Dziury, jakich nie znacie

Ostatnio opowiadaliśmy sobie o tym, co odróżnia od siebie przewodniki od półprzewodników i izolatorów. Kluczowym aspektem jest tutaj kwestia, jak wiele energii potrzebujemy dostarczyć aby elektron „wskoczył” na pasmo przewodnictwa, czyli innymi słowy taką odległość od jądra atomu, by mógł się swobodnie przemieszczać przenosząc ładunek elektryczny.

W przypadku przewodników elektrony będąc w stanie podstawowym już są zasadniczo na poziomie przewodnictwa. W izolatorach tzw. przerwa (pasmo wzbronione) jest na tyle duża, że ilość energii potrzebna do jej osiągnięcia przez elektron znacznie przekracza wytrzymałość materiału, który prędzej ulegnie zniszczeniu niż stanie się materiałem przewodzącym.

Półprzewodniki to, jak się domyślacie, materiały pośrednie między przewodnikami a izolatorami. W stanie podstawowym nie przewodzą prądu elektrycznego, ale odpowiednio „zmotywowane” będą to czynić. Przyjrzyjmy się więc tym sposobom „motywacji”, które niezależnie od dzielących je różnic mają jeden cel – dostarczyć energii elektronom walencyjnym atomów tworzących dany materiał, aby te weszły na poziom przewodnictwa.

Ale nim przejdziemy do opisu tych metod „motywacji” elektronów musimy krótko wspomnieć o czymś, co jest ważne w opisie zachowania przewodników a właściwie… fizycznie nie istnieje. Tym czymś jest DZIURA.

Przyznajcie, że to dość prozaiczne pojęcie jak na wysublimowaną teorię przewodnictwa. Jakkolwiek język polski nie jest tu wyjątkiem. W języku angielskim jest to hole, a po niemiecku Loch, a oba te słowa oznaczają właśnie „dziurę”. Zarówno w tych językach, jak i w języku polskim dodaje się zwykle określenie „elektronowa” dla sprecyzowania terminu, ale używając słowa „dziura” w naukowym kontekście cały czas mam poczucie pewnego dysonansu;)

No dobrze, skończmy te językowe dywagacje. Czym więc ta dziura jest, skoro, jak napisałem wcześniej, właściwie jej nie ma? Otóż dziura elektronowa to brak elektronu w jego podstawowym paśmie walencyjnym na orbicie wokół jadra atomowego. Dziura to więc puste miejsce po elektronie walencyjnym, ale to „puste miejsce” nie oznacza jakiejś próżni w materii (jak dziura w serze), ponieważ nie licząc cząstek elementarnych cała materia jest pusta. Dziura to po prostu termin stwierdzający brak elektronu. To coś tak jak byśmy rodzinnie siedzieli przy stole i w pewnym momencie Jasiu wstał od stołu (do tego zabierając krzesło) a my ten jego brak obecności nazwalibyśmy „dziurą”.

Zauważmy, że atom z taką dziurą jest jonem, a dokładnie kationem, ponieważ posiada nadmiar protonów (o ładunku dodatnim) w stosunku do liczby elektronów. Gdybyśmy mieli do czynienia z cieczami lub gazami to taki jon mógłby się przemieszczać, ale w przypadku ciał stałych jest on cały czas związany w strukturze krystalicznej. Nie może się więc on przemieszczać, ale z kolei przemieszczać się może… dziura!

Trochę to brzmi absurdalnie, ale nie chodzi o przemieszczanie się tej konkretnej „pustki”. Wyobraźmy sobie tworzące sieć krystaliczną atomy jeden za drugim. Jeśli jeden z nich będzie miał dziurę (bo np. akurat jego elektron został „wybity” z orbity walencyjnej), to elektron walencyjny z sąsiedniego atomu może „przeskoczyć” do tego atomu z dziurą, który staje się wówczas atomem kompletnym. Ale wtedy ten jego sąsiad ma dziurę. Proces ten może następować dość chaotycznie, to znaczy, ten elektron wskoczy raz z atomu położonego w sieci krystalicznej powyżej tego atomu z dziurą, raz z atomu poniżej, albo z lewej albo z prawej. Ale gdy przyłożymy pole elektryczne to ruch ten będzie uporządkowany, bo elektrony będą „przeskakiwać” zgodnie z tym polem (czyli w stronę „bieguna dodatniego”. To oznacza, że dziura będzie się „przemieszczać” w przeciwnym kierunku. Mamy wtedy do czynienia z tzw. przewodnictwem dziurowym, które nie wymaga wchodzenia elektronów na pasmo przewodnictwa.

Po tej nieco przydługiej dygresji wróćmy do opisu różnych rodzajów półprzewodników. Zacznijmy od materiałów nazywanych półprzewodnikami samoistnymi. To substancje krystaliczne (a więc o bardzo regularnej wewnętrznej strukturze), które posiadają pewną liczbę par dziura-elektron w paśmie przewodnictwa, im więcej tym większą przewodność ma materiał. Półprzewodniki samoistne mają jednak mało ładunków swobodnych (co skutkuje małą przewodnością elektryczną), dlatego też stosuje się ich domieszkowanie.

Domieszkowanie polega na wprowadzeniu w strukturę krystaliczną atomów pierwiastków, które nie wchodzą w skład półprzewodnika samoistnego. Można powiedzieć, że co któryś atom struktury krystalicznej zostaje podmieniony na inny, przy czym dobiera się takie pierwiastki jako domieszki, aby miały większą lub mniejszą liczbę elektronów walencyjnych niż atomy struktury przewodnika samoistnego. To powoduje wystąpienie nadmiaru lub niedoboru elektronów w krysztale. Na przykład do arsenku galu (i Ga i As mają po 3 i 5 elektronów walencyjnych) wprowadza się atomy krzemu (o 4 elektronach walencyjnych).

Jeśli domieszką będzie pierwiastek o liczbie elektronów większej niż w atomach materiału półprzewodnika (np. fosfor albo german w krzemie) to mamy wtedy półprzewodnik z nadmiarem elektronów, czyli nośników ładunku ujemnego (ang. negative). Nazywamy wtedy tzw. półprzewodnik typu n. W odwrotnej sytuacji, kiedy domieszkujemy pierwiastkiem o mniejszej liczbie elektronów (np. bor w krzemie), mamy nadmiar ładunków dodatnich (ang. positive). Mamy wtedy półprzewodnik typu p.

Półprzewodnikami są przede wszystkim wszystkie półmetale z 14 grupy układu okresowego z krzemem na czele, albo połączenia półmetali z 13 i 15 grupy np. wspomniany arsenek galu. Domieszkami mogą być zarówno atomy innych półmetali, ale także niektóre metale, np. złoto lub platyna. Rodzaj domieszki, jak się słusznie domyślacie, rzutuje na właściwości półprzewodnika, np. jego oporność i profil jej zmian w zależności od przyłożonego napięcia czy płynącego przez półprzewodnik natężenia prądu elektrycznego.

Nie tylko domieszkowanie sprzyja wzrostowi przewodności półprzewodników. Podobnie działać może promieniowanie elektromagnetyczne, np. światło widzialne, którego fotony wzbudzają elektrony umożliwiając im wejście w pasmo przewodnictwa. To skądinąd jest jednym ze zjawisk wykorzystywanych w bateriach słonecznych (ogniwach fotowoltaicznych).

Jeszcze jedna ciekawa cecha półprzewodników to fakt, że wraz ze wzrostem ich temperatury ich przewodność elektryczna rośnie w przeciwieństwie do zwykłych przewodników, których oporność elektryczna drastycznie spada, gdy je podgrzewamy. Dzieje się tak, ponieważ drgania sieci krystalicznej i oscylacje cząstek wewnątrz materiału (powodowane większą energią cieplną) utrudniają swobodny przepływ elektronów w przewodniku.

W półprzewodniku natomiast ta dodatkowa energia cieplna, która przekłada się na większe drgania cząstek wewnątrz materiału, zwiększa szansę „wskoczenia” statystycznego elektronu na pasmo przewodnictwa. A im wyższa temperatura tym drgania silniejsze a więc i prawdopodobieństwo stania się elektronem przewodzącym większe.

Ostatnia ważna uwaga – półprzewodniki mają strukturę krystaliczną, która musi być jak najbardziej idealna, bez najmniejszych defektów, bo każde zaburzenie sieci krystalicznej stanowi barierę dla ładunku elektrycznego. Dlatego tak wielkim osiągnięciem było opracowanie metody przemysłowego wytwarzania monokryształów, którą zawdzięczamy genialnemu wynalazcy – Janowi Czochralskiemu (któremu naprawdę należałby się niejeden pomnik, a już na pewno w Dolinie Krzemowej w Kaliforni).

O zastosowaniach półprzewodników napisano już wiele, szczególnie w ostatnich czasach, kiedy ich braki na rynkach wywindowały ceny sprzętu komuterowego, samochodów itp. Półprzewodniki to podstawa konstrukcji układów elektronicznych, w tym procesorów i diod. A jednych i drugich mamy wokół siebie całkiem sporo, prawda…?

Wojciech Smułek