą zająć tylko dwa elektrony. W zależności od tego ile jest poziomów energetycznych w pasmach i ile jest elektronów w atomach danej substancji możliwe są dwie sytuacje:
- Najwyższe pasmo z elektronami jest całkowicie wypełnione.
- Najwyższe pasmo z elektronami nie jest całkowicie wypełnione.
I właśnie to, która sytuacja zachodzi decyduje o tym czy dany materiał będzie przewodnikiem czy też nie. Pasmo energetyczne o największej energii, które zawiera elektrony nazywane jest pasmem walencyjnym. Jeżeli jest ono całkowicie wypełnione to materiał nie może przewodzić prądu, a jeżeli nie – jest on przewodnikiem.
Dlaczego tak się dzieje?
Czemu elektrony z zapełnionego pasma nie mogą przewodzić prądu, a z pasma wypełnionego niecałkowicie mogą? Jest to dość proste do wytłumaczenia. Kiedy elektron przewodzi prąd to jego energia rośnie bo zaczyna się poruszać pod wpływem pola elektrycznego. W związku z tym taki elektron musi zająć trochę wyższy poziom energetyczny. Jeżeli pasmo walencyjne nie jest zapełnione, to jest w nim dużo dostępnych poziomów o energiach bliskich aktualnej energii elektronu, na które może się przenieść.
Ale jeżeli pasmo walencyjne jest całkowicie wypełnione, to najbliższe dostępne energie znajdują się dopiero w kolejnym paśmie. A od aktualnych energii oddziela je duża przerwa, której elektrony nie mogą zająć. Napięcia jakich zwykle używamy w elektronice i elektrotechnice nie są w stanie dostarczyć elektronom wystarczająco dużo energii, żeby mogły one tę przerwę pokonać. W efekcie elektrony nie będą się poruszać. Zostaną jakby „uwiązane” do swoich atomów.
Izolatory i półprzewodniki
Generacja elektronów swobodnych
Podsumujmy to co już wiemy. W przewodnikach elektrony walencyjne mogą się swobodnie poruszać ponieważ mogą osiągnąć energię związaną z takim ruchem. W izolatorach i półprzewodnikach nie jest to możliwe. Przynajmniej nie samo z siebie. Istnieją jednak sposoby na to, żeby przenieść elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Takie elektrony będą mogły zacząć przewodzić prąd.
Jakie to metody? Najprostszą z nich jest temperatura. Podgrzewając nieco materiał możemy dostarczyć jego elektronom energii. Część z nich otrzyma jej wystarczająco dużo żeby pokonać przerwę energetyczną i przenieść się do pasma przewodnictwa, a tam będą już mogły przewodzić prąd.
Inny sposób to wykorzystanie światła. Kiedy oświetlamy materiał to elektrony mogą zaabsorbować nachodzące fotony i również wykorzystać ich energię do przeniesienia się do pasma przewodnictwa.
Oba te sposoby wykorzystuje się w prostych elementach elektronicznych. Np. termiczne wzbudzanie elektronów jest używane w termistorach, czyli elementach, których rezystancja zależy od temperatury. Nagrzewany kawałek materiału uzyskuje coraz więcej elektronów w paśmie przewodnictwa i dzięki temu jego rezystancja elektryczna maleje. Podobnie działają fotorezystory, czyli elementy, których rezystancja maleje pod wpływem oświetlenia.
Trzecią – bardzo ważną metodą przenoszenia elektronów walencyjnych do pasma przewodnictwa jest tzw. domieszkowanie. Polega to na dodawaniu do materiału atomów innych substancji, które pozwalają w konkretnych miejscach zmienić koncentrację swobodnych elektronów. Jest to kluczowa metoda tworzenia takich elementów jak diody i tranzystory, ale o tym napiszę więcej kolejnym razem.
Czym się różnią półprzewodniki od izolatorów?
Na czym w zasadzie polega różnica między półprzewodnikami, a izolatorami. Otóż izolatorami nazywa się te materiały, które posiadają bardzo dużą przerwę energetyczną. Wzbudzenie swobodnych elektronów jest w nich więc bardzo trudne. W półprzewodnikach przerwa energetyczna jest na tyle mała, że można łatwo sterować ilością swobodnych elektronów.
Granica między półprzewodnikami, a izolatorami nie zawsze jest jasna. Np. krzem – czyli jeden z najważniejszych półprzewodników ma przerwę energetyczną o szerokości 1,1 eV. Tutaj nikt nie ma wątpliwości, że jest to materiał półprzewodnikowy. Z kolei diament o przerwie energetycznej ok. 5 eV jest czasem uznawany za izolator, a czasem za półprzewodnik.
Podsumowanie
Jak widzisz zrozumienie działania półprzewodników wymaga trochę abstrakcyjnej wiedzy na temat fizyki. Podsumujmy sobie najważniejsze rzeczy, których się dowiedzieliśmy:
- Elektrony w ciałach stałych mogą przyjmować tylko określone wartości energii tworzące tzw. pasma energetyczne.
- Pasma energetyczne są oddzielone przerwami energetycznymi czyli zakresem energii niedozwolonym dla elektronów.
- Najwyższe pasmo energetyczne, w którym bez żadnego dodatkowego pobudzenia znajdują się elektrony nazywa się pasmem walencyjnym.
- Maksymalnie dwa elektrony mogą w tym samym obszarze przyjąć konkretną wartość energii.
- Jeżeli pasmo walencyjne jest całkowicie wypełnione to materiał nie przewodzi prądu, a jeżeli nie – to jest przewodnikiem.
- Półprzewodniki różnią się od izolatorów małą wartością przerwy energetycznej.
- Za pomocą temperatury, promieniowania albo domieszkowania możemy przenieść elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa i wytworzyć w półprzewodniku swobodne elektrony. Takie elektrony będą mogły przewodzić prąd.
