Pusvadītājs ir materiāls, kas dažos gadījumos vada elektrību, bet citos — ne. Labi elektrības vadītāji, piemēram, varš vai sudrabs, viegli ļauj elektrībai caur tiem plūst. Materiālus, kas bloķē elektrības plūsmu, piemēram, gumiju vai plastmasu, sauc par izolatoriem. Izolatorus bieži izmanto, lai pasargātu cilvēkus no elektrošoka. Kā norāda nosaukums, pusvadītājs neveic tik labu vadītspēju kā vadītājs. Visbiežāk izmantotais pusvadītājs ir silīcijs, taču izmanto arī gallija arsenīdu.

Kas ir pusvadītāja īpašības un kā tas darbojas

Pusvadītāju īpašības nosaka to elektroniskā struktūra — elektroni var atrasties tikai noteiktās enerģijas joslās. Starp pamatstāvokļa (valences) joslu un brīvās (kondensācijas) joslas ir enerģijas atstarpe jeb enerģijas josla (band gap). Šī atstarpe nosaka, cik viegli elektroni var tikt pārvietoti, lai radītu elektrisko vadību.

Bez piesātinājuma pusvadītājs (t.s. intrinsic) satur salīdzinoši maz brīvo lādiņu nesēju — brīvo elektronu un tā pārvietojumu vietu jeb caurumu. Ja pusvadītāju uzsilda vai iedod papildus enerģiju (gaismu, elektrisko lauku), daži elektroni pārvietojas no valences joslas uz kondensācijas joslu, radot elektrisko vadību. Atšķirībā no metāliem, pusvadītāju vadītspēja parasti palielinās, kad temperatūra pieaug.

Dopings — n- un p-tipa pusvadītāji

Pievienojot kristālrežģī noteiktus atomus (dopējot), var izmainīt vadītspēju. Šo procesu sauc par dopingu:

  • n-tips: pievienojot donoratomus (piem., fosforu silīcija kristālā), tiek ievadīti papildu brīvie elektroni, kas palielina negatīvo lādiņu nesēju skaitu.
  • p-tips: pievienojot akceptoratomus (piem., boru), veidojas vairāk «caurumu» jeb pozitīvi lādiņu nesēji, jo elektroni no valences joslas tiek izņemti.

Saskarē n- un p-šķirņu veidojas PN pāreja, kurā attīstās iztukšošanās zona (depletion region) — tā ir pamats diodēm, fotoelementiem un daudzām citām ierīcēm. PN pārejas darbības princips ļauj strāvas plūsmu vadīt vienā virzienā (diodes gadījumā) vai kontrolēt to (tranzistoros).

Galvenie pusvadītāju veidi un materiāli

  • Silīcijs (silīcijs) — visplašāk izmantotais pusvadītājs mikroelektronikā pateicoties laba oksīda (SiO2) īpašībām un ražošanas industrijas izveidotai tehnoloģijai.
  • Gallija arsenīds (gallija arsenīdu) — ātrdarbīgs, plaši lietots optoelektronikā, radiofrekvences iekārtās un gaismas diodēs.
  • Vēl: ģermānijs, ksilīdi, nitrīdi un dažādi divkomponentu vai daudzkomponentu savienojumi, kā arī organiskie un perovskītu pusvadītāji īpašiem pielietojumiem.

Īpašības, kuras rūpējas dizaineri un inženieri

  • Joslu platums (band gap): nosaka materiāla jutību pret gaismu un temperatūru, kā arī darba spriegumu ierīcēs.
  • Vadītspēja un mobilitāte: kā viegli lādiņu nesēji pārvietojas materiālā.
  • Dopinga koncentrācija: ietekmē vadītspēju un ierīces elektriskās īpašības.
  • Rekombinācija un dzīves ilgums: cik ātri elektroni un caurumi mijiedarbojas un iznīcinās viens otru, kas svarīgi optoelektronikai un saules elementiem.

Ražošanas pamati

Pusvadītāju ierīces parasti veido uz plānām vafelēm (wafers) no vienkristāla materiāla. Galvenās ražošanas fāzes ietver:

  • kristālu augšanu (Czochralski metode u.c.),
  • dopingu, izmantojot difūziju vai jonizācijas implantāciju,
  • fotolitogrāfiju un gravēšanu, kas ļauj veidot mikroskopiskas struktūras,
  • metālu un izolatoru plakņu depozīciju, testēšanu un iepakošanu.

Pielietojumi ikdienā un industrijā

Pusvadītāji ir pamatu tehnoloģija mūsdienu elektronikā. Galvenās pielietošanas jomas:

  • mikroprocesori un atmiņas — datoru, telefonu un serveru darbasu centri;
  • tranzistori un integrālās shēmas — signālu apstrāde, loģika, amplifikācija;
  • diodes un LED — gaismas avoti, indikatori un optiskie sakari;
  • fotovoltaiskie elementi — saules paneļi enerģijas ražošanai;
  • sensorika — fotodetektori, temperatūras un gāzu sensori;
  • jaudas elektronika — invertori, motoru vadība, elektrotransporta elektroniskās ierīces.

Tranzistori — mazie pastiprinātāji

No pusvadītājiem izgatavo tranzistorus, kas ir mazi pastiprinātāji un slēdži. Tranzistori var būt BJT (bipolārie) vai MOSFET (metāla-oksīda-pusvadītāja laukefekta tranzistori). Tie ļauj veidot loģiskos elementus un atceres šūnas, kas ir modernās mikroshēmas pamatā. Tranzistoru skaits vienā čipā šodien mērogā miljardiem — tas ir tas, kas padara iespējamu mūsdienu viedierīces un datorus.

Praktiski novērojumi un interesanti fakti

  • Pusvadītāju vadītspēja ar temperatūras pieaugumu parasti palielinās (pretēji metāliem), jo vairāk elektronu iegūst enerģiju, lai pārietu kondensācijas joslā.
  • Optoelektroniskās īpašības padara dažus pusvadītājus par ideāliem gaismas avotu vai fotodetektoram (piem., LED, fotodiodes).
  • Jaunās tehnoloģijas — nanodaļiņas, graphene, kvantu punkti un perovskīti — paplašina pusvadītāju izmantošanas iespējas nākotnē.

Kopumā pusvadītāji ir tilts starp vadītājiem un izolatoriem: to īpašības var precīzi regulēt ar materiālu izvēli un dopingu, padarot tos par neaizstājamu tehnoloģiju platformu mūsdienu elektronikai, enerģētikai un komunikācijām.