Hva er en halvleder og hva gjør den?

Jiahui Huang/Flickr/CC BY-SA 2.0

En halvleder er et materiale som har visse unike egenskaper i måten det reagerer på elektrisk strøm. Det er et materiale som har mye lavere motstand mot strømmen av elektrisk strøm i en retning enn i en annen. Den elektriske ledningsevnen til en halvleder er mellom den til en god leder (som kobber) og den til en isolator (som gummi). Derav navnet halvleder. En halvleder er også et materiale hvis elektriske ledningsevne kan endres (kalt doping) gjennom variasjoner i temperatur, påførte felt eller tilsetning av urenheter.

Mens en halvleder ikke er en oppfinnelse og ingen oppfant halvlederen, er det mange oppfinnelser som er halvlederenheter. Oppdagelsen av halvledermaterialer muliggjorde enorme og viktige fremskritt innen elektronikk. Vi trengte halvledere for miniatyrisering av datamaskiner og datadeler. Vi trengte halvledere for produksjon av elektroniske deler som dioder, transistorer og mange solcelleceller .

Halvledermaterialer inkluderer grunnstoffene silisium og germanium, og forbindelsene galliumarsenid, blysulfid eller indiumfosfid. Det er mange andre halvledere. Selv visse plaster kan være halvledende, noe som gir mulighet for lysemitterende plastdioder (LED) som er fleksible og kan støpes til hvilken som helst ønsket form.

Hva er elektrondoping?

Ifølge Dr. Ken Mellendorf kl Newtons Spør en vitenskapsmann :

'Doping' er en prosedyre som gjør halvledere som silisium og germanium klare til bruk i dioder og transistorer. Halvledere i deres udopede form er faktisk elektriske isolatorer som ikke isolerer særlig godt. De danner et krystallmønster der hvert elektron har en bestemt plass. De fleste halvledermaterialer har fire valenselektroner , fire elektroner i det ytre skallet. Ved å sette en eller to prosent av atomer med fem valenselektroner som arsen i en firevalenselektronhalvleder som silisium, skjer noe interessant. Det er ikke nok arsen atomer til å påvirke den generelle krystallstrukturen. Fire av de fem elektronene brukes i samme mønster som for silisium. Det femte atomet passer dårlig inn i strukturen. Den foretrekker fortsatt å henge i nærheten av arsen-atomet, men den holdes ikke tett. Det er veldig enkelt å slå den løs og sende den på vei gjennom materialet. En dopet halvleder ligner mye mer på en leder enn en udopet halvleder. Du kan også dope en halvleder med et tre-elektronatom som aluminium. Aluminiumet passer inn i krystallstrukturen, men nå mangler strukturen et elektron. Dette kalles et hull. Å få et naboelektron til å bevege seg inn i hullet er på en måte som å få hullet til å bevege seg. Å sette en elektron-dopet halvleder (n-type) med en hull-dopet halvleder (p-type) skaper en diode. Andre kombinasjoner skaper enheter som transistorer.

Halvlederes historie

Begrepet halvledende ble brukt for første gang av Alessandro Volta i 1782.

Michael Faraday var den første personen som observerte en halvledereffekt i 1833. Faraday observerte at den elektriske motstanden til sølvsulfid avtok med temperaturen. I 1874 oppdaget og dokumenterte Karl Braun den første halvlederdiodeeffekten. Braun observerte at strømmen flyter fritt i bare én retning ved kontakten mellom et metallpunkt og en galenakrystall.

I 1901 ble den aller første halvlederenheten, kalt 'kattehårhår', patentert. Enheten ble oppfunnet av Jagadis Chandra Bose. Cat whiskers var en punkt-kontakt halvleder likeretter som ble brukt til å oppdage radiobølger.

En transistor er en enhet som består av halvledermateriale. John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley oppfant alle sammen transistor i 1947 på Bell Labs.

Kilde

• Argonne National Laboratory. 'NEWTON - Spør en vitenskapsmann.' Internet Archive, 27. februar 2015.