Halvledare

Den här artikeln behöver fler eller bättre källhänvisningar för att kunna verifieras. (2022-11) Åtgärda genom att lägga till pålitliga källor (gärna som fotnoter). Uppgifter utan källhänvisning kan ifrågasättas och tas bort utan att det behöver diskuteras på diskussionssidan.

Halvledare (halvledarmaterial) är kristallina material som inte leder elektrisk ström lika bra som en ledare, men inte heller utesluter strömledning som en isolator.

Halvledare kan även avse en halvledarkomponent, vilket är en elektronisk komponent som är tillverkad genom att ett halvledarmaterial (vanligen kisel, germanium, galliumarsenid eller en organisk halvledare) dopas med andra ämnen. Vanliga halvledarkomponenter är dioder (halvledardioder) och transistorer. Halvledarkomponenter inkapslas både som enstaka diskreta komponenter och som integrerade kretsar (IC-kretsar också kallade chip), där de senare består av flera, upp till miljardtals, transistorer och andra elektroniska komponenter - tillverkade och sammankopplade på en enda halvledarskiva (även kallat ett substrat). Halvledarkomponenter har sedan 1940-talet successivt ersatt vakuumrör i de flesta elektroniska applikationer. Tidiga tillämpningsexempel av halvledarelektronik var transistorradio, dator från den andra generationen (1950-talet), miniräknare (1970-talet), LED-lampa, solcell, plattskärm och SSD-minne. Tillverkningsindustrierna kallas halvledarfabriker, och är huvudsakligen koncentrerade till Taiwan och andra östasiatiska länder, ursprungligen till Silicon Valley kring San Fransisco.

Ett rent halvledarmaterial som till exempel kisel leder ström genom termiskt exciterade elektroner. Det gör att ledningsförmågan i ett halvledarmaterial ökar dramatiskt med temperaturen, då antalet tillgängliga exciterade elektroner ökar exponentiellt med temperaturen. För vanliga ledare sjunker däremot den elektriska ledningsförmågan eftersom spridning mot kristallgittrets rörelser, fononer, ökar.

Kisel som används i halvledarkomponenter har oftast tillsatts mycket små mängder av andra ämnen i en process som kallas dopning, varvid ledningsförmågan ökar markant. Kisel finns i IUPAC grupp 14 i det periodiska systemet (även kallad kolgruppen, tidigare omnämnd grupp IV). De element som tillsätts befinner sig i angränsande grupper, alltså i grupp 13 (borgruppen, tidigare omnämnd grupp III) eller grupp 15 (kvävegruppen, tidigare omnämnd grupp V). Tillsats av en atom ur grupp 15 (oftast arsenik eller fosfor), som har en elektron mer i valensbandet än de omgivande kiselatomerna, gör att denna elektron hamnar i halvledarens ledningsband. På motsvarande vis ger tillsats av ett ämne ur grupp 13 (oftast aluminium eller bor) en elektron mindre för de omgivande atomerna. Det resulterande hålet är en så kallad kvasipartikel, och fungerar i praktiken som en positiv laddningsbärare.

Ett stycke halvledare som dopats med ett material som ger extra elektroner kallas n-dopat, och om det är dopat med atomer med färre elektroner är det p-dopat. Sammankopplingen mellan p-dopat och n-dopat material kallas en pn-övergång, och leder (med vissa undantag) ström bara i en riktning.