Vilka är de olika typerna av halvledarmaterial?
Halvledare är väsentliga komponenter i moderna elektroniska apparater och är också en av de grundläggande byggstenarna i modern teknik. För att vara lämpligt som halvledarmaterial måste ett ämne ha elektrisk ledningsförmåga som ligger mellan isolatorernas, som leder mycket lite elektricitet, och ledare, som gör att el kan flyta mycket lätt. De flesta halvledarmaterial är kristallina oorganiska fasta ämnen, även om halvledare tillverkade av amorfa fasta ämnen och vätskor också finns. Vanliga halvledarmaterial inkluderar kisel, galliumarsenid och galliumnitrid, även om andra också finns. Utöver dessa primära material innehåller halvledare ofta också små mängder av andra ämnen, kända som dopmedel.
Ett halvledande materials konduktivitet kan ökas genom att utsätta det för elektrisk energi, magnetfält eller andra stimuli som ökar energinivåerna i materialets elektroner, vilket gör att några av dem flyttas från lågenergi-valensbandet till den högre energin, mindre trångt ledningsband. Detta tillåter de energiserade elektronerna att röra sig genom materialet mer fritt samtidigt som de skapar positivt laddade luckor i valensbandet som kallas elektronhål. Detta tillåter el att flöda genom halvledaren. Genom att manipulera en halvledares konduktivitet kan den användas som en switch. Halvledare används också för solenergiproduktion och ljusdetekterande givare, eftersom de kan producera ett flöde av elektrisk ström när det passar kraftigt av inkommande ljusfotoner.
Det mest använda halvledarmaterialet är kisel, det 14: e elementet i det periodiska systemet och ett av de vanligaste elementen i jordskorpan. De flesta halvledare av kisel har en regelbunden kristallin struktur där deras atomer är anordnade, men icke-kristallin eller amorf kisel kan också användas. Amorfa kiselhalvledare har sämre prestanda jämfört med kristallint kisel, men amorft kisel kan deponeras i mycket tunnare skikt, vilket kan minska materialkostnaden.
Det näst vanligaste halvledarmaterialet är den sammansatta galliumarseniden (GaAs). Galliumarsenid är överlägsen kisel i ett antal avseenden, till exempel snabbare växling och större värmebeständighet. Det är emellertid också dyrare och svårare att bearbeta och används vanligtvis endast för applikationer där kisel är otillräcklig. Den lider också av högre strömförbrukning. Galliumarsenid används ofta för ändamål som höghastighetselektronik och högeffektiva fotovoltaiska celler.
En annan galliumförening som används för halvledare är galliumnitrid (GaN), som kan fungera vid mycket höga temperaturer och spänningar och så ofta används för applikationer som involverar mikrovågor. Galliumnitrid används också i ljusemitterande dioder (LED) och högfrekventa laserdioder, liksom vissa militära radar. Det kan också kombineras med ett annat halvledarmaterial, indiumnitrid (InN), för att producera en blandning som kallas indium galliumnitrid. Indium galliumnitrid används ofta i lysdioder och kan också vara ett extremt effektivt material för solceller.
Halvledare innehåller ofta små mängder dopmedel för att förändra deras ledande egenskaper beroende på deras funktion. Vanliga dopmedel i kisel inkluderar elementen bor, fosfor och arsenik. Galliumarsenid och galliumnitrid dopad med metaller som mangan har både halvledande och ferromagnetiska egenskaper.