Hva er de forskjellige typene halvledermateriale?

Halvledere er viktige komponenter i moderne elektroniske enheter, og det er en av de grunnleggende byggesteinene i moderne teknologi. For å være egnet som halvledermateriale, trenger et stoff å ha elektrisk ledningsevne som ligger mellom isolatorene, som leder veldig lite strøm, og ledere, som gjør at strømmen kan strømme veldig lett. De fleste halvledermaterialer er krystallinske uorganiske faste stoffer, selv om det også eksisterer halvledere laget av amorfe faste stoffer og væsker. Vanlige halvledermaterialer inkluderer silisium, galliumarsenid og galliumnitrid, selv om andre også eksisterer. I tillegg til disse primære materialene inneholder halvledere ofte også små mengder andre stoffer, kjent som dopingmidler.

Et ledende materialers ledningsevne kan økes ved å utsette det for elektrisk energi, magnetiske felt eller andre stimuli som øker energinivået til materialets elektroner, noe som får noen av dem til å bevege seg fra lavenergi-valensbåndet til den høyere energien, mindre overfylt ledningsbånd. Dette gjør at de energiserte elektronene kan bevege seg fritt gjennom materialet mens de skaper positivt ladede gap i valensbåndet kalt elektronhull. Dette tillater strøm å strømme gjennom halvlederen. Ved å manipulere en halvleders ledningsevne, kan den brukes som en bryter. Halvledere brukes også til solenergi og lysdetekterende sensorer, fordi de kan produsere en strøm av elektrisk strøm når de er passende strømforsynt av innkommende fotoner av lys.

Det mest brukte halvledermaterialet er silisium, det 14. elementet på det periodiske systemet og et av de vanligste elementene i jordskorpen. De fleste silisium halvledere har en vanlig krystallinsk struktur der atomene er anordnet, men ikke-krystallinsk eller amorf silisium kan også brukes. Amorfe silisium halvledere har dårligere ytelse sammenlignet med krystallinsk silisium, men amorf silisium kan avsettes i mye tynnere lag, noe som kan redusere materialkostnadene.

Det neste vanligste halvledermaterialet er det sammensatte galliumarsenid (GaAs). Galliumarsenid er overlegen silisium på mange måter, for eksempel raskere veksling og større motstand mot varme. Det er imidlertid også dyrere og vanskeligere å behandle, og brukes vanligvis bare til applikasjoner der silisium er utilstrekkelig. Det lider også av høyere strømforbruk. Galliumarsenid brukes ofte til formål som høyhastighetselektronikk og høyeffektiv fotovoltaiske celler.

En annen galliumforbindelse som brukes til halvledere er galliumnitrid (GaN), som kan fungere ved veldig høye temperaturer og spenninger, og blir ofte brukt til applikasjoner som involverer mikrobølger. Galliumnitrid brukes også i lysemitterende dioder (LED) og høyfrekvente laserdioder, samt noen militære radarer. Det kan også kombineres med et annet halvledermateriale, indiumnitrid (InN), for å produsere en blanding som kalles indium galliumnitrid. Indium gallium nitride brukes ofte i lysdioder og kan også være et ekstremt effektivt materiale for solceller.

Halvledere inneholder ofte små mengder dopingmidler for å endre deres ledende egenskaper i henhold til deres funksjon. Vanlige dopingmidler i silisium inkluderer elementene bor, fosfor og arsen. Galliumarsenid og galliumnitrid dopet med metaller som mangan har både halvledende og ferromagnetiske egenskaper.