Halvledermaterialet

Halvledermaterialet är ett ämne vars elektriska ledningsförmåga ligger mellan en ledare och en isolator och som kan regleras av temperatur, ljus eller dopning. Kärnan i halvledare är bandstrukturen där ett bandgap skiljer ledningsbandet från valensbandet och där antalet laddningsbärare påverkas av omgivningen.

I ett intrinsic (rent) halvledarmaterial uppstår laddningsbärare främst genom termisk excitation över bandgapet. Genom dopning införs främmande atomer som ger överskott av elektroner (n‑dopning) eller hål (p‑dopning). Extrinsic halvledare gör det möjligt att kontrollera strömflöde och funktioner som diod- och transistorverkan.

Vanliga material är kisel (Si) och germanium (Ge). I praktiken används också III‑V-material som galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP) för snabba elektronik- och optoelektroniska tillämpningar. Material med bred bandgap som siliciumkarbid (SiC) och galliumnitride (GaN) används vid hög effekt, hög temperatur och blått/UV‑ljus. Andra exempel finns bland 2D‑material och organiska halvledare.

Halvledare används i dioder och transistorer – till exempel BJT och MOSFET – som tillsammans bygger upp integrerade kretsar. De används också i solceller, LED, sensorer och olika kommunikations- och optoelektroniska enheter.

Tillverkningen sker vanligtvis genom odling av kiselkristaller (Czochralski eller flytzon), som skärs till waferer och dopas genom diffusion eller jonimplantation. Mikrostrukturering sker sedan med fotolitografi, oksidation och epitaxi i rena rum.

Framtiden för halvledarmaterial innebär nya materialkombinationer, större användning av SiC och GaN i kraft- och fordonsområden samt forskning inom 2D-material som MoS2 och bättre integration av materialsystem.