Poluprovodnici

UVOD

Poluprovodnički materijali su korišteni još početkom 20. vijeka za detektor signala u radio
prenosu,   ali   pošto   su   imali   lošije   karakteristike   od   vakumskih   cijevi   poluprovodnici   su
zaboravljeni   sve   do   1947.   kada   je   u   Belovim   laboratorijama   napravljen   prvi   tranzistor
načinjen   od   kristala   Germanijuma   (Ge)   i   od   tog   trenutka   poluprovodničke   komponente
postepeno preuzimaju primat od vakumskih cijevi zato što su poluprovodničke komponente
mnogo  pouzdanije,   energetski   efikasnije,   brže   i   manjih   dimenzija  od   elektronskih   cijevi.
Sljedeći važan događaj u razvoju elektronike je razvoj integrisanih kola. Prvo integrisano kolo
patentirao  je   Jack  Kilby  1959   godine.   Ono   se   praktično   sastojalo   od  dva   tranzistora  na
jednom kristalu germanijuma. Složenost integrisanih kola je u narednim godinama munjevito
rasla  da   bi  od  dva   integrisna   tranzistora  1959.  godine   danas  50   godina  poslije,   dostigli
integrisana kola sa više od milion tranzistora. Ovaj trend se i dalje nastavlja. Elektronika u
današnjem svetu je ušla u sva polja ljudske dijelatnosti od zabave, preko proizvodnje pa sve
do medicine. Poluprovodnici su nešto izmedju izolatora i provodnika. Poluprovodnici se
umjereno   suprotstavljaju   nosiocu   elektriciteta.   Najvazniji   poluprovodnicki   materijali   su:
silicijum   (Si),   germanijum   (Ge)   i   galijum   arsenid   (GaAs).   Poluprovodnici   čine   osnov
savremene   elektronike.   Poluprovodnici   su   materijali   sa   manjim   brojem   slobodnih
naelektrisanja   (elektrona   i   šupljina).   Unošenjem   malih   količina   nečistoća   u   kristal
poluprovodnika on mjenja električne osobine i postaje djelimično provodnik. Broj slobodnih
nosioca naelektrisanja može se mjenjati i dejstvom spoljašnjih faktora: temperature, svjetla,
električnog   polja.   Tada   broj   slobodnih   nealektrisanja   značajno   poraste   i   poluprovodnik
prelazi u provodnike. Veličina koja karakteriše poluprovodne materijale je energetski procep.
Energetski procjep je razlika između valentog i provodnog nivoa atoma koju sačinjavaju
poluprovodni materijal i predstavlja energiju potrebnu da elektron iz valentog nivoa pređe u
provodni nivo tj da napusti matični atom. Jedinica koja se u praksi koristi za karakterizaciju
energetskog procjepa je elektronvolt(eV). Poluprovdni materijali imaju energetski procjep od
nekoliko   eletkron   volti   do   nekoliko   desetina   elektron   volti.   Poluprovodnici   imaju   usku
zabranjenu zonu između popunjenih i nepopunjenih energetskih nivoa, tako da elektroni koji
dobiju malu dodatnu energiju mogu preskočiti zabranjenu zonu i postati pokretni. Pošto
energija   elektrona   zavisi   od   temperature,   i   provodnost   poluprovodnika   zavisi   od
temperature.

1. POLUPROVODNIČKI ELEMENTI I JEDINJENJA

U kolonama na lijevoj strani tablice periodnog sistema elemenata nalaze se metali. Atomi
metala   mogu   lako   izgubiti   jedan   ili   dva   elektrona   i   postati   pozitivni   joni.   Oni   su   dobri
provodnici električne struje, s obzirom da je kod njih veza između atoma i elektrona u
spoljašnjoj orbiti slaba, tako da se elektroni mogu relativno lako osloboditi i postati slobodni.
Elementi   u   kolonama   na   desnoj   strani   tablice   periodnog   sistema   imaju   elektrone   u
spoljašnjim opnama čvrsto vezane; oni su, prema tome, izolatori. U srednjim kolonama
tablice   nalaze   se   elementi   kod   kojih   je   provodnost   znatno   manja   nego   kod   dobrih
provodnika, a znatno veća nego kod izolatora. Oni čine klasu poluprovodnika. Tu spadaju 12
elementarnih   poluprovodnika:   bor  (B),   ugljenik   (C),   silicijum   (Si),   fosfor  (P),   sumpor  (S),
germanijum (Ge), arsen (As), selen (Se), kalaj (Sn), antimon (Sb), telur (Te) i jod (J). U tabeli 1.
prikazani su položaji pomenutih elemenata u periodnom Mendeljejevom sistemu. Danas se
od elementarnih poluprovodnika skoro isključivo koristi silicijum, dok se drugi, kao sto su
arsen, fosfor i bor upotrebljavaju za dopiranje silicijuma, čime se mjenja njegova provodnost.

Tabela 1. položaj poluprovodničkih elemenata u periodnom sistemu elemenata

Još 1950. godine zapaženo je da neka jedinjenja elemenata III i V grupe periodnog sistema
imaju poluprovodničke osobine. Posebnu pažnju privlačio je galijum-arsenid (GaAs), jer se
smatralo da će, zahvaljujući svojim osobinama, zamjeniti silicijum u komponentama na bazi
PN–spoja.   Istraživanja   poluprovodničkih   jedinjenja   su   nastavljena   i   vrlo   su   aktuelna,   s
obzirom da komponente na bazi ovih jedinjenja mogu biti efikasni izvori, ili, pak, detektori
kako   infracrvenih   radijacija,   tako   i   radijacija   u   vidljivom   spektru.   Svi   poluprovodnici,   i
elementarni   i   poluprovodnička   jedinjenja,   imaju   kristalnu   strukturu.   Elementarni
poluprovodnici imaju kristalnu rešetku dijamantskog tipa, dok je rešetka poluprovodničkih
jedinjenja   modifikovana   dijamantska   struktura,   takozvana   struktura   sfalerita,   slika   1.

električno pozitivan sa naelektrisanjem jednakim naelektrisanju elektrona po apsolutnom
iznosu. Na taj način se stvara pozitivno optererećenje čija se prava priroda tumači pomoću
kvantne fizike, ali se po mnogim svojstvima ponaša kao čestica sa pozitivnim naelektrisanjem
jednakim naelektrisanju elektrona. Njemu se može pripisati određena efektivna masa, brzina
u kretanju i energija. Ova čestica se, zbog načina postanka, naziva šupljinom.

Slika 2. a) kristalna rešetka Si u dve dimenzije, b) kristal atoma Si sa svoja četiri elektrona

Slika 3. Generacija i rekombinacija para elektron-šupljina

Atom, koji je izgubio jedan elektron, teži da upotpuni pekinutu valentnu vezu. On "izvlači"
elektron iz neke obližnje valentne veze u kojoj je elektron na relativno većem energetskom
nivou (Slika 3.) Tada posmatrani atom postaje električno neutralan, ali se šupljina pojavijuje
na mjestu sa koga je privučen elektron za neutralizaciju. Može se reći da se ne kreću samo
elektroni, nego se kreću prazna mjesta (šupljine) u suprotnom smeru od kretanja elektrona.
Slobodni   elektroni   i   šupljine   u   kristalu   poluprovodnika   predstavljaju   energetske
nesavršenosti kristala i imaju ograničeno vreme života, jer se u kretanju kroz kristal susreću i
rekombinuju uspostavljajući ponovo valentne veze.
Termičko   raskidanje   valentnih   veza   raste   sa   temperaturom,   dok   je   brzina   ponovnog
uspostavljanja   valentnih   veza   srazmjerna   koncentraciji   slobodnih   nosilaca   naelektrisanja.
Zbog toga, koncentracije slobodnih elekrona i šupljina pri svakoj temperaturi imaju onu
vrijednost pri kojoj se uspostavlja ravnoteža između brzine raskidanja i brzine ponovnog
uspostavljanja   valentnih   veza.   Koncentracije   slobodnih   elektrona   (n0)   i   šupljina   (p0)   su

međusobno jednake. Proces raskidanja valentnih veza, kao i obrnuti proces ponovnog
vezivanja slobodnih elektrona i šupljina u valentne veze, u velikoj mjeri zavisi od postojanja
nesavršenosti kristala (defekata). Prisustvo strukturnih nesavršenosti ne mjenjaju
koncentraciju sopstvenih nosilaca naelektrisanja, jer strukturne nesavršenosti u istoj mjeri
potpomažu razbijanje valentnih veza I njihovo ponovno uspostavljanje. One na protiv samo
smanjuju vrijeme života slobodnih elektrona, odnosno šupljina.

3. TEORIJA ENERGETSKIH ZONA

Za analizu pojava u poluprovodnicima koristi se teorija energetskih zona. Poznato je da se
elektroni u izolovanom atomu nalaze na različitim energetskim nivoima, koji su jednaki
cijelim umnošcima kvanta energije. U kristalu, atomi su blizu jedno drugom i pored uticaja
svakog od jezgra na svoje elektrone, do izražaja dolaze i interakcije između jezgara različitih
atoma.
Za   utvrđivanje   električnih   svojstava   poluprovodnika   od   važno   je   poznavanje   energetska
stanja   u   dva   najviša   energetska   opsega.   Kod   idealnog   kristala   poluprovodnika   najviša
energetska zona je prazna, što znači da ne sadrži elektrone, dok je prva niža energetska zona
potpuno popunjena. Ova druga energetska zona popunjena je elektronima iz spoljašnje
orbite atoma poluprovodnika, tj. valentnim elektronima. Zbog toga se ona naziva valentnom
zonom,  za  razliku  od  prve  zone  (najviše   zone),  koja   predstavlja  provodnu  zonu  između
elektrona različitih atoma, između elektrona jednog i jezgara ostalih atoma i t.d. Ako se dva
atoma   sa   jednakim   energetskim   nivoima   elektrona   približe   jedan   drugome,   doći   će   do
"cepanja"   svakog   pojedinog   energetskog   nivoa   u   dva   nova   nivoa   koji   su   jedan   prema
drugome   malo   pomjereni.   S   obzirom   da   se   u   kristalnoj   rešetki   veliki   broj   atoma   (reda
1022cm3) nalazi u međusobnoj sprezi, svaki energetski nivo se cepa u veći broj novih,
međusobno malo pomerenih nivoa, koji obrazuju energetske zone.
Provodna zona je od valentne zone razdvojena nizom energetskih nivoa koje elektroni ne
mogu da zauzimaju i koji se zbog toga naziva zabranjenom zonom (Slika 4.) Širina zabranjene
zone kod poluprovodnika relativno je mala i na sobnoj temperaturi (300°K) iznosi 0,66eV za
germanijum, 1,12eV za silicijum i 1,42eV za galijum-arsenid. Ove vrijednosti predstavljaju
najmanje iznose energije koje je potrebno dovesti elektronu u valentnoj zoni da bi mogao da
"pređe" u provodnu zonu i učestvuje u provođenju električne struje kroz poluprovodnik.