'n Halfgeleier is 'n vastestof met geleidingseienskappe tussen 'n geleier en dié van 'n isolator; dit kan wissel oor 'n wye bestek hetsy permanent of dinamies. Halfgeleiers is belangrike materiale in vandag se tegnologie. Halfgeleiertoestelle, elektroniese komponente wat gemaak word van halfgeleiermateriale, is belangrike moderne elektriese toestelle. Hierdie toestelle word gebruik in die vervaardiging van rekenaars, selfone en digitale klankspelers. Silikon word tans gebruik om die meeste kommersiële halfgeleiers te vervaardig, maar daar bestaan dosyne ander materiale wat ook gebruik kan word.
Oorsig duimnael|Die valensband (geel), die bandgaping en die geleidingsband Die twee kategorieë van vastestowwe verskil hoofsaaklik in die opsig dat isolators 'n lae mobiliteit van ladingsdraers besit. In halfgeleiers is die aantal (vrye) ladingsdraers klein. Daar is 'n bandgaping tussen die energieë wat elektrone moet verkry om vrylik van atoom tot atoom te kan beweeg. In halfgeleiers verkry baie min elektrone voldoende termiese energie om oor die bandgaping te spring vanaf die valensband tot in die geleidingsband, wat nodig is vir elektrone om beskikbaar te wees om 'n elektriese stroom te gelei. Om hierdie rede het suiwer halfgeleiers en isolators, in die afwesigheid van toegepaste elektriese velde, soortgelyke weerstande. Vir halfgeleiers met kleiner bandgapings is dit egter moontlik om ander metodes buiten termiese energie te gebruik om hulle elektriese eienskappe te beheer.
Halfgeleiers se intrinsieke elektriese eienskappe word dikwels permanent verander deur die invoeging van onsuiwerhede deur 'n doteringsproses. By benadering kan gesê word dat elke atoom van die onsuiwerheid 'n elektron of "gat" (later bespreek) byvoeg sodat elektrone vryelik kan beweeg. As 'n voldoende hoeveelheid onsuiwerheid bygevoeg word sal die halfgeleier elektrisiteit byna so goed as metale gely. Afhangende van die soort onsuiwerheid sal 'n gedoteerde gebied op die halfgeleier meer elektrone of holtes hê en word dienooreenkomstig N-tipe of P-tipe halfgeleiers materiaal onderskeidelik genoem. Sperlae tussen die N- en P-tipe halfgeleiers skep elektriese velde wat veroorsaak dat elektrone en holtes om van hulle af weg te beweeg, 'n eienskap wat krities is vir die werking van halfgeleiertoestelle. 'n Digtheidsverskil in die hoeveelheid onsuiwerhede lewer 'n klein elektriese veld in die gebied wat gebruik word om elektrone of holtes wat nie in ewewig is nie te versnel.
Bo en behalwe die permanente verandering wat deur dotering meegebring word sal die weerstand van halfgeleiers gewoonlik dinamies verander word deur elektriese velde dinamies toe te pas. Die vermoë om die weerstand/geleiding in gebiede in die halfgeleiermateriaal te beheer deur die toepassing van elektriese velde is die eienskap wat halfgeleiers nuttig maak. Dit het gelei tot 'n wye reeks halfgeleiertoestelle, soos transistors en diodes. Halfgeleiertoestelle wat oor dinamies beheerbare geleiding beskik, soos transistors, is die boustene van geïntegreerde stroombaan-toestelle soos mikroverwerkers. Die "aktiewe" halfgeleiertoestelle (transistors) word gekombineer met passiewe toestelle wat uit halfgeleiermateriaal vervaardig word, soos onder andere kapasitore en resistors,om volledige elektroniese stroombane te lewer.
Die meeste halfgeleiers waarin die elektrone voldoende energie verloor het om vanaf die geleidingsband na die valensband terug te val (die energievlakke tussen die bandgaping), sal lig uitstraal gelykstaande aan 'n kwantum energie in die sigbare elektromagnetiese spektrum. Hierdie foto-emissieproses is die verskynsel waarop lig-emissie diodes (LED) en halfgeleierlasers op gebaseer word. Daarteenoor kan die absorpsie van lig in fotodetektors elektrone opwek om vanaf die valensband na die hoër geleidingsband te beweeg, 'n verskynsel wat die basis vorm vir die opwekking van elektrisiteit vanaf sonselle.
Halfgeleiers kan uit elementêre materiale soos silikon en germanium bestaan of saamgestelde halfgeleiers soos galliumarsenied en indiumfosfied of legerings soos silikongermanium of aluminiumgalliumarsenied.
Ontwikkeling Sedert 1930 is die moontlikheid ondersoek om elektroniese komponente uit halfgeleiers te vervaardig. Die eerste tipe komponent was 'n diode of gelykrigter, wat 'n elektriese stroom slegs in een rigting deurlaat en dus gebruik kan word om wisselstroom in gelykstroom om te sit.
Die seleniumgelykrigter het bestaan uit ʼn laag selenium en 'n laag seleniumtinlegering. Die voegvlak tussen die twee lae vorm 'n sperlaag wat stroom net in een rigting deurlaat. 'n Ander tipe diode het bestaan uit 'n voegvlak tussen 'n metaalkontak en 'n loodsulfiedkristal wat in kristalradio's gebruik is. In 1948 het die Amerikaners William Shockley, Walter Brittain en John Bardeen die transistor vervaardig, waarvoor hulle in 1956 die Nobelprys vir Fisika ontvang het. Die transistor was bipolêr, so genoem omdat twee materiale met teenoorgestelde ladings vir die samestelling gebruik is. Die eerste transistors is meestal vervaardig uit germanium, maar later is grotendeels oorgeskakel na silikon aangesien dit by hoër temperature kon werk.
Die transistor kon twee funksies verrig wat vroeër deur elektronbuise gedoen is naamlik versterking en skakeling, maar was baie kleiner en het minder energie verbruik. Aan die einde van die vyftigerjare het die transistor die buis op feitlik alle gebiede in die elektronika vervang, veral na die invoering van planêre tegnieke by die vervaardiging. 'n Nadeel van vroeëre bipolêre transistors was dat dit nie baie effektief was by hoë frekwensies nie. Die veldeffektransistor (FET) werk op 'n effens ander beginsel as die bipolêre transistor, wat dit meer geskik maak vir hoë frekwensies en vir skakelaars wat op groot skaal in rekenaars gebruik word. Ander komponente, soos Zenerdiodes, wat in die tru-rigting begin gelei by 'n bepaalde spanning, is ontwikkel, asook vierlaag-diodes of tiristors wat gebruik word om groot strome aan te skakel in swaar elektriese toe rusting. Nog 'n ontwikkeling was die van die fotoëlektronika.
Hieronder val talle komponente waarvan die werking beïnvloed word deur die lig wat daarop skyn: die fotoweerstand, die fotodiode, die fototransistor, ensovoorts. Dit kan as ligmeters of as liggevoelige skakelaars in stroomkringe dien. Daar is ook komponente wat lig uitstraal wanneer dit 'n stroom gelei, die sogenaamde LED's ("light emitting diodes"), en selfs halfgeleierlasers. 'n Groot vooruitgang was die mikroëlektronika, waardeur die geïntegreerde stroombaan (IC) ontwikkel is. Met hierdie tegniek word 'n groot aantal transistors, diodes en weerstande op 'n klein silikonskyfie aangebring. Geïntegreerde stroombane is uiters betroubaar en kan goedkoop in massa vervaardig word. Dit het rekenaarvervaardiging baie vereenvoudig en prosesbeheer deur middel van mikroprosesseerders moontlik gemaak.
Konstruksie Suiwer silikon en germanium is intrinsieke halfgeleiermateriaal en is swak geleiers by kamertemperatuur. Die geleidingsvermoë neem toe met temperatuurstyging: germanium is 'n goeie geleier bo ongeveer 100 ˚C en silikon bo ongeveer 200 ˚C. Die halfgeleierkomponente wat in die praktyk gebruik word, word egter vervaardig van ekstrinsieke halfgeleiermateriaal. Dit is suiwer halfgeleiermateriaal waarby gekontroleerde hoeveelhede onsuiwerhede gevoeg is, sodat die geleidingsvermoë by kamertemperatuur drasties toeneem en binne perke nie veel temperatuurafhanklikheid toon nie.
Hierdie onsuiwerhede word doteerstowwe ("dope") genoem. Indien fosfor of arseen by suiwer silikon gevoeg word, ontstaan daar 'n oormaat elektrone en 'n N-tipe silikon word verkry. Die oormaat elektrone ontstaan omdat fosfor of arseen een elektron meer in die valensring het as silikon en die ekstra elektron beweeg dan vry in die kristal rond, waardeur 'n elektriese stroom gedra kan word, Indien boor of aluminium by suiwer silikon gevoeg word, ontstaan daar 'n tekort aan elektrone en 'n P-tipe silikon word verkry.
Die tekort aan elektrone ontstaan omdat boor of aluminium een elektron minder in die valensring het as silikon. Elektrone van naburige silikonatome kan hierdie "holtes" vul en so ʼn elektriese stroom dra. Feitlik alle halfgeleierkomponente bevat 'n kombinasie van N-tipe en P-tipe silikon, wat saamgevoeg word tot 'n PN-voegvlak.
Vervaardigingstegniek
Germaniumtegniek Germanium word gesuiwer deur chemiese metodes en sonesmelting. Dit word dan gesmelt en gedoteer deur ʼn klein hoeveelheid N-doteerstof by die gesmelte germanium te voeg. Dit word by 'n temperatuur net bokant die smeltpunt gehou en ʼn klein germanium-entkristal word in kontak met die gesmelte germanium gebring. Die entkristal dien as groeipunt waarom die germanium kristalliseer, sodat 'n groot enkelkristal sal vorm wanneer die entkristal stadig uit die gesmelte germanium getrek word.
Met hierdie sogenaamde Czochralski-tegniek kan homogene kristalle van etlike kilogram verkry word. Die kristal word dan in dun plaatjies gesaag en glad gepoleer, aangesien ladingsdraers in onreëlmatighede vasgevang kan word, wat die eienskappe van 'n transistor kan beïnvloed. Die eerste beskikbare transistors was puntkontaktransistors. Dit is verkry deur twee indiumdraadjies (indium is 'n P-tipe doteerstof) aan weerskante van die germaniumplaatjie in te smelt, waardeur ʼn PNP-transistor verkry word. Vir goeie transistorwerking moet die middelste laag, die basis, baie dun wees.
Diffusietegniek In hierdie tegniek word N-tipe of P-tipe halfgeleiermateriaal verhit tot 'n temperatuur net onder smeltpunt en in kontak gebring met die damp van die doteerstof. Die doteerstof beweeg dan deur diffusie in die materiaal in. Die graad van dotering ("doping") en doteringsprofiel kan akkuraat beheer word deur die temperatuur, konsentrasie doteerstof en diffusietyd te varieer en transistors met ʼn basisdikte van minder as 10‾⁶m (1 mikron) kan vervaardig word.
Silikontegniek Die sonesmelttegniek en Czochralski-tegniek is nie baie geskik vir silikon nie, aangesien gesmelte silikon besoedel word deur onsuiwerhede van die smeltkroes. Suiwer silikon kan verkry word deur die reduksie van trichloarsilaan, SiHCe3, of silikontetrachloried, SiCI4, met waterstof.
Hierdie twee vlugtige verbindings kan baie suiwer verkry word deur distillasie in kwartsapparaat. Die dampe word dan in die teenwoordigheid van enkelkristal-silikon met behulp van waterstof gereduseer en die silikon groei op die enkelkristal. Gewoonlik is die enkelkristal 'n plat skyfie, en ʼn dun lagie baie suiwer silikon kan op die skyfie gekweek word, 'n proses bekend as epitaksie. Doteerstowwe kan by die dampe gevoeg word sodat N- of P-tipe epitaksiale silikon verkry word. Silikon kan ook gedoteer word met die diffusietegniek, maar die doteringsprofiel is sodanig dat dele naby die oppervlak altyd baie swaar gedoteer is.
Planêre tegnieke Vroeër is transistors gemaak deur diffusie aan die bo- en onderkant van 'n silikonskyfie. Die skyfie vorm die basis waarop die emittor en die kollektor deur diffusie aangebring is. In die planêre tegniek word alle diffusieprosesse slegs aan die bokant van die skyfie gedoen en alle kontakte is ook aan die bokant.
Die oorspronklike skyfie vorm die kollektor, en die basis en emittor word agtereenvolgens met diffusie verkry. In hierdie tegniek is dit dan nodig om bepaalde gebiede af te skerm gedurende diffusie, wat gedoen word deur 'n oksiedlaag (SiO2) oor die hele skyfie te kweek deur dit by 'n hoë temperatuur in suurstof of stoom te verhit. Die oksied word nou bedek met 'n liggevoelige lagie materiaal, bekend as fotolak. 'n Masker met 'n bepaalde patroon word oor die fotolak geplaas en belig met ultraviolet lig, waarna sekere gedeeltes van die fotolak tydens die ontwikkeling verwyder word volgens die patroon van die masker.