Puslaidininkiai: kas tai, kaip veikia silicis, tipai ir taikymai

Puslaidininkis - tai medžiaga, kuri vienais atvejais praleidžia elektros srovę, o kitais - ne. Geri elektros laidininkai, pavyzdžiui, varis ar sidabras, lengvai praleidžia elektrą. Medžiagos, kurios blokuoja elektros srautą, pavyzdžiui, guma ar plastikas, vadinamos izoliatoriais. Izoliatoriai dažnai naudojami siekiant apsaugoti žmones nuo elektros smūgio. Kaip matyti iš pavadinimo, puslaidininkis ne taip gerai praleidžia elektros srovę kaip laidininkas. Dažniausiai naudojamas puslaidininkis yra silicis, tačiau naudojamas ir galio arsenidas.

Į puslaidininkio kristalinę gardelę (tinklelį) pridėjus skirtingų atomų, keičiasi jo laidumas - gaunami n ir p tipo puslaidininkiai. Silicis yra svarbiausias komercinis puslaidininkis, nors naudojama ir daug kitų. Iš jų galima pagaminti tranzistorius, kurie yra maži stiprintuvai. Tranzistoriai naudojami kompiuteriuose, mobiliuosiuose telefonuose, skaitmeniniuose garso grotuvuose ir daugelyje kitų elektroninių prietaisų.

Kaip ir kitų kietųjų kūnų, puslaidininkių elektronų energija gali būti tik tam tikrose juostose (t. y. energijos lygmenų diapazonuose) tarp pagrindinės būsenos energijos, atitinkančios elektronus, tvirtai surištus su medžiagos atomo branduoliais, ir laisvojo elektrono energijos, t. y. energijos, reikalingos elektronui visiškai ištrūkti iš medžiagos.

Silicis: pagrindinės savybės

Silicis (Si) turi kristalinę diamond cubic struktūrą ir yra puslaidininkis su vidiniu (intrinsiniu) energijos juostos tarpu (band gap) apie 1,12 eV esant 300 K. Tai reiškia, kad tam tikra energija reikalinga, kad elektronas pereitų iš valentinės juostos į laidumo juostą. Esant normalioms sąlygoms silicis yra silpnai laidus, bet jo laidumas labai didėja keičiant temperatūrą arba įterpiant priemaišas (dopavimas).

Dopavimas: n ir p tipo puslaidininkiai

Įterpiant mums įprastas priemaišas, keičiamos pagrindinės savybės:

• n tipo – į silicį įterpiami donoriniai atomai (pvz., fosforas, arsenas), kurie turi papildomą elektroną. Tai sukuria dauguma neigiamų nešėjų (elektronų).
• p tipo – įterpiami akceptoriniai atomai (pvz., boras), kurie sukuria spragas (naud. „skyles“) kaip teigiamus nešėjus.

Tokiu būdu galima vietiškai valdyti laidumą ir formuoti, pavyzdžiui, p–n sandūras, kurios yra diodų ir tranzistorių pagrindas.

Kaip veikia p–n sandūra

Susilietus p ir n regionams susidaro vadinamasis išsisavinimo sluoksnis (depletion region), kurioje nėra laisvų nešėjų, ir susiformuoja įtampa (built-in potential). Jei sandūrą poliarizuojame viena kryptimi (tiesioginis poliarizavimas), išsisavinimo sluoksnis siaurėja ir pradeda tekėti srovė; atvirkštiniu poliarizavimu srovė beveik neateina, kol nepasiekiamas ionizacijos slenkstis. Šis elgesys ir lemia diodų bei daugumos puslaidininkinių komponentų veikimą.

Puslaidininkių gamyba ir pagrindiniai procesai

Pagrindiniai integrinių grandynų (IC) ar diskretiškai veikiančių puslaidininkinių elementų gamybos etapai:

• aukštos grynumo monokristalinių silicio luitų gamyba (Czochralski procesas);
• luito pjaustymas į wafer diskus, poliravimas ir valymas;
• termoxidavimas – ant paviršiaus formuojamas silicio dioksidas (SiO2);
• fotolitografija – antwaferio piešiami mikroschemų raštai;
• dopavimas (difuzija arba jonų implantacija) – lokalizuotas laidumo keitimas;
• ėsdinimas, metalizacija ir pakavimas (packaging).

Visa gamyba vyksta itin švariomis sąlygomis (cleanroom), nes smulkiausios dalelės gali sugadinti grandines.

Kiti naudojami puslaidininkiai ir kodėl

Be silicio, dažnai naudojami:

• Galio arsenidas (GaAs) – geresnė mobilumas ir didesnis greitis RF/optinių įrenginių srityje, naudojamas aukštos dažnio grandinėse ir LED/laserių diodų gamyboje.
• SiC (silicio karbidas) ir GaN (galičio nitridas) – plačiai diegiami galios elektronikoje dėl didelio juostos tarpo ir geresnės temperatūrinės bei įtampos atlaikymo savybių.
• Plonasluoksniai ir organiniai puslaidininkiai – naudojami lanksčiose, pigesnėse arba specifinėse optoelektronikos srityse (pvz., OLED).

Puslaidininkinių įrenginių tipai ir taikymai

• Tranzistoriai (MOSFET, BJT) – kompiuterių procesoriuose, atminties lustuose, analoginėje ir skaitmeninėje elektronikoje.
• Diodai – taisymo diodai, LED, fotodiodai, lazeriniai diodai.
• Saulės elementai – fotovoltinės ląstelės elektrinei energijai gaminti.
• Jutikliai – temperatūros, lygių, slėgio, cheminiai ir vaizdo jutikliai.
• Galios elektronika – kintamosios srovės pavaros, elektros transportas, inverteriai.

Fiziniai dydžiai ir praktiniai parametrai

Keli reikšmingi skaičiai, nurodantys silicio savybes (apie 300 K):

• energetinis juostos tarpas: ~1,12 eV;
• intrinis nešėjų tankis: maždaug 1×10¹⁰ cm⁻³;
• elektronų judrumas: ~1400 cm²/V·s, skylinų judrumas: ~450 cm²/V·s (priklauso nuo dopavimo ir temperatūros).

Temperatūros ir priemaišų įtaka

Temperatūra reiškia daug: didėjant temperatūrai, daugiau elektronų įgauna energiją ir pereina į laidumo juostą, todėl silicio laidumas didėja. Priemaišos (dopantai) kontroliuoja tiek nešėjų tipą, tiek jų koncentraciją – nuo itin mažų iki labai didelių koncentracijų (10¹⁰–10¹⁹ cm⁻³), kas leidžia plačiai pritaikyti medžiagą.

Aplinkos, tiekimo ir ateities aspektai

Silicis gaunamas iš kvarco (SiO2), ir nors silicis yra gausus, aukštos kokybės, elektronikos pramonei tinkamas silicis reikalauja sudėtingų gamybos procesų ir daug energijos. Todėl vyksta darbas, skirtas mažinti medžiagų vartojimą bei atliekų kiekį, gerinti perdirbamumą. Ateities kryptys apima:

• plačiau diegiamus plačios juostos medžiagas (SiC, GaN) galios prietaisuose;
• 2D medžiagas (pvz., grafenas, MoS2) ir kvantines medžiagas naujos kartos tranzistoriams bei jutikliams;
• tolesnę integracijos kompaktinimą (More-Moore pažanga ir 3D integracija) bei litografijos tobulinimą.

Santrauka

Puslaidininkiai – tai medžiagos, kurių elektrinės savybės yra tarp laidininkų ir izoliatorių, o jas galima tiksliai kontroliuoti dopuojant ir konstravus p–n sandūras. Silicis yra pagrindinė pramoninė medžiaga dėl geros kainos, technologinės brandos ir pakankamų elektrinių savybių, tačiau kitos medžiagos, pvz., galio arsenidas, SiC ar GaN, naudojamos ten, kur reikalingas didelis greitis, galia ar optinės savybės. Puslaidininkinės technologijos yra šiuolaikinių elektroninių prietaisų širdis — nuo išmaniųjų telefonų iki saulės elektrinių ir elektrinių transporto priemonių.