Hvad er de forskellige typer halvledermateriale?
Halvledere er essentielle komponenter i moderne elektroniske enheder, og det er også en af de grundlæggende byggesten i moderne teknologi. For at være egnet som halvledermateriale skal et stof have elektrisk ledningsevne, der ligger mellem isolatorernes, som leder meget lidt elektricitet, og ledere, der tillader elektricitet at strømme meget let. De fleste halvledermaterialer er krystallinske uorganiske faste stoffer, skønt halvledere fremstillet af amorfe faste stoffer og væsker også findes. Almindelige halvledermaterialer inkluderer silicium, galliumarsenid og galliumnitrid, skønt andre også findes. Ud over disse primære materialer indeholder halvledere ofte også små mængder af andre stoffer, kendt som dopingmidler.
Et halvledende materiales ledningsevne kan øges ved at udsætte det for elektrisk energi, magnetiske felter eller andre stimuli, der øger energiniveauet i materialets elektroner, hvilket får nogle af dem til at bevæge sig fra lavenergi-valensbåndet til den højere energi, mindre overfyldt ledningsbånd. Dette gør det muligt for de aktiverede elektroner at bevæge sig mere frit gennem materialet, mens de skaber positivt ladede huller i valensbåndet kaldet elektronhuller. Dette tillader elektricitet at strømme gennem halvlederen. Ved at manipulere en halvleders konduktivitet kan den bruges som en switch. Halvledere bruges også til solenergiproduktion og lysdetekterende sensorer, fordi de kan frembringe en strøm af elektrisk strøm, når de er passende aktiveret af indkommende fotoner af lys.
Det mest almindeligt anvendte halvledermateriale er silicium, det 14. element på det periodiske system og et af de mest almindelige elementer i jordskorpen. De fleste siliciumhalvledere har en regelmæssig krystallinsk struktur, hvor deres atomer er arrangeret, men ikke-krystallinsk eller amorf silicium kan også anvendes. Amorfe siliciumhalvledere har dårligere ydeevne sammenlignet med krystallinsk silicium, men amorf silicium kan deponeres i meget tyndere lag, hvilket kan sænke materialepriserne.
Det næste mest almindelige halvledermateriale er forbindelsen galliumarsenid (GaA'er). Galliumarsenid er overlegen end silicium i en række henseender, såsom hurtigere skift og større modstand mod varme. Det er imidlertid også dyrere og vanskeligere at behandle, og det bruges normalt kun til applikationer, hvor silicium er utilstrækkelig. Det lider også af højere strømforbrug. Galliumarsenid bruges ofte til formål såsom højhastighedselektronik og fotovoltaiske celler med høj effektivitet.
En anden galliumforbindelse, der anvendes til halvledere, er galliumnitrid (GaN), som kan fungere ved meget høje temperaturer og spændinger, og det bruges ofte til applikationer, der involverer mikrobølger. Galliumnitrid bruges også i lysemitterende dioder (LED'er) og højfrekvente laserdioder samt nogle militære radarer. Det kan også kombineres med et andet halvledermateriale, indiumnitrid (InN), for at fremstille en blanding kaldet indium galliumnitrid. Indium galliumnitrid bruges ofte i LED'er og kan også være et ekstremt effektivt materiale til solceller.
Halvledere indeholder ofte små mængder dopingmidler for at ændre deres ledende egenskaber i henhold til deres funktion. Almindelige dopingmidler i silicium inkluderer elementerne bor, fosfor og arsen. Galliumarsenid og galliumnitrid doteret med metaller såsom mangan har både halvledende og ferromagnetiske egenskaber.