A félvezetők

A félvezetők olyan anyagok, amelyek fajlagos ellenállása a fémekénél nagyobb, de a szigetelőkénél kisebb. Legfontosabb tulajdonságuk: a fajlagos ellenállásuk a hőmérséklettel gyorsan csökken. Alacsony hőmérsékleten szigetelőként viselkednek, magas hőmérsékleten inkább vezetők.

A félvezető lapkák előállításának első lépése, hogy a kvarchomokból szilícium polikristályt állítanak elő. Ehhez először a kvarcot ívkemencében, 1900 Celsius-fokon megolvasztják. Az olvadékból kivonják a szilíciumot, majd a keletkező anyagot oxigén-kloriddal oxidálják. Újabb tisztítás után réztartalmú katalizátor jelenlétében hidrogén-kloriddal reagáltatják. Triklór-szilán keletkezik, amelyet desztillációval tisztítanak tovább, és a végső lépésben (1100 Celsius-fokon) hidrogén segítségével olyan tisztaságú szilícium keletkezik (redukálódik), amelyben kevesebb mint 1 ppm a szennyeződés.

Ezután következhet az egykristály tömb előállítása („húzása”).

A szilícium polikristályhoz különböző anyagokat adalékolnak (arzén, bór, foszfor antimon), majd tisztítás és hőkezelés következik. Az anyagot a kemencében felmelegítik és közben forgatják, majd a „húzást” egykristály segítségével végzik el. A kívánt tömbátmérőt az olvadék hőmérsékletével és a húzás sebességével állítják be. A húzás után a tömb felülete egyenetlen, ezért simára csiszolják. Az elkészített tömböket szénblokkoló epoxigyantával vonják be.

Ezt követően a tömb kúpos végeit levágják (a levágott végeket újrahasznosítják), majd a tömböt kisebb darabokra vágják és felszeletelik. A szeleteket csiszolják, majd széleit lekerekítik, és minden szeletet lézerrel jelölnek meg.

A fotolitográfia egy olyan gyártási eljárás, melyet például mikrochipek és egyéb félvezető eszközök gyártására alkalmaznak. A folyamat főbb lépései a következők:

Első lépés a hordozó (félvezető lap) tisztítása (általában kémiai módszerekkel).

Ezután a lapka felületén (a szilícumréteg fölött) fényérzékeny fotoreziszt-bevonatot alakítanak ki. A folyamat során 0,5–2,5 mikrométer vastagságú réteg képződik.

A maszkolás művelete során a lapka fölé elhelyezik az előre elkészített fotomaszkot, amelyet a kívánt mintázat szerint alakítottak ki. Ez általában egy olyan vékony szűrő, amely bizonyos helyeken átengedi a fénynyalábot, máshol pedig nem.

Ezt követi az expozíció, mely során a maszkon át szelektíven megvilágítják a lapkát. A fotoreziszt a fényre érzékeny, így ahol fény érte, ott a kémiai jellemzői megváltoznak.

A megváltozott kémiai jellemzőket a marás során használják fel. A rezisztet pozitívnak vagy negatívnak nevezik aszerint, hogy a marás során alkalmazott (kémiai vagy fizikai) kezeléstől az exponált területek oldódnak-e le, vagy épp azok maradnak meg a lapka felületén.

A „tiszta” félvezető anyagok, pl. a germánium (Ge) vagy a szilícium (Si) esetében a rácsszerkezetben nincsenek szabad elektronok vagy hiányos kötések. Ezek az anyagok alacsony hőmérsékleten szigetelőként viselkednek, hiszen hiányzik a vezetést biztosító töltéshordozó. Magasabb hőmérsékleten azonban a hőmozgás miatt a kötésekből ki tud szabadulni néhány elektron, és külső elektromos tér esetén mozogni kezdenek az elektromos térrel ellenkező irányba. A „kiugrott” elektronok helyén egy „lyuk” keletkezik. Az ilyen ún. i-típusú félvezetők (intrinsic vagy sajátfélvezetők) esetében tehát az elektromos vezetést az elektronok és a pozitív töltésként viselkedő „lyukak” együtt biztosítják.

Szennyezéses félvezetők esetében az alap kristályrácsban szennyező atomokat helyeznek el (adalékolnak). Erre példa az indiummal (In) vagy arzénnal (As) szennyezett germánium, valamint a foszforral (P) vagy bórral (B) szennyezett szilícium.

Abban az esetben, ha a szennyező atom vegyértékelektronjainak száma kevesebb, mint az alapkristály atomjaié, akkor p-típusú szennyezésről beszélünk. Ekkor az elektromos vezetést döntő részben a pozitív töltésként viselkedő „lyukak” biztosítják. A három vegyértékelektronnal rendelkező bórral szennyezett (négy vegyértékű) szilícium ilyen p-típusú félvezető. Másik gyakori példa erre az indiummal szennyezett germánium.

Abban az esetben, ha a szennyező atom vegyértékelektronjainak száma nagyobb, mint az alapkristály atomjaié, akkor n-típusú szennyezésről beszélünk. Ekkor az elektromos vezetést döntő részben a kötésben részt nem vevő (negatív töltésű) elektronok biztosítják. Amennyiben a (négy vegyértékű) szilíciumkristályba az öt vegyértékelektronnal rendelkező foszfor épül be, akkor ilyen n-típusú félvezető jön létre. Az arzénnal szennyezett germánium is n-típusú félvezető.

A diódának (mint elektromos áramköri elemnek) a legfontosabb tulajdonsága az, hogy az egyik („nyitó”) irányban ugyanazon feszültség hatására lényegesen nagyobb áram folyik, mint ellentétes polaritású („záró”) feszültség esetén.

A dióda két különböző adalékolású (p, n) félvezető rétegből áll, amelyet a gyakorlatban egyetlen kristályból alakítanak ki (szennyezéses szilícium, germánium vagy gallium-arzenid az alapanyaga).

Amennyiben egy p-típusú és egy n-típusú félvezető kristályt összeillesztünk, az érintkezési felület mellett, egy nagyon keskeny sávban töltésátrendeződés történik. Az n-típusú kristályban, a donor atomokkal (pl. foszfor) bekerült, a kötés kialakításában részt nem vevő ötödik vegyértékelektronok a (szilícium) kristály atomtörzsei között szabadon mozognak, amíg a p-típusú kristályban az akceptor (pl. bór) atomok melletti kötésben lyuk (elektronhiány) van. Az „összeillesztést” követően a p-típusú kristályban található akceptor lyukak vonzásának hatására a kóborló elektronok átvándorolnak (átdiffundálnak) a p-rétegnek egy igen keskeny sávjába, ahol az elektronok rekombinálódnak a lyukakkal. Az elektronoknak az n-rétegből a p-rétegbe történt diffúziója következtében a töltésegyensúly felborul ebben a keskeny rétegben. Az n-típusú félvezető határ menti rétegében elektronhiány lesz, valamint a p-típusú rétegben többlet elektronok jelennek meg. Az így kialakult szabad töltéshordozókban szegény réteget zárórétegnek (vagy határrétegnek) nevezzük.

Amennyiben a p adalékolású rétegre pozitív (és az n-adalékolású rétegre negatív) feszültséget kapcsolunk, akkor az elektromos tér az n-típusú rétegben az elektronokat, a p-típusú rétegben pedig a „lyukakat” a pn-átmenet felé hajtja, a dióda „nyit”, azaz lehetővé teszi az áram „áthaladását”.

Ellenkező polaritással történő bekötés esetén (tehát amikor a p-típusú rétegre kerül a negatívabb feszültség) az elektromos tér a p-típusú rétegben a lyukakat, az n-típusú rétegben pedig az elektronokat távolítja el a pn-átmenet közeléből. Az átmenet közelében a záróréteg kiszélesedik, a dióda „zár”, tehát a rajta átfolyó áram erőssége radikálisan csökken.

A tranzisztorokban három különböző adalékolású félvezető réteg található. Az alapján, hogy ezek a rétegek hogyan követik egymást, beszélhetünk PNP, valamint NPN tranzisztorokról.

Amennyiben egy NPN tranzisztorra feszültséget kapcsolunk az emitter (E, -) és a kollektor (C, +) közé (tehát az egyik n-adalékolású rétegre (E) a negatív, a másik n-adalékolású rétegre (C) a pozitív pólust kötjük), akkor az a „dióda”, amelyiknek az n-rétegére a pozitív(abb) feszültség jut, zárni fog, tehát a tranzisztoron nem fog áram folyni.

Amennyiben csatlakoztatunk egy másik feszültségforrást az emitter (E,-) és a bázis (B, +) közé (közös emitteres kapcsolás), és ez elegendően nagy ahhoz, hogy a belső potenciálgátat legyőzze, akkor az E-B dióda „nyit”. Ekkor nagy számú elektron sodródhat („sodródási áram”) az emitter rétegből a (pozitív adalékolású) bázis rétegbe és sok elektron a bázison keresztül a második feszültségforrás pozitív pólusa felé áramlik. Az elektronok nagy része azonban a p-rétegen keresztül az első feszültségforrás pozitív elektródájának vonzása hatására átdiffundál („diffúziós áram”) a kollektor n-rétegbe. (Ezért kell a bázisnak nagyon vékonynak lennie.)

A második feszültségforrás hatására így egy viszonylag kicsi bázisáram keletkezik, amely „vezérli” a nála sokkal erősebb kollektoráramot.

A tranzisztorok az integrált áramkörök és a legmodernebb elektronikák alapvető építőkövei. Legfontosabb alkalmazási területük a mikroprocesszor-gyártásban van, ahol egyetlen chip több milliárd tranzisztort tartalmaz.