A legfontosabb félvezető elemek a germánium (Ge) és a szilícium (Si). Atomjaik kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A kristályszerkezet minden egyes atomja megosztja négy vegyértékelektronját a szomszédos atomokkal úgy, hogy egy-egy elektronja a legközelebbi atom egyik elektronjával összekapcsolódva párt alkot. A kovalens kötések egy szimmetrikus tetraéderes szerkezet felépítéséhez vezetnek, amely a kristálynak erősséget és stabilitást biztosít. Az alapvető félvezető anyagokat (Ge, Si) az alapanyagokból, fizikai és vegyi tisztítás révén nyerik. A félvezető eszközök gyártására nagytisztaságú monokristályos (egykristályos) anyagokat használnak.
A félvezetők saját vezetése:
Az olyan félvezetőt, amelyben a szabad töltéshordozók kizárólag úgy jönnek létre, hogy egyes elektronok a vegyértéksávból a vezetési sávba kerülnek, szerkezeti félvezetőnek nevezzük.
A szilícium egykristály kristályszerkezetében minden elektront lekötnek a kovalens kötések. A szilárd halmazállapotú anyagokban az áramvezetés, csak szabad elektronok útján jöhet létre. Így tehát a szilícium egykristály ideális szigetelő lehetne. A valóságban ez csak T=0 K esetén, vagyis abszolút nulla hőmérsékleten van így, mert nincs olyan energia, amely mozgásban tartaná az elektronokat. Amikor a hőmérséklet az abszolút nullapontból kiindulva emelkedni kezd, az anyagba jutott hőenergia révén szétbomlik egy-egy kovalens kötés. Szobahőmérsékleten már akkora a hőenergia, hogy számos vegyértékelektron kiszabadul a kovalens kötésből, s ez az anyag vezetőképességét megnöveli.
A kiszabaduló elektron egy szétszakított kovalens kötést (elektronhiányt) hagy maga után, lyuk keletkezik. A lyuk egy negatív töltés hiányát jelenti, ezért a szomszédos elektronok egyikéből magához vonz egy elektront. Ez az elektron szintén lyukakat hagy maga után, vagyis elektromos tért hatására az elektron a pozitív, a lyuk pedig a negatív pólus felé mozog, vándorol. A szétszakadt kovalens kötésekből származó elektron és lyuk, elektron-lyuk párt alkot és a leírt folyamatot elektron-lyuk pár hőátadás révén történő (termikus) képzésének nevezik.
A kristályban minden szabályosság nélkül, véletlenszerűen mozgó elektron ha egy lyukkal találkozik, a szétbomlott, hiányzó kovalens kötés újra létrejön és az elektron és az elektron, valamint a lyuk mint szabad töltéshordozó megszűnik. Az ilyen folyamatot rekombinációnak vagy újraegyesülésnek nevezzük. A félvezető anyagon belül mindig találunk az adott hőmérsékletre jellemző számú szabad töltéshordozó párokat. Ezek a hőhatással előidézett elektron-lyuk párok hozzák létre, a félvezető saját vezetését. A szerkezeti félvezetők saját vezetése, amely egyenesen arányos a termikus töltéshordozók számával, exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel.
A szennyezéses félvezetők tulajdonságai:
A tiszta félvezetőket negatív hőmérsékleti tényezőjű (NTC-ellenállásként) alkalmazzák. A félvezető anyag vezetőképessége – alacsony hőmérsékletfüggés mellett – idegen atomokkal való szennyezéssel növelhető. Ha az idegen atom mint többlet szorul be a kristály atomjai közé, akkor intersticiális szennyezésről, ha pedig be is épül a rácsszerkezetbe, akkor helyettesítő szennyezésről beszélünk.
A négy-vegyértékű Si és Ge kristályrácsba olyan atomok épülhetnek be, amelyek három vagy öt vegyértékelektronnal rendelkeznek. Az alapvető félvezetők esetén kéttípusú szennyezésnek van jelentősége: öt-vegyértékű szennyező atomok (foszfor, antimon, arzén, bizmut); három-vegyértékű szennyező atomok (bór, alumínium, indium, gallium).
A szennyező atomok kiszorítják helyükről a félvezető kristály alapatomjait, de számos vegyértékelektronjuk nem alkot kovalens kötést a szomszédos atomokkal. A kristályban ezek a kötetlen elektronok vehetnek részt az áramvezetésben, ezért a szennyezett félvezető a hőmérséklettől függetlenül jól vezeti az áramot.
N-típusú szennyezés:
Feltételezzük, hogy egy Si-kristályba öt vegyértékelektronnal rendelkező szennyező atom (P - foszfor) épül be. A szennyező P atom négy elektronja részt vesz a szomszédos Si atomok elektronjaival létesített összeköttetésekben. Az ötödik elektron, amelyik nem tud rácskötést létrehozni, csak lazán kötődik atomtörzséhez és így már nagyon csekély energiaközelítéssel vezetési elektronná válik. Az öt-vegyértékű szennyezőatomok mindegyike tehát egy szabad elektront hoz létre a kristályban anélkül, hogy egyúttal lyuk is keletkezne, mivel hiányos kötés nem marad vissza.
Ha a kristályban előforduló szabad elektronok száma sokkal nagyobb, mint a lyukak száma, akkor N-szennyezésű Si-ról beszélünk. Az ötvegyértékű foszfor atomot mivel elektront ad le donor atomnak, magát a szennyezést donorszennyezésnek is nevezzük. Az elektronokat ebben az esetben többségi töltéshordozónak, a lyukakat pedig kissebségi töltéshordozóknak nevezzük.
P-típusú szennyezés:
A szerkezeti félvezető anyagok vezetőképességének növelése három vegyértékű szennyezőatomok kristályrácsba való beépítésével is elérhető. A bóratom a Si-hoz hasonló nagyságú, és egy Si-atomot helyettesít a kristályrácsban. Ekkor csak három kovalens kötés jöhet létre, a negyedik kötésből hiányzó elektron helyén egy lyuk keletkezik. Már kis energiaközelítéssel is lehetővé válik, hogy valamelyik közeli atom egyik elektronja erre az üres helyre beugorjon és így saját helyét hagyja betöltetlenül hátra. A keletkezett lyuk másik elektron számára válik betölthetővé, és így a lyuk a szokásos módon vándorolhat a kristályba.
A három vegyértékű szennyezőatomok a lyukak létrehozásával elektronokat vesznek fel, ezért akceptor vagy P-típusú szennyezőanyagoknak nevezzük őket. A félvezetőt P-szennyezettségűnek nevezzük. A P-típusú félvezetők esetében a lyukak a többségi, az elektronok kissebségi töltéshordozók.
Áramvezetés a félvezetőkben:
Homogén (egynemű) szennyezettségű félvezetőkben a töltéshordozók a rács-atomok külső elektronhéjával vagy más szabad töltéshordozókkal való ütközéseik miatti hőmozgás révén rendezetlenül, véletlenszerűen mozognak a kristályban. A töltéshordozók mozgásának félvezetőkben, a hőmozgáson kívül két oka lehet: a töltéshordozók változó koncentrációja; egy belső, vagy külső elektromos tér jelenléte.
Az inhomogén szennyezettségű félvezetőkben a töltéshordozók mozgása nem véletlenszerű, hanem arra irányul, hogy egyenletesen kitöltsék a rendelkezésre álló teret. Az olyan töltéshordozó áramlást, amely koncentráció különbségből adódik, diffúziós áramnak nevezzük.
Az elektronok diffúziója következtében a félvezető kristály egyes részei között felborul az elektromos töltések egyensúlya, viszont az anyag egészében nézve elektromos szempontból semleges marad. Az elektromos töltéseloszlás változása olyan belső villamos teret hoz létre, amelynek hatása a töltéshordozókat eredeti helyükre kényszeríti vissza. Ez a jelenség egy újabb elektromos áramot hoz létre, amelynek iránya a diffúziós áraméhoz képest ellentétes, de nagyságuk megegyezik. Ha a félvezető kristályban a töltéshordozók kitüntetett irányú mozgása külső vagy belső elektromos tér hatására jön létre, akkor ezt az áramot sodrási áramnak vagy driftáramnak nevezzük.
A PN-átmenet működése:
A félvezetőelemek felépítésében P-típusú és N-típusú rétegek egyaránt megtalálhatók. Ezek között a különböző elektromos vezetőképességű rétegek között, a szennyezőatomok eloszlásának változása lép fel. Ha ez a változás nagy távolságon jön létre, akkor a két szennyezett félvezető réteg viselkedése egymástól független. Abban az esetben viszont, amikor a szennyezőatomok koncentrációjának változása a vezetés típusának megváltozásával egy maximálisan 1μm szélességű zónán jön létre, egy PN-átmenetet kapunk.
Egy P és egy N-szennyezésű félvezető hasábból kialakítunk egy félvezetőt. Kezdeti időpontban a két réteg elektromosan semleges. Az N-réteg szabad elektronjait a kristályszerkezetben rögzített helyzetű és ötvegyértékű donor ionok töltése, a P-rétegben található lyukakat a három-vegyértékű akceptor ionok töltése semlegesíti. A két réteg közvetlen érintkezési felületénél a töltéshordozók koncentrációkülönbsége miatt bizonyos mértékű diffúzió indul meg:
• az N-szennyezésű rétegből elektronok diffundálnak az átmeneten keresztül a P-szennyezettségű rétegbe,
• a lyukak viszont a P-szennyezettségű rétegből átdiffundálnak az N-szennyezettségű rétegbe.
Amikor az N-szennyezettségű rétegből diffundáló elektron áthalad az átmeneten, egy olyan tartományba kerül, ahol igen nagy a lyukak sűrűsége. A rekombináció valószínűsége olyan nagy, hogy az elektron, mint szabad töltéshordozó rövid idő alatt megszűnik.
Hasonló körülmények közé kerül a lyuk is az N-szennyezettségű rétegben. Ily módon az átmenet környezetében a félvezető kristály töltéshordozókban elszegényedik és egy tértöltésű tartomány keletkezik, amelyet helyhez kötött donor-, illetve akceptor ionok alkotnak. Ez az N-réteg pozitív töltésű donorionjaitól, a P-réteg negatív akceptorionjai felé irányuló elektromos teret hoz létre. A többségi töltéshordozókból álló diffúziós áram nagysága az átmenet környezetében kialakuló erőtér gyors növekedésének hatására fokozatosan csökken. Az elektromos tér által átsodort kisebbségi töltéshordozók úgynevezett sodródási árama igen csekély. A többségi töltéshordozók további diffúziója a szomszédos területek felé megszűnik és kialakul egy energiaegyensúly, amely állandó szinten tartja az átmeneten a potenciálkülönbséget.
A félvezetők saját vezetése:
Az olyan félvezetőt, amelyben a szabad töltéshordozók kizárólag úgy jönnek létre, hogy egyes elektronok a vegyértéksávból a vezetési sávba kerülnek, szerkezeti félvezetőnek nevezzük.
A szilícium egykristály kristályszerkezetében minden elektront lekötnek a kovalens kötések. A szilárd halmazállapotú anyagokban az áramvezetés, csak szabad elektronok útján jöhet létre. Így tehát a szilícium egykristály ideális szigetelő lehetne. A valóságban ez csak T=0 K esetén, vagyis abszolút nulla hőmérsékleten van így, mert nincs olyan energia, amely mozgásban tartaná az elektronokat. Amikor a hőmérséklet az abszolút nullapontból kiindulva emelkedni kezd, az anyagba jutott hőenergia révén szétbomlik egy-egy kovalens kötés. Szobahőmérsékleten már akkora a hőenergia, hogy számos vegyértékelektron kiszabadul a kovalens kötésből, s ez az anyag vezetőképességét megnöveli.
A kiszabaduló elektron egy szétszakított kovalens kötést (elektronhiányt) hagy maga után, lyuk keletkezik. A lyuk egy negatív töltés hiányát jelenti, ezért a szomszédos elektronok egyikéből magához vonz egy elektront. Ez az elektron szintén lyukakat hagy maga után, vagyis elektromos tért hatására az elektron a pozitív, a lyuk pedig a negatív pólus felé mozog, vándorol. A szétszakadt kovalens kötésekből származó elektron és lyuk, elektron-lyuk párt alkot és a leírt folyamatot elektron-lyuk pár hőátadás révén történő (termikus) képzésének nevezik.
A kristályban minden szabályosság nélkül, véletlenszerűen mozgó elektron ha egy lyukkal találkozik, a szétbomlott, hiányzó kovalens kötés újra létrejön és az elektron és az elektron, valamint a lyuk mint szabad töltéshordozó megszűnik. Az ilyen folyamatot rekombinációnak vagy újraegyesülésnek nevezzük. A félvezető anyagon belül mindig találunk az adott hőmérsékletre jellemző számú szabad töltéshordozó párokat. Ezek a hőhatással előidézett elektron-lyuk párok hozzák létre, a félvezető saját vezetését. A szerkezeti félvezetők saját vezetése, amely egyenesen arányos a termikus töltéshordozók számával, exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel.
A szennyezéses félvezetők tulajdonságai:
A tiszta félvezetőket negatív hőmérsékleti tényezőjű (NTC-ellenállásként) alkalmazzák. A félvezető anyag vezetőképessége – alacsony hőmérsékletfüggés mellett – idegen atomokkal való szennyezéssel növelhető. Ha az idegen atom mint többlet szorul be a kristály atomjai közé, akkor intersticiális szennyezésről, ha pedig be is épül a rácsszerkezetbe, akkor helyettesítő szennyezésről beszélünk.
A négy-vegyértékű Si és Ge kristályrácsba olyan atomok épülhetnek be, amelyek három vagy öt vegyértékelektronnal rendelkeznek. Az alapvető félvezetők esetén kéttípusú szennyezésnek van jelentősége: öt-vegyértékű szennyező atomok (foszfor, antimon, arzén, bizmut); három-vegyértékű szennyező atomok (bór, alumínium, indium, gallium).
A szennyező atomok kiszorítják helyükről a félvezető kristály alapatomjait, de számos vegyértékelektronjuk nem alkot kovalens kötést a szomszédos atomokkal. A kristályban ezek a kötetlen elektronok vehetnek részt az áramvezetésben, ezért a szennyezett félvezető a hőmérséklettől függetlenül jól vezeti az áramot.
N-típusú szennyezés:
Feltételezzük, hogy egy Si-kristályba öt vegyértékelektronnal rendelkező szennyező atom (P - foszfor) épül be. A szennyező P atom négy elektronja részt vesz a szomszédos Si atomok elektronjaival létesített összeköttetésekben. Az ötödik elektron, amelyik nem tud rácskötést létrehozni, csak lazán kötődik atomtörzséhez és így már nagyon csekély energiaközelítéssel vezetési elektronná válik. Az öt-vegyértékű szennyezőatomok mindegyike tehát egy szabad elektront hoz létre a kristályban anélkül, hogy egyúttal lyuk is keletkezne, mivel hiányos kötés nem marad vissza.
Ha a kristályban előforduló szabad elektronok száma sokkal nagyobb, mint a lyukak száma, akkor N-szennyezésű Si-ról beszélünk. Az ötvegyértékű foszfor atomot mivel elektront ad le donor atomnak, magát a szennyezést donorszennyezésnek is nevezzük. Az elektronokat ebben az esetben többségi töltéshordozónak, a lyukakat pedig kissebségi töltéshordozóknak nevezzük.
P-típusú szennyezés:
A szerkezeti félvezető anyagok vezetőképességének növelése három vegyértékű szennyezőatomok kristályrácsba való beépítésével is elérhető. A bóratom a Si-hoz hasonló nagyságú, és egy Si-atomot helyettesít a kristályrácsban. Ekkor csak három kovalens kötés jöhet létre, a negyedik kötésből hiányzó elektron helyén egy lyuk keletkezik. Már kis energiaközelítéssel is lehetővé válik, hogy valamelyik közeli atom egyik elektronja erre az üres helyre beugorjon és így saját helyét hagyja betöltetlenül hátra. A keletkezett lyuk másik elektron számára válik betölthetővé, és így a lyuk a szokásos módon vándorolhat a kristályba.
A három vegyértékű szennyezőatomok a lyukak létrehozásával elektronokat vesznek fel, ezért akceptor vagy P-típusú szennyezőanyagoknak nevezzük őket. A félvezetőt P-szennyezettségűnek nevezzük. A P-típusú félvezetők esetében a lyukak a többségi, az elektronok kissebségi töltéshordozók.
Áramvezetés a félvezetőkben:
Homogén (egynemű) szennyezettségű félvezetőkben a töltéshordozók a rács-atomok külső elektronhéjával vagy más szabad töltéshordozókkal való ütközéseik miatti hőmozgás révén rendezetlenül, véletlenszerűen mozognak a kristályban. A töltéshordozók mozgásának félvezetőkben, a hőmozgáson kívül két oka lehet: a töltéshordozók változó koncentrációja; egy belső, vagy külső elektromos tér jelenléte.
Az inhomogén szennyezettségű félvezetőkben a töltéshordozók mozgása nem véletlenszerű, hanem arra irányul, hogy egyenletesen kitöltsék a rendelkezésre álló teret. Az olyan töltéshordozó áramlást, amely koncentráció különbségből adódik, diffúziós áramnak nevezzük.
Az elektronok diffúziója következtében a félvezető kristály egyes részei között felborul az elektromos töltések egyensúlya, viszont az anyag egészében nézve elektromos szempontból semleges marad. Az elektromos töltéseloszlás változása olyan belső villamos teret hoz létre, amelynek hatása a töltéshordozókat eredeti helyükre kényszeríti vissza. Ez a jelenség egy újabb elektromos áramot hoz létre, amelynek iránya a diffúziós áraméhoz képest ellentétes, de nagyságuk megegyezik. Ha a félvezető kristályban a töltéshordozók kitüntetett irányú mozgása külső vagy belső elektromos tér hatására jön létre, akkor ezt az áramot sodrási áramnak vagy driftáramnak nevezzük.
A PN-átmenet működése:
A félvezetőelemek felépítésében P-típusú és N-típusú rétegek egyaránt megtalálhatók. Ezek között a különböző elektromos vezetőképességű rétegek között, a szennyezőatomok eloszlásának változása lép fel. Ha ez a változás nagy távolságon jön létre, akkor a két szennyezett félvezető réteg viselkedése egymástól független. Abban az esetben viszont, amikor a szennyezőatomok koncentrációjának változása a vezetés típusának megváltozásával egy maximálisan 1μm szélességű zónán jön létre, egy PN-átmenetet kapunk.
Egy P és egy N-szennyezésű félvezető hasábból kialakítunk egy félvezetőt. Kezdeti időpontban a két réteg elektromosan semleges. Az N-réteg szabad elektronjait a kristályszerkezetben rögzített helyzetű és ötvegyértékű donor ionok töltése, a P-rétegben található lyukakat a három-vegyértékű akceptor ionok töltése semlegesíti. A két réteg közvetlen érintkezési felületénél a töltéshordozók koncentrációkülönbsége miatt bizonyos mértékű diffúzió indul meg:
• az N-szennyezésű rétegből elektronok diffundálnak az átmeneten keresztül a P-szennyezettségű rétegbe,
• a lyukak viszont a P-szennyezettségű rétegből átdiffundálnak az N-szennyezettségű rétegbe.
Amikor az N-szennyezettségű rétegből diffundáló elektron áthalad az átmeneten, egy olyan tartományba kerül, ahol igen nagy a lyukak sűrűsége. A rekombináció valószínűsége olyan nagy, hogy az elektron, mint szabad töltéshordozó rövid idő alatt megszűnik.
Hasonló körülmények közé kerül a lyuk is az N-szennyezettségű rétegben. Ily módon az átmenet környezetében a félvezető kristály töltéshordozókban elszegényedik és egy tértöltésű tartomány keletkezik, amelyet helyhez kötött donor-, illetve akceptor ionok alkotnak. Ez az N-réteg pozitív töltésű donorionjaitól, a P-réteg negatív akceptorionjai felé irányuló elektromos teret hoz létre. A többségi töltéshordozókból álló diffúziós áram nagysága az átmenet környezetében kialakuló erőtér gyors növekedésének hatására fokozatosan csökken. Az elektromos tér által átsodort kisebbségi töltéshordozók úgynevezett sodródási árama igen csekély. A többségi töltéshordozók további diffúziója a szomszédos területek felé megszűnik és kialakul egy energiaegyensúly, amely állandó szinten tartja az átmeneten a potenciálkülönbséget.
