Hur fungerar en halvledare?
En halvledare är ett material med medelhög ledningsförmåga som kan styras genom dopning och elektriska fält. Kisel är vanligast, och pn-övergångar mellan dopade områden är grunden för dioder, transistorer och all modern elektronik.
En halvledare är ett material som leder elektrisk ström bättre än en isolator men sämre än en metall. Just denna mellanställning gör den användbar, eftersom ledningsförmågan kan styras med precision. Genom att tillsätta små mängder främmande atomer och lägga på elektriska fält kan man slå elektroniken av och på miljarder gånger per sekund. Hela den moderna digitala världen bygger på den egenskapen.
Det vanligaste halvledarmaterialet är kisel, men även germanium och galliumarsenid används. Rena kristaller av dessa material har nästan inga fria laddningsbärare vid rumstemperatur. När man dopar kristallen med exempelvis fosfor får man en n-typ med extra elektroner, och med bor får man en p-typ där det saknas elektroner på vissa platser. Dessa tomrum, hål, beter sig som positiva laddningar som kan röra sig genom materialet.
Magin uppstår vid gränsen mellan en p-typ och en n-typ. I denna så kallade pn-övergång kombineras elektroner och hål i ett smalt område, vilket skapar en inbyggd elektrisk spärr. Spärren släpper igenom ström i ena riktningen men blockerar den i den andra. Det är principen bakom en diod. Stapla flera sådana övergångar och lägg till en styrkontakt, så får du en transistor som kan förstärka eller bryta en signal.
| Egenskap | N-typ | P-typ |
|---|---|---|
| Dopämne i kisel | Fosfor, arsenik | Bor, gallium |
| Laddningsbärare | Elektroner | Hål |
| Fri elektronmängd | Hög | Låg |
| Används i | Katoder, emittrar | Anoder, baser |
En modern processor innehåller tiotals miljarder transistorer, var och en uppbyggd av dopade halvledarområden. Tillverkningen sker genom fotolitografi i renrum, där mönster projiceras på kiselskivor i skiktet för skiktet. Varje skikt kan vara några atomlager tjockt. Utvecklingen har följt Moores lag i över femtio år, men vid nuvarande tillverkningsnoder runt 3 nanometer börjar kvantmekaniska effekter som tunneling sätta gränser för hur små transistorer kan bli.
Steg för steg
Råvaran renas
Kisel utvinns ur kvartssand och renas till 99,9999999 procents renhet, så kallat elektronikkisel.
Kristallen odlas
Det rena kislet smälts och en enda stor kristall dras långsamt upp ur smältan. Kristallen skärs sedan i tunna skivor som kallas wafers.
Materialet dopas
Små mängder fosfor eller bor diffunderas eller implanteras in i kiselskivan för att skapa n- och p-områden.
Mönstret etsas fram
Genom fotolitografi projiceras kretsmönster på ytan, och överskottsmaterial etsas bort skikt för skikt tills transistorer och ledningar bildats.
Chippet testas och kapslas
Varje chip testas elektriskt innan skivan sågas upp och de fungerande chippen monteras i kapslar med anslutningsben.
Vanliga frågor
- Varför är kisel den vanligaste halvledaren?
- Kisel är billigt, finns i stora mängder som sand och bildar ett stabilt oxidskikt som gör det enkelt att mönstra elektroniska strukturer på ytan.
- Vad är skillnaden mellan n-typ och p-typ?
- N-typ är dopad med atomer som ger extra fria elektroner, p-typ är dopad med atomer som ger fria hål. I n-typ bärs strömmen av elektroner, i p-typ av hål.
- Vad är en pn-övergång?
- Det är gränsen mellan ett p-dopat och ett n-dopat område i samma kristall. Övergången släpper igenom ström åt ena hållet men blockerar den åt det andra, vilket är grunden för dioder och transistorer.
- Hur många transistorer finns i en modern processor?
- En toppmodern processor från 2025 innehåller omkring 50 till 100 miljarder transistorer, alla tillverkade i halvledarmaterial på en kvadratcentimeter stor chipyta.