Półprzewodniki - źródła prądu i światła

Czym są półprzewodniki? Jak wyjaśnił dr Słupiński są to substancje, których cechą charakterystyczną jest to, iż tylko w pewnych warunkach przewodzą prąd elektryczny, w innych zachowując się jak dielektryk (przedmiot, który nie przewodzi prądu). Półprzewodnikami są półmetale (np. krzem i german) oraz związki niektórych metali (arsenek galu, antymonek galu lub tellurek kadmu). Istota ich przewodnictwa polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego. Zdolność przewodzenia zależy zaś od wielu czynników, głównie temperatury oraz zawartości domieszek.

Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu N - inaczej nadmiarowe (negative) i P - niedomiarowe (positive). Pierwsze z nich wykazują tzw. przewodnictwo elektronowe, oparte na wolnych elektronach, drugie - przewodnictwo dziurowe, nazwane tak, gdyż w układzie występują wówczas tzw. dziury elektronowe, czyli miejsca pozbawione elektronów.

Jak wyjaśnił prowadzący oba te typy można ze sobą łączyć. "Z połączenia warstw N i P powstał najpopularniejszy półprzewodnik na świecie, zwany potocznie diodą. Od tego czasu nastąpił szybko postępujący rozwój elektroniki, która nie mogłaby istnieć bez warstw N i P" - powiedział fizyk z UW. "Zegarków, które macie na rękach, prawdopodobnie nie trzeba nakręcać. A to znaczy, że działają one na baterie i są sterowane elektronicznie. Ta elektronika to właśnie półprzewodniki - procesory, podzespoły, układy scalone" - dodał.

Innymi przyrządami opartymi na półprzewodnikach są: tranzystory (wzmacniacze sygnału elektrycznego złożone z trzech warstw: N-P-N lub P-N-P), fotodiody (czyli diody pracujące jako detektory), termistory (półprzewodnikowe oporniki), hallotrony (przyrządy do pomiaru pola magnetycznego), lasery półprzewodnikowe oraz układy scalone (zminiaturyzowane zespoły bardzo wielu tranzystorów, diod i rezystorów).

Doktor Słupiński opowiedział także o materiałach, z których wytwarzane są półprzewodniki. Jak wyjaśnił, wszystkie one należą do grupy substancji określanych mianem kryształów (mono- lub polikryształów).

Kryształy są to jednorodne ciała stałe, o prawidłowej i uporządkowanej budowie wewnętrznej. Wchodzące w ich skład cząsteczki, atomy i jony nie mają pełnej swobody przemieszczania się, ale zajmują ściśle określone miejsca w sieci przestrzennej. Kryształy powstałe w wyniku procesów naturalnych, geologicznych nazywamy minerałami. Krystaliczną budowę wykazuje np. krzem i german - dwa najpopularniejsze półprzewodniki.

Naukowiec powiedział, że przełomowy moment w dziejach elektroniki nastąpił, kiedy człowiek nauczył się wytwarzać kryształy w laboratorium - hodować je. "Wytwarzanie nowoczesnych materiałów półprzewodnikowych opiera się w bardzo dużym stopniu na dokładnym badaniu własności materiałów, a następnie wykorzystaniu wyników badań do poprawy ich własności - tłumaczył fizyk. - W naszej pracowni poznajemy więc podstawowe własności elektronowe, optyczne i transportu elektrycznego półprzewodników. Dysponujemy możliwością badań powierzchni materiałów (z rozdzielczością zbliżoną do atomowej w mikroskopie sił atomowych), w tym badań morfologii powierzchni, własności elektrycznych powierzchni oraz własności magnetycznych. Współpracujemy z grupami badającymi kryształy technikami promieni Roentgena oraz mikroskopii elektronowej".

W trakcie festiwalowego spotkania dr Słupiński pokazał gościom chlubę swojego zakładu - urządzenie do wytwarzania monokryształów metodą Czochralskiego. Jak wyjaśnił, twórca metody Jan Czochralski był jednym z najwybitniejszych polskich naukowców w historii. Zasłynął jako pionier technologii produkcji urządzeń elektronicznych, a wyniki jego badań do dziś stanowią podstawę produkcji przemysłu elektronicznego.

telewizory, odbiorniki radiowe, zegarki kwarcowe i wszelkie inne urządzenia, do działania których niezbędne są układy scalone" - zaznaczył prowadzący.

Największym odkryciem żyjącego na przełomie XIX i XX wieku naukowca, było wynalezienie w 1916 roku innowacyjnej metody uzyskiwania monokryształów, nazwanej później "metodą Czochralskiego", a dokładnie metodą LEC (liquid encapsulated Czochralski). Według prowadzącego, dzieło Czochralskiego, jak wiele innych wielkich wynalazków, było w dużej mierze dziełem przypadku. Pewnego dnia polski uczony przez nieuwagę zanurzył pióro w roztopionej cynie zamiast w kałamarzu. W skutek tego na stalówce powstał cienki metalowy drucik, który po przebadaniu za pomocą promieni Roentgena, okazał się pojedynczym kryształem cyny.

Przełomowa technika nie od razu znalazła jednak zastosowanie. Dopiero po latach zauważono, że może być ona wykorzystywana do przemysłowego wytwarzania monokryształów krzemu, niezbędnych do produkcji wszelkich układów scalonych i np. procesorów.

"Technika Czochralskiego jest dziś dominującą przemysłową metodą wytwarzania krzemu dla mikroelektroniki półprzewodnikowej. Największe osiągnięcia naszej pracowni zawdzięczamy właśnie możliwości wytwarzania nanostruktur półprzewodnikowych, czyli układów wielu cienkich warstw osadzanych na płytkach z kryształów objętościowych. Wytworzyliśmy tu już wiele kryształów specjalnie zaprojektowanych dla potrzeb eksperymentów fizycznych dotyczących fizyki domieszek w półprzewodnikach" - powiedział Słupiński.

Jak dodał, posiadanie urządzenia do technologii Czochralskiego przez pracownię uniwersytecką jest dość unikalne. "Nasze jest najprawdopodobniej jedynym takim urządzeniem na wyższych uczelniach w Polsce. Poza nim posiadamy także unikalne urządzenie do technologii MOCVD. Dlatego mogę powiedzieć, że nasza pracownia jest naprawdę dobrze wyposażona i umożliwia studentom praktyczne poznanie podstawowych technologii materiałów półprzewodnikowych". (PAP)