Jämförelse av elektronband i metall, halvledare och isolator
Halvledare (halvledarmaterial) ärkristallina material som inte lederelektrisk ström lika bra som enledare, men inte heller utesluter strömledning som enisolator.
Halvledare kan även avse enhalvledarkomponent, vilket är enelektronisk komponent som är tillverkad genom att ett halvledarmaterial (vanligen kisel, germanium, galliumarsenid eller en organisk halvledare)dopas med andra ämnen. Vanliga halvledarkomponenter ärdioder (halvledardioder) ochtransistorer. Halvledarkomponenter inkapslas både som enstaka diskreta komponenter och somintegrerade kretsar (IC-kretsar också kalladechip), där de senare består av flera, upp till miljardtals, transistorer och andra elektroniska komponenter - tillverkade och sammankopplade på en enda halvledarskiva (även kallat ett substrat). Halvledarkomponenter har sedan 1940-talet successivt ersattvakuumrör i de flesta elektroniska applikationer. Tidiga tillämpningsexempel av halvledarelektronik vartransistorradio,dator från den andra generationen (1950-talet),miniräknare (1970-talet),LED-lampa,solcell,plattskärm ochSSD-minne. Tillverkningsindustrierna kallashalvledarfabriker, och är huvudsakligen koncentrerade tillTaiwan och andra östasiatiska länder, ursprungligen tillSilicon Valley kring San Fransisco.
Ett rent halvledarmaterial som till exempelkisel leder ström genomtermiskt exciterade elektroner. Det gör att ledningsförmågan i ett halvledarmaterial ökar dramatiskt med temperaturen, då antalet tillgängliga exciterade elektroner ökar exponentiellt med temperaturen. För vanliga ledare sjunker däremot den elektriska ledningsförmågan eftersom spridning mot kristallgittrets rörelser,fononer, ökar.
Kisel som används i halvledarkomponenter har oftast tillsatts mycket små mängder av andra ämnen i en process som kallasdopning, varvid ledningsförmågan ökar markant. Kisel finns iIUPACgrupp 14 i detperiodiska systemet (även kalladkolgruppen, tidigare omnämndgrupp IV). De element som tillsätts befinner sig i angränsande grupper, alltså i grupp 13 (borgruppen, tidigare omnämndgrupp III) eller grupp 15 (kvävegruppen, tidigare omnämndgrupp V). Tillsats av en atom ur grupp 15 (oftastarsenik ellerfosfor), som har en elektron mer ivalensbandet än de omgivande kiselatomerna, gör att denna elektron hamnar i halvledarensledningsband. På motsvarande vis ger tillsats av ett ämne ur grupp 13 (oftastaluminium ellerbor) en elektron mindre för de omgivande atomerna. Det resulterandehålet är en så kalladkvasipartikel, och fungerar i praktiken som en positiv laddningsbärare.
Ett stycke halvledare som dopats med ett material som ger extraelektroner kallasn-dopat, och om det är dopat med atomer med färre elektroner är detp-dopat. Sammankopplingen mellan p-dopat och n-dopat material kallas enpn-övergång, och leder (med vissa undantag) ström bara i en riktning.
Halvledare har egenskaper som tilldragit sig stort intresse under andra halvan av 1900-talet, sedan uppfinningen avtransistorn i slutet av 1940-talet. Transistorn är ett förstärkarelement som har väsentliga fördelar över det äldreelektronröret. Det arbetar vid normalrumstemperatur och kan göras så mycket mindre att flera transistorer kan integreras på samma halvledarplatta, ett så kallat "chip", till enintegrerad krets ("IC").
En viktig egenskap i bandgapet hos en halvledare är att dess storlek ger upphov tillfotoner i samma storleksordning som synligt ljus. Alla halvledare är goda detektorer av ljus. Kisel sänder däremot inte ut ljus. Av denna anledning används i stället halvledare av annan sort för att sända ljus,galliumarsenid (GaAs) ochindiumfosfid (InP). Delvis används ljuset tilllysdioder, men man kan även använda dem till att göralasrar. Den moderna tidens optiska kommunikation har gjorts möjlig genom att använda lasrar och detektorer av indiumfosfid.
Den gren avfysiken som studerar halvledare kallashalvledarfysik,halvledarelektronik ellerhalvledarkemi. Praktisk användning av halvledarkomponenter studeras inomelektronik.Halvledarkomponenter använder elektrisk ledning i fast tillstånd snarare än gasformigt tillstånd eller termjonisk emission i ett vakuum, och komponenternasteknologi kallas därför ävenfasta tillståndets elektronik. Integrerade kretsar är exempel påmikroelektronik.
Halvledare innehar ett antal användbara och unika egenskaper relaterat till dess elektronstruktur. Elektroner i fasta ämnen tenderar att ockupera olikaenergiband. Energibandet som associeras med en elektron i dess grundtillstånd brukar kallasvalensband. För halvledare är elektroner i detta band statiska, medan energibandet för exciterade elektroner kallas ledningsbandet. Dessa elektroner tillåts röra sig fritt i ledningsbandet och har ofta högreenergi. Som namnet antyder kan elektroner i ledningsbandet leda elektricitet. Skillnaden i energinivåer mellan valensbandet och ledningsbandet kallasbandgap och motsvarar den nödvändiga energin som krävs för att excitera en elektron i valensbandet till ledningsbandet. För vissametaller, exempelvismagnesium, överlappar valens- och ledningsbandet varandra, vilket motsvarar ett negativt bandgap. I dessa situationer finns alltid några elektroner i ledningsbandet, och materialet har hög ledningsförmåga (konduktivitet). Andra metaller, som exempelviskoppar, har lediga platser i valensbandet, och även där kan elektroner leda elektricitet, därav dessa metallers höga ledningsförmåga. För isolatorer är valensbandet helt fullt och bandgapet relativt högt, vilket motverkar ledningsförmåga. Halvledare har en liknande elektronisk struktur som isolatorer har, men med ett relativt lågt bandgap som är ofta mindre än 2eV. Eftersom bandgapet är relativt litet kan elektronerna exciteras termiskt upp till ledningsbandet och därmed öka halvledarnas konduktivitet i rumstemperatur.
Elektroner i ledningsbandet har ofta rörelsefrihet i materialet som leder elektriciteten. Dessutom lämnar elektroner somexciteras till ledningsbandet tomma platser efter sig i valensbandet vilket motsvarar en saknad elektron i någon av de kovalenta bindningarna. Under inverkan av elektriskt fält kommer en närliggande valenselektron att hoppa över till den lediga positionen vilket ger nettoeffekten att platserna rör sig. Därav kan den saknade elektronen betraktas som ett "hål" med samma möjligheter att röra sig genom materialet som elektronerna har. Hål betraktas som en elektriskt laddad partikel med samma laddning som elektronen (1,6×10−19C), men med motsatt tecken. Under inverkan av elektriskt fält rör sig elektroner och hål i olika riktningar. Elektroner är mer mobila än hål och därav mer effektiva somledningselektroner. Eftersom både elektroner och hål är kapabla att leda elektricitet brukar de benämnasbärare.
Koncentrationen av bärare är starkt beroende avtemperaturen. En ökning av temperaturen leder till en ökning av antalet bärare, och motsvarar en ökning av ledningsförmågan. Detta står i stark kontrast till ledare, som ofta tenderar att få sämre ledningsförmåga vid högre temperaturer. Ovanstående princip används itermistorer för att mäta temperaturen. Dopningen innebär att antalet fria hål och elektroner ökar.
Sekonduktivitet för mer information om elektrisk ledningsförmåga i material.
