Jaké jsou různé typy polovodičového materiálu?
Polovodiče jsou nezbytnými součástmi moderních elektronických zařízení a jsou tak jedním ze základních stavebních kamenů moderní technologie. Aby látka byla vhodná jako polovodičový materiál, musí mít elektrickou vodivost, která leží mezi vodivostí izolátorů, které vedou velmi málo elektřiny, a vodiči, které umožňují velmi snadný tok elektřiny. Většina polovodičových materiálů jsou krystalické anorganické pevné látky, ačkoli polovodiče vyrobené z amorfních pevných látek a kapalin také existují. Běžné polovodičové materiály zahrnují křemík, arsenid gallia a nitrid gallia, ačkoli existují i jiné. Kromě těchto primárních materiálů polovodiče často také obsahují malá množství jiných látek, známých jako dopující látky.
Vodivost polovodičového materiálu může být zvýšena vystavením elektrické energii, magnetickým polím nebo jiným stimulům, které zvyšují energetické hladiny elektronových materiálů, což způsobuje, že některé z nich se pohybují z nízkoenergetického valenčního pásma do vyšší energie, méně přeplněné dirigentské pásmo. To umožňuje, aby se energizované elektrony pohybovaly materiálem volněji a přitom vytvářely kladně nabité mezery ve valenčním pásmu zvaném díry elektronů. To umožňuje, aby elektřina protékala polovodičem. Tím, že manipuluje s vodivostí polovodiče, to může být používáno jako spínač. Polovodiče se také používají pro výrobu solární energie a senzorů detekujících světlo, protože při vhodném napájení přicházejícími fotony světla mohou produkovat tok elektrického proudu.
Nejběžněji používaným polovodičovým materiálem je křemík, 14. prvek periodické tabulky a jeden z nejčastějších prvků zemské kůry. Většina křemíkových polovodičů má pravidelnou krystalickou strukturu, ve které jsou uspořádány jejich atomy, ale lze použít i nekrystalický nebo amorfní křemík. Amorfní křemíkové polovodiče mají nižší výkon ve srovnání s krystalickým křemíkem, ale amorfní křemík může být uložen v mnohem tenčích vrstvách, což může snížit náklady na materiál.
Dalším nejběžnějším polovodičovým materiálem je složený arzenid gallia (GaAs). Gallium arsenid je lepší než křemík v mnoha ohledech, jako je rychlejší přepínání a větší odolnost vůči teplu. Zpracování je však také nákladnější a obtížnější, a proto se obvykle používá pouze pro aplikace, v nichž je křemík nedostatečný. Také trpí vyšší spotřebou energie. Gallium arsenid se běžně používá pro účely, jako je vysokorychlostní elektronika a vysoce účinné fotovoltaické články.
Další sloučeninou gallia používanou pro polovodiče je nitrid gallia (GaN), který může fungovat při velmi vysokých teplotách a napětích, a proto se často používá pro aplikace zahrnující mikrovlny. Nitrid gallia se také používá ve světelných diodách (LED) a vysokofrekvenčních laserových diodách, jakož i v některých vojenských radarech. Může se také kombinovat s jiným polovodičovým materiálem, nitridem india (InN), za vzniku směsi zvané nitrid india a gallia. Indium gallium nitrid je běžně používán v LED a může být také velmi účinným materiálem pro solární články.
Polovodiče často obsahují malá množství příměsí, aby změnily své vodivé vlastnosti podle své funkce. Mezi běžné dopanty v křemíku patří prvky bór, fosfor a arsen. Arsenid gallia a nitrid gallia dotovaný kovy, jako je mangan, mají polovodivé i feromagnetické vlastnosti.