Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Półprzewodniki to bardzo dziwne materiały, najczęściej o budowie krystalicznej, dzięki którym możliwe jest tworzenie większości nowoczesnych elementów elektronicznych (układów scalonych).
Różne materiały półprzewodnikowe pozwalają zbudować elementy elektroniczne przełączające i wzmacniające – przede wszystkim tranzystory.
Z tego artykułu dowiesz się m.in., czym są materiały półprzewodnikowe i dlaczego określenia „półprzewodnik” nie powinniśmy rozumieć jako czegoś pośredniego między przewodnikiem i izolatorem (nieprzewodnikiem). Dowiesz się też, dlaczego półprzewodnik może znakomicie przewodzić prąd elektryczny i jaki związek z tym mają: półprzewodnik typu p i półprzewodnik typu n.
Odpowiedź na pytanie, czym są półprzewodniki, trzeba podzielić na dwie części, ponieważ w mowie potocznej pod hasłem „półprzewodniki” rozumiemy:
W tym artykule omówiliśmy, czym są materiały półprzewodnikowe. Natomiast temat elementów półprzewodnikowych został przedstawiony w tekście o układach scalonych:
Co to jest układ scalony? To pytanie zadawane nie tylko przez elektroników, bo to dzięki tym elementom powstają wszystkie elektroniczne…... Czytaj dalej »
W latach 2021–2022 pojawiło się wiele doniesień, że w związku z pandemią brakuje półprzewodników. Jednak nie brakowało i nie brakuje materiałów półprzewodnikowych, a konkretnie krzemu, który pozyskiwany jest z… piasku. Tak, ze zwykłego piasku (z krzemionki)!
Brakowało i brakuje elementów półprzewodnikowych, przede wszystkim właśnie niektórych rodzajów układów scalonych, w szczególności mikrokontrolerów.
Elementarna wiedza wyniesiona ze szkolnych lekcji fizyki niestety nie pomaga, a wręcz przeszkadza. Zapamiętaj raz na zawsze, że określeń „półprzewodnik” i „materiał półprzewodnikowy” nie należy łączyć ze słabym przewodzeniem prądu.
Hasła „półprzewodnik” na pewno NIE można łączyć ze słabym przewodnictwem prądu
Owszem, istnieją materiały półprzewodnikowe, które słabo przewodzą prąd, jednak w przytłaczającej większości elementów półprzewodnikowych, z którymi mamy do czynienia, zastosowany jest materiał półprzewodnikowy, który może znakomicie przewodzić prąd.
Ścisłe definicje są skomplikowane (przykład na końcu artykułu). Dla praktyka na początek wystarczy taki opis: półprzewodniki to dziwne materiały, których zdolność przewodzenia prądu może zmieniać się w specyficzny i zaskakujący sposób.
Dziś określenia „półprzewodnik” i „materiał półprzewodnikowy” nie mają nic wspólnego ze słabym przewodzeniem prądu.
Specyficzne cechy materiałów półprzewodnikowych pozwalają budować z nich elementy sterowane, w których przepływ prądu elektrycznego można regulować płynnie lub skokowo (włącz/wyłącz). A to pozwala budować przełączniki elektroniczne oraz elementy wzmacniające. Są to przede wszystkim tranzystory, ale nie tylko.
Jeżeli chodzi o zdolność przewodzenia prądu, mówi się tutaj o czterech grupach materiałów. Łatwo zrozumieć, czym jest nieprzewodnik – izolator, zwany też dielektrykiem. To materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego. Przykładami izolatorów są gazy i niektóre inne pierwiastki. Dobrym, wręcz znakomitym izolatorem jest powietrze, będące mieszaniną gazów.
Przykładem świetnego nieprzewodnika jest szkło
Do izolatorów należy zaliczyć mnóstwo substancji, np. papier, suche drewno, szkło, porcelanę, większość tworzyw sztucznych, w szczególności teflon. Izolatorem jest próżnia. Izolatorem jest też diament, w którym ułożone w szczególny sposób atomy węgla tworzą diamentowy kryształ.
Równie łatwo zrozumieć, czym jest przewodnik – to materiał, który bardzo łatwo i chętnie przewodzi prąd elektryczny. Pod pojęciem „przewodnik” najczęściej rozumiemy przewodnik metalowy – metal. Metale są niewątpliwie przewodnikami, ale istnieją też rozmaite inne materiały, które dobrze przewodzą prąd elektryczny.
Jest jeszcze nadprzewodnik – to szczególny materiał, który w bardzo niskich temperaturach w zadziwiający sposób przewodzi prąd wręcz idealnie. Jego oporność – rezystancja – zmniejsza się wtedy dosłownie do zera i prąd płynie bez żadnych przeszkód. Więcej informacji na ten temat znaleźć można w artykule, który dotyczy elektromagnesów nadprzewodnikowych.
Po takim wstępie dochodzimy do półprzewodników i na zasadzie analogii można się domyślać, że „półprzewodnik jest czymś pośrednim między przewodnikiem a izolatorem, więc połowicznie, słabo przewodzi prąd elektryczny”. Teoretycznie tak, praktycznie – nie! Takie wyobrażenie to pułapka!
Problem w tym, że niektórzy nauczyciele przy omawianiu tego zagadnienia kładą nacisk tylko na zdolność przewodzenia prądu. Przy takim uproszczonym podejściu każda substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, to przewodnik, a każda, która nie przewodzi prądu, to nieprzewodnik (izolator, dielektryk). Niestety rzeczywistość jest dużo bardziej skomplikowana. I to z kilku względów.
W języku polskim, a także w innych, słowo „izolator” oznacza też, a może przede wszystkim, nie materiał izolacyjny, tylko element izolacyjny, np. porcelanowy izolator na słupie wysokiego napięcia, co odciąga uwagę od półprzewodników i nie ma z nimi nic wspólnego.
Jeżeli jedynym kryterium podziału byłaby zdolność przewodzenia prądu, to do przewodników można byłoby zaliczyć liczne ciecze, które dobrze przewodzą prąd, np. roztwory kwasów i soli. Jeśli po prostu zdefiniujemy przewodniki jako materiały dobrze przewodzące prąd, mocno utrudni to zrozumienie sensu pojęcia i działania półprzewodników. Bo np. wodny roztwór soli czy kwasu o znacznym stężeniu można byłoby wtedy zaliczyć do przewodników, roztwór o małym stężeniu – do półprzewodników, a czystą wodę – do izolatorów. A to błąd.
Analogiczny problem jest z gazami. Nie ma gazowych materiałów półprzewodnikowych. Zasadniczo gazy są izolatorami, nieprzewodnikami, ale w pewnych warunkach mogą bardzo dobrze przewodzić prąd, co zresztą często wykorzystujemy, np. w świetlówkach.
Jeżeli mówimy o półprzewodnikach, to powinniśmy mówić o materiałach o budowie krystalicznej, o różnych kryształach. I powinniśmy je porównywać tylko do innych materiałów o budowie krystalicznej, do przewodników i izolatorów krystalicznych, a nie do cieczy i gazów.
Prawidłowe rozróżnienie na przewodniki, półprzewodniki i nieprzewodniki na podstawie ich oporności czy przewodności dotyczy jedynie materiałów o strukturze krystalicznej. Dlatego półprzewodnikami nie zajmuje się chemia, tylko fizyka ciała stałego.
Szkolne informacje o półprzewodnikach dotyczą tzw. półprzewodników samoistnych, czyli „surowych” materiałów krystalicznych. Jednak ich realne znaczenie jest właściwie żadne. W praktyce prawie w ogóle nie wykorzystuje się półprzewodników samoistnych. Materiały półprzewodnikowe, z których dobrodziejstw dziś korzystamy, to tzw. półprzewodniki domieszkowane.
Duży monokryształ, czyli pojedynczy kryształ bardzo czystego
półprzewodnika samoistnego – krzemu
Domieszkowanie to po prostu dodanie do czystego półprzewodnika samoistnego specjalnie dobranych tzw. domieszek, czyli innych pierwiastków. Już na pozór znikoma zawartość odpowiednich domieszek, rzędu 1 atomu na 100 mln atomów półprzewodnika samoistnego, znacznie polepsza zdolność przewodzenia prądu.
Można przyjąć, że półprzewodnik domieszkowany przewodzi prąd tak dobrze jak metale.
Dziś najpopularniejszym materiałem półprzewodnikowym jest krzem, o symbolu chemicznym Si (ang. silicon), który jest domieszkowany takimi pierwiastkami jak bor, fosfor, glin, arsen, antymon. Oprócz krzemu istnieje też mnóstwo innych materiałów półprzewodnikowych, jak pierwiastek german (Ge) oraz proste związki chemiczne, z których najpopularniejsze są arsenek galu (GaAs), węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), a także mnóstwo bardziej złożonych stopów i związków.
Zależnie od rodzaju wprowadzonych domieszek można otrzymać półprzewodnik domieszkowany typu n, w którym nośnikami prądu są elektrony, albo typu p, w którym nośnikami są tak zwane dziury (braki elektronów, puste miejsca na elektron w siatce krystalicznej).
Na początek wystarczy informacja, że półprzewodniki domieszkowane występują w dwóch wersjach: n oraz p. Jedne i drugie dobrze przewodzą prąd elektryczny. Ważne dla elektroników jest to, co dzieje się po połączeniu półprzewodników różnych typów.
Do tej pory mówiliśmy tylko o materiałach półprzewodnikowych, ale właśnie przechodzimy do elementów półprzewodnikowych. Otóż dzięki odpowiedniej budowie i połączeniu warstw/obszarów półprzewodników domieszkowanych typu p i typu n można uzyskać zadziwiające właściwości.
Prosty przykład: połączenie obszaru p oraz n daje tzw. złącze pn (p-n), które odgrywa rolę diody przewodzącej prąd tylko w jednym kierunku. Z kolei odpowiednie połączenie trzech obszarów daje dwa złącza i tworzy tzw. tranzystor bipolarny, który może być typu pnp albo typu npn.
Dioda prostownicza składa się z połączonego półprzewodnika p i n
Dioda prostownicza składa się z obszarów półprzewodnika p i n. Tranzystor bipolarny to rodzaj „kanapki” z obszarami npn albo pnp. Jeszcze inna budowa z wykorzystaniem obszarów półprzewodnika typu p i typu n pozwala budować kolejne pożyteczne elementy elektroniczne, jak np. tranzystory polowe JFET, tyrystory i triaki, a także rozmaite odmiany diod.
Oznaczenie typów tranzystorów bipolarnych (PNP/NPN) wzięło się właśnie od sposobu, w jaki połączone są w nich obszary półprzewodników domieszkowanych typu p i n.
Tranzystory bipolarne składają się z odpowiednio połączonych półprzewodników typu n oraz p
We współczesnej elektronice ogromne znaczenie mają nie tylko złącza, czyli obszar styku materiałów półprzewodnikowych typu p i typu n. Ogromnie pożyteczne okazują się odpowiednio zrealizowane złącza metal-półprzewodnik, co jest wykorzystywane w tzw. diodach Schottky'ego. A jeszcze większe znaczenie mają złącza czy struktury zawierające metal, izolator i półprzewodnik – to podstawa absolutnie najważniejszych dziś tranzystorów MOSFET.
Tranzystory i inne półprzewodnikowe elementy elektroniczne to zbiór połączonych półprzewodników typu n i p
We współczesnych elementach (odpowiednio domieszkowany) materiał półprzewodnikowy dobrze przewodzi prąd elektryczny. Często zadziwiająco dobrze! Oto praktyczny dowód, że określenia „półprzewodnik” nie należy łączyć ze słabym, niepełnym przewodzeniem prądu elektrycznego.
Otóż już za niecałe 20 zł (w chwili pisania artykułu) możesz kupić półprzewodnik, ściślej element półprzewodnikowy zawierający wewnątrz domieszkowany materiał półprzewodnikowy, a konkretnie tranzystor MOSFET IRFB7430PbF, który mógłby przewodzić ogromny prąd, rzędu 409 amperów. Tyle nie pobiera nawet prądożerny rozrusznik w samochodzie! Dla porównania: bezpieczniki w instalacji domowej mają nominalny prąd zadziałania 16 A (ewentualnie 10 A lub 6 A).
Tranzystor IRFB7430PbF (zrzut ze strony tme.eu)
W dokumentacji technicznej tego tranzystora znajdziemy informację, że jego rezystancja typowo wynosi 1 mΩ, maksymalnie 1,3 mΩ. Tak, 1 mΩ, czyli 0,001 oma! Tymczasem metrowy kawałek instalacyjnego drutu miedzianego o przekroju 1,5 mm² ma rezystancję około 12 razy większą!
Fragment dokumentacji tranzystora IRFB7430PbF
W dalszej części dokumentacji technicznej tego tranzystora znajdziemy dwie ciekawe informacje. Elementy obudowy tego układu (ang. package) doprowadzające prąd do półprzewodnika mają ograniczoną (ang. limited) wytrzymałość prądową – tylko 195 A, a sam półprzewodnik, czyli krzem (ang. silicon), może przewodzić prąd do 409 A. Tymczasem według powszechnych błędnych wyobrażeń półprzewodniki słabiej przewodzą prąd niż przewodniki…
W różnych źródłach znajdziemy na pozór cenną i przekonującą informację, że izolatory – dielektryki to materiały, których oporność właściwa (rezystywność – cokolwiek to znaczy) jest większa niż 107 Ωm, a z kolei metalowe przewodniki mają oporność właściwą mniejszą niż 10-7 Ωm.
Częściej zamiast charakteryzującej elektryczne właściwości materiału oporności właściwej, czyli rezystywności (oznaczanej zwykle małą grecką literą ro [ρ]), podaje się parametr poniekąd odwrotny – określający chęć do przewodzenia prądu, czyli przewodność właściwą, inaczej konduktywność (oznaczaną zwykle małą literą sigma [σ]), wyrażaną w simensach na metr (S/m) lub simensach na centymetr (S/cm).
Na przykład w Słowniku języka polskiego (SJP) znajdziemy informację, że „ze względu na wartość przewodności elektrycznej właściwej σ ciała dzielą się na: przewodniki (σ > 106 S/m), półprzewodniki (10–8 < σ < 106 S/m) i izolatory (σ < 10–8 S/m)”.
Może się wydawać, że to wyjaśnia zagadnienie, bo mamy ustalone granice i kryteria podziału są jasne. Niestety, jest to pułapka. Po pierwsze dane z poszczególnych źródeł nie są zgodne. Po drugie są to teoretyczne, arbitralnie przyjęte wartości i można by się spierać, czy te granice nie powinny być inne – ale to akurat są zupełnie nieważne szczegóły.
Rozróżnianie przewodników, półprzewodników i nieprzewodników tylko na podstawie rezystywności (konduktywności) to ślepa uliczka także z innych względów. Po pierwsze generalnie półprzewodniki to materiały o strukturze krystalicznej, więc porównując je z przewodnikami i nieprzewodnikami, powinniśmy mówić tylko o materiałach krystalicznych, a nie o cieczach czy gazach.
Wprawdzie można też mówić o tzw. półprzewodnikach amorficznych (bezpostaciowych), które nie są kryształami, ale generalnie mówimy o kryształach.
Wtedy w grę wchodzą szczegóły budowy kryształów oraz fizyka kwantowa, w tym budowa atomu, przestrzenna struktura kryształu oraz niełatwe do zrozumienia pojęcie pasm energetycznych i przerw energetycznych między nimi. Mówi się o paśmie przewodnictwa, paśmie walencyjnym i paśmie zabronionym. I wtedy przewodniki definiuje się jako materiały krystaliczne, które – z grubsza biorąc – nie mają przerwy energetycznej między ostatnimi, najwyższymi pasmami decydującymi o przewodzeniu prądu – pasma te zachodzą na siebie.
Dokładniejsze zrozumienie tego tematu wymaga poznania budowy atomu oraz fizyki kwantowej
Przyjęto, że izolatory to materiały, które mają szeroką przerwę między tymi pasmami, czyli szerokie pasmo zabronione, o szerokości co najmniej 3 eV (elektronowoltów – specyficznych jednostek energii), ale nie jest to ścisła granica. Do półprzewodników zalicza się materiały krystaliczne, które mają przerwę energetyczną, czyli pasmo zabronione o szerokości do około 3 eV. W temperaturze pokojowej najpopularniejszy krzem ma przerwę (pasmo zabronione) o szerokości 1,11 eV, german 0,67 eV, arsenek galu 1,43 eV, węglik krzemu 2,86 eV, a azotek galu nawet 3,4 eV. To jednak bardzo szeroki i trudny temat – dla studentów i osób zainteresowanych teorią.
Osoby nietechniczne hasłem półprzewodniki najczęściej określają układy scalone, które są elementami półprzewodnikowymi. W tym artykule omówione zostały materiały półprzewodnikowe. Materiały, które są półprzewodnikami samoistnymi, nie mają praktycznego znaczenia. Dzisiejsza elektronika opiera się na półprzewodnikach domieszkowanych (typu p i n), z których zbudowane są elementy wzmacniające i przełączające, w tym głównie tranzystory (będące podstawą układów scalonych).
Najróżniejsze współczesne elementy półprzewodnikowe wytwarzane są w bardzo skomplikowanym procesie technologicznym z „surowego” materiału – z czystego półprzewodnika samoistnego, najczęściej z krzemu. Nieco więcej informacji na ten temat znaleźć można w artykule opisującym, czym jest układ scalony – został tam również omówiony w skrócie proces powstawania takich układów.
Piotr Górecki
Co to jest układ scalony? To pytanie zadawane nie tylko przez elektroników, bo to dzięki tym elementom powstają wszystkie elektroniczne…... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 30 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...