Co to jest półprzewodnik?

Półprzewodnik jest materiałem, który ma pewne unikalne właściwości w sposobie, w jaki reaguje na prąd elektryczny. Jest to materiał, który ma znacznie niższy opór przepływu prąd elektryczny w jednym kierunku niż w innym. Przewodnictwo elektryczne półprzewodnika jest pomiędzy dobrym przewodnikiem (jak miedź) a przewodnikiem izolatora (jak guma). Stąd nazwa półprzewodnik. Półprzewodnik jest również materiałem, którego przewodność elektryczna może być zmieniana (zwana domieszkowaniem) poprzez zmiany temperatury, przyłożone pola lub dodanie zanieczyszczeń.

Chociaż półprzewodnik nie jest wynalazkiem i nikt nie wynalazł półprzewodnika, istnieje wiele wynalazków, które są urządzeniami półprzewodnikowymi. Odkrycie materiałów półprzewodnikowych pozwoliło na ogromny i ważny postęp w dziedzinie elektroniki. Potrzebowaliśmy półprzewodników do miniaturyzacji komputerów i części komputerowych. Potrzebowaliśmy półprzewodników do produkcji części elektronicznych, takich jak diody, tranzystory i wiele innych ogniwa fotowoltaiczne.

Materiały półprzewodnikowe obejmują pierwiastki krzemu i germanu oraz związki arsenku galu, siarczku ołowiu lub fosforku indu. Istnieje wiele innych półprzewodników. Nawet niektóre tworzywa sztuczne mogą być półprzewodnikowe, co pozwala na elastyczne diody elektroluminescencyjne (LED), które można formować do dowolnego pożądanego kształtu.

Według dr Ken Mellendorf z Zapytaj naukowca Newtona:

„Doping” to procedura, dzięki której półprzewodniki, takie jak krzem i german, są gotowe do użycia w diodach i tranzystorach. Półprzewodniki w swojej niedomieszkowanej postaci są w rzeczywistości izolatorami elektrycznymi, które nie izolują zbyt dobrze. Tworzą wzór kryształu, w którym każdy elektron ma określone miejsce. Większość materiałów półprzewodnikowych ma cztery elektrony walencyjne, cztery elektrony w zewnętrznej powłoce. Umieszczając jeden lub dwa procent atomów z pięcioma elektronami walencyjnymi, takimi jak arsen, z czterowartościowym półprzewodnikiem elektronowym, takim jak krzem, dzieje się coś interesującego. Nie ma wystarczającej liczby atomów arsenu, aby wpłynąć na ogólną strukturę krystaliczną. Cztery z pięciu elektronów są używane w tym samym wzorze co krzem. Piąty atom nie pasuje dobrze do struktury. Nadal woli wisieć w pobliżu atomu arsenu, ale nie jest mocno trzymany. Bardzo łatwo jest go wybić i wysłać przez materiał. Domieszkowany półprzewodnik jest bardziej podobny do przewodnika niż półprzewodnik niedomieszkowany. Możesz również domieszkować półprzewodnik z atomem trzyelektronowym, takim jak aluminium. Aluminium pasuje do struktury krystalicznej, ale teraz w strukturze brakuje elektronu. To się nazywa dziura. Wykonanie sąsiedniego elektronu w otworze jest jak przeniesienie otworu. Umieszczenie półprzewodnika z domieszką elektronów (typu n) z półprzewodnikiem z domieszką dziury (typu p) tworzy diodę. Inne kombinacje tworzą urządzenia, takie jak tranzystory.

Termin „półprzewodnikowy” został użyty po raz pierwszy przez Alessandro Volta w 1782 r.

Michael Faraday był pierwszą osobą, która zaobserwowała efekt półprzewodników w 1833 roku. Faraday zauważył, że opór elektryczny siarczku srebra zmniejsza się wraz z temperaturą. W 1874 roku Karl Braun odkrył i udokumentował pierwszy efekt diody półprzewodnikowej. Braun zauważył, że prąd przepływa swobodnie tylko w jednym kierunku na styku metalowego punktu z kryształem galeny.

W 1901 r. Opatentowano pierwsze urządzenie półprzewodnikowe, zwane „wąsami dla kotów”. Urządzenie zostało wynalezione przez Jagadis Chandra Bose. Wąsy Cat były punktowym prostownikiem półprzewodnikowym stosowanym do wykrywania fal radiowych.

Tranzystor to urządzenie złożone z materiału półprzewodnikowego. John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley wspólnie wymyślili tranzystor w 1947 roku w Bell Labs.

• Argonne National Laboratory. „NEWTON - Zapytaj naukowca”. Archiwum internetowe, 27 lutego 2015 r.