Półprzewodnik

Półprzewodnik to materiał, którego przewodność jest pośrednia między przewodnikiem a izolatorem i zmienia się pod wpływem domieszek, temperatury lub światła. Najczęściej wykorzystuje się krzem (Si) i german (Ge).

---

Czym półprzewodnik różni się od przewodnika i izolatora?

Metal ma mnóstwo swobodnych elektronów, izolator prawie żadnych, a półprzewodnik ma ich niewiele, ale łatwo je uwolnić: nagrzaniem, oświetleniem, polem elektrycznym albo wprowadzeniem obcych atomów. Dzięki temu konduktywność typowego półprzewodnika można zmieniać w bardzo szerokim przedziale, od 10^-8 do 10³ S/cm.

Elektrony w półprzewodniku muszą pokonać przerwę energetyczną, zwaną pasmem wzbronionym. Dla materiałów półprzewodnikowych mieści się ona między 0 a 6 eV, a dla krzemu wynosi 1,1 eV. Granicę z izolatorem przyjmuje się często przy 3 eV, ale jest ona umowna.

Cecha	Przewodnik (metal)	Półprzewodnik	Izolator
Swobodne nośniki ładunku	bardzo dużo	niewiele, ich liczbę można zmieniać	prawie brak
Skutek nagrzania	opór rośnie	opór zwykle maleje	przewodność z reguły rośnie
Przykłady	miedź, aluminium	krzem, german, arsenek galu	szkło, guma, PVC
Gdzie w elektryce	żyły przewodów, szyny, styki	diody, tranzystory, ogniwa fotowoltaiczne	izolacja żył, izolatory

Przy diodzie czy tranzystorze zależność prądu od napięcia nie jest linią prostą, więc nie opisuje ich jedna stała rezystancja, a prawo Ohma sprawdza się tylko w wąskim przedziale pracy.

Z czego robi się półprzewodniki?

Półprzewodniki dzieli się na elementarne, zbudowane z jednego pierwiastka, i związkowe, w których łączą się dwa pierwiastki lub więcej.

Materiał	Rodzaj	Pasmo wzbronione	Do czego służy
Krzem (Si)	elementarny	1,1 eV	układy scalone, tranzystory, ogniwa fotowoltaiczne
German (Ge)	elementarny	0,7 eV	pierwsze tranzystory, dziś elementy wysokiej częstotliwości i fotoniki
Arsenek galu (GaAs)	związkowy	1,4 eV	radary, łączność satelitarna, optoelektronika
Azotek galu (GaN)	związkowy	3,4 eV	energoelektronika i optoelektronika

Węglik krzemu (SiC) wytrzymuje wysokie temperatury i napięcia, dlatego coraz częściej trafia do pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Mimo różnorodności materiałów to krzem pozostaje najpopularniejszy.

Krzem zawdzięcza popularność szerokości pasma wzbronionego. Przerwa 1,1 eV jest na tyle mała, że elektrony dają się łatwo wzbudzić, a na tyle duża, że w niskiej temperaturze przewodnictwo pozostaje niewielkie. Ta pośrednia cecha pozwala sterować przewodzeniem, czego nie da się zrobić ani w metalu, ani w izolatorze. Pierwszy tranzystor powstał w 1947 roku w Bell Labs, a dziś najmniejsze mają rozmiary kilku nanometrów.

Osobną, nowszą klasą są półprzewodniki organiczne, stosowane w elastycznych ekranach OLED i ogniwach organicznych. Grafen sam w sobie jest przewodnikiem, ale naukowcy pracują nad sposobami nadania mu właściwości półprzewodnika.

Co to jest domieszkowanie i czym różni się półprzewodnik typu n od typu p?

Czysty półprzewodnik, zwany samoistnym, ma mało swobodnych nośników i dużą rezystywność, więc do struktury wprowadza się domieszki, czyli obce atomy. Domieszka dająca nadmiar elektronów, na przykład fosfor albo arsen, tworzy półprzewodnik typu n. Domieszka dająca niedobór elektronów, na przykład bor albo glin, tworzy typ p, w którym nośnikami są dziury, czyli puste miejsca po elektronach.

Konduktywność półprzewodnika zależy od koncentracji i ruchliwości nośników ładunku:

σ = q · n · μ

• σ – konduktywność [S/m]
• q – ładunek nośnika [C]
• n – koncentracja nośników [1/m³]
• μ – ruchliwość nośników [m²/(V·s)]

Gdy zetkniesz obszar p z obszarem n, powstaje złącze p-n, które przewodzi prąd tylko w jednym kierunku i jest sercem diody. Trzy obszary ułożone jako npn albo pnp tworzą tranzystor bipolarny. Na złączach p-n działają też ogniwa fotowoltaiczne, które przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną.

Dlaczego półprzewodnik lepiej przewodzi po nagrzaniu?

W metalu wzrost temperatury zmniejsza ruchliwość elektronów, więc opór rośnie. W półprzewodniku samoistnym nagrzanie uwalnia dużo nowych nośników, a ich liczba rośnie szybciej niż spada ruchliwość, więc rezystywność maleje. W półprzewodniku domieszkowanym w średnich temperaturach prawie wszystkie domieszki są już zjonizowane, liczba nośników jest stała i przeważa spadek ruchliwości, więc konduktywność lekko maleje.

Gdzie spotkasz półprzewodniki w instalacji 230/400 V i na egzaminie SEP?

Półprzewodniki pracują w zasilaczach i ładowarkach, oprawach LED, regulatorach oświetlenia i falownikach. W instalacji fotowoltaicznej półprzewodnikiem jest już moduł: ogniwa, zwykle krzemowe, wytwarzają prąd stały, a falownik zamienia go na przemienny za pomocą tranzystorów mocy. Takie instalacje opisuje norma PN-HD 60364-7-712.

Dioda LED to złącze p-n, które wysyła światło. Oprawa z taką diodą zawiera zasilacz zamieniający napięcie sieci 230 V na wartość i rodzaj prądu odpowiednie dla diod.

Odbiorniki z prostownikami pobierają prąd odkształcony, a usterka w takim układzie może dać prąd różnicowy ze składową stałą, dlatego przy ich zasilaniu liczy się typ wyłącznika różnicowoprądowego.

Z półprzewodnikami zetkniesz się na egzaminie SEP grupy 1 przy pytaniach o diodę i tranzystor oraz o to, dlaczego element półprzewodnikowy nie ma stałej rezystancji.

Najczęściej zadawane pytania