Félvezető anyagok

A félvezetők[1] fajlagos ellenállása a vezetők[2] és a szigetelők[3] közé esik, standard állapotban ρ = 10-2…10+9 cm közötti érték, tehát nem jó szigetelők és az áramot gyengén vezetik. Alacsony hőmérsékleten a félvezető anyagok szigetelőként viselkednek.
Másik jellemző tulajdonságuk az ellenállásuk hőmérsékletfüggése. A félvezetők ellenállása a hőmérséklettel exponenciálisan csökken. Minél magasabb a hőmérsékletük, annál kisebb az ellenállásuk, azaz annál jobban vezetik az áramot. (A fémeknél fordítva van.)
A leggyakrabban használt félvezető anyag a szilícium. A szilícium mellett széles körben használt félvezető anyagok vegyülettípusúak, amelyek a periódusos rendszer III-V. főcsoportjának elemiből kerülnek ki. A vegyülettípusú félvezetők vezetési és fénytani tulajdonsága nagymértékben eltérhet a tiszta (intrinszik) félvezetőkétől.
A III.A-ból az Al (alumínium), Ga (gallium), In (indium); a IV.A-ból a C (szén), Si (szilícium), Ge (germánium), Sn (ón); az V.A-ból N (nitrogén), P (foszfor), As (arzén), Sb (antimon) mutatja a félvezetőkre jellemző tulajdonságokat.
Pl. a LED-ek anyaga jellemzően binér vegyület. A kibocsátott fény hullámhosszának csökkenése sorrendjében: GaAs, AlGaAs, GaAsP, GaP, GaN, ZnSe, InGaN, SiC, C (gyémánt). Fontos gyakorlati alkalmazásuk van a terner és kvaterner félvezetőknek is: (AlxGa1−x)As, (InxGa1−x)As, (AlxGa1−x)N, (InxGa1−x)N vagy In1−xGaxAs1−yPy , (AlxInyGa1−x−y)P, (AlxInyGa1−x−y)N, Si1−x−yGexCy , illetve a Si1−x−y−zGexCySnz.
 
Szerves félvezetőket is meg kell említenünk, mert egyre nagyobb szerepet kapnak az elektronikában.
A szerves félvezetőket egyre szélesebb körben alkalmazza a fotonika pl. LED-ek és LED-kijelzők készítéséhez. Bár a szervetlen félvezetők érzékenyebbek és kisebb méretűek, mint a szerves vegyületből készített társaik, azonban a szerves félvezető eszközöket olcsón elő lehet állítani vékonyrétegek formájában, és még vállalható minőségű, mechanikailag hajlékony optoelektronikai alkatrészeket lehet belőlük előállítani.
A szerves félvezetőknek két fő változata van. Az egyik kicsi szerves molekulákból áll, mint a pentacén, amelyik  öt darab lineárisan kapcsolódó benzolgyűrűt tartalmaz, a másik fő változat egymáshoz csatlakozó konjugált polimerláncokból áll, mint a száz vagy ezer szén atomot tartalmazó poliacetilén. A szerves félvezetőket is szennyezni kell. Gyakran használt szennyezőanyag a nátrium és a jód.

[1] University of Cambridge: Introduction to Semiconductors [2] vezetők: ρ = 10-9…10-2 Ωcm [3] szigetelők: ρ = 10+9…10+18 Ωcm

Történeti áttekintő

A legkorábbi félvezető eszközök elektroncső diódák voltak, amelyek működésének alapjait Frederick Guthrie fedezte fel 1873-ban. Az elektroncsövekkel párhuzamosan 1874-ben Karl Ferdinand Braun fizikus fedezte fel a kristály-alapú diódát. Thomas Edison 1880. február 13-án újra felfedezte az elektroncsöves dióda működésének elvét, amelyet szabadalmaztatott is. 1899-ben Braun a kristály-egyenirányítót szabadalmaztatta. 1900-ban elkészült az első kristály-diódás rádiókészülék Greenleaf Whittier Pickard kivitelezésben. Az első elektroncsöves diódát John Ambrose Fleming szabadalmaztatta 1904-ben. A dióda kifejezés William Henry Eccles brit fizikus találmánya 1919-ből. A szó a görög eredetű dia (keresztül) és odosz (út) szavakból származik.
A félvezetőket az elektronikában már több mint 50 éve használják. Belőlük épül fel az egyenirányító dióda, a tranzisztor, és még sok más elem (napelem, LED, fotodióda).
1955-ben Rubin Braunstein az Radio Corporation of America cég munkatársa felfedezte gallium-arzenid (GaAs) és egyéb félvezető-ötvözetek infravörös emisszióját. Bob Biard és Gary Pittman a Texas Instruments kutatói, 1961-ben fedezte fel a gallium-arzenid elektromos áram által gerjesztett infravörös fénykibocsátását. Biard és Pittman szabadalmaztatta a LED-et. Az ifj. Nick Holonyak a General Electric Company-tól fejlesztette ki az első gyakorlatban használható látható fényű LED-et 1962-ben.
A tranzisztor kifejlesztését a Lucent Technologies kutatóintézetében, a Bell Laboratóriumban végezték el. Walter Brattain, John Bardeen, William Shockley 1934 óta kísérletezett különféle anyagokkal, amelyek kutatása során két olyan anyagot találtak, amelyek félvezető tulajdonságot mutattak. Ez a két anyag a germánium és a szilícium volt. Az első megépített tranzisztort germánium és aranylemez összepréseléséből hozta létre Walter Brattain 1947. december 23-án. Ezt az első tranzisztort kísérletképpen egy korabeli csöves erősítő egyik elektroncsövének helyébe építették be, amelyet elsőként a vezetőség öt tagja előtt mutattak be, akik megbizonyosodhattak az új alkatrész működőképességéről. Az új eszközt 1948. június 17-én szabadalmaztatták. A tranzisztor nevet a távközlési részleg vezetője, John Pierce adta az alkatrésznek (az angol transfer-resistor, „átengedés-ellenállás” szavakból képzett kifejezés). A tranzisztor lassan foglalta az elektronikaiparban a ma már nélkülözhetetlen szerepét, amíg végül alapjaiban átalakította át azt.
Walter Brattain, John Bardeen és William Shockley munkásságát később elismerték, és 1956-ban mindhárman Nobel-díjat kaptak találmányukért.

A gerjesztett elektron alapállapotba történő visszaugrása során energia szabadul fel. Aszerint, hogy az energiafelszabadulás hogyan történik, megkülönböztetünk direkt és indirekt[4] félvezetőket.
A direkt félvezetőben a felszabadult energiát közvetlen átmenettel egy nagy lendületű foton viszi el (LED-ek, lézerek). Az indirekt félvezetőkben – a félvezetők többsége ilyen
, pl. szilícium-félvezetőben a felszabadult energiát a foton nem tudja elvinni, mivel ebben az esetben a foton lendülete elhanyagolhatóan kicsi a gerjesztett elektron-lyuk lendületkülönbsége mellett. A lendület-megmaradást egy fonon részvétele is biztosítja a folyamatban. Így ebben az esetben a felszabadult energia rácsrezgéssé alakul, azaz melegíti a határréteget, illetve a kristályt. Ezért az indirekt félvezetőkben felszabadult foton nem tud részt venni pl. indukált emisszióban, tehát ezekből nem készíthető félvezető lézer. Ugyanezen okból – mivel nincs az anyagból kilépő foton – LED-ek gyártására sem alkalmasak az indirekt félvezetők.

Félvezető anyag, Típusa, A tiltott sáv energiája 300 K hőmérsékleten (eV):
C (gyémán), Indirekt, 5,47
Ge, Indirekt, 0,66
Si, Indirekt, 1,12
Sn (szürke), Direkt,  0,08
GaAs, Direkt, 1,42
InAs, Direkt, 0,36
InSb, Direkt, 0,17
GaP, Indirekt, 2,26
GaN, Direkt, 3,36
InN, Direkt,  0,70
α-SiC, Indirekt, 2,99
ZnO, Direkt, 3,35
CdSe, Direkt, 1,70
ZnS, Direkt,  3,68
Képek forrása:
http://sikbela-radio.hupont.hu/18/elektroncsovek
https://hu.wikipedia.org/wiki/Tranzisztor#/media/File:Nachbau_des_ersten_Transistors.jpg