Halvledare

Det finns material som leder ström. De kallas för ledare. Och det finns material som inte leder ström alls. De kallas för isolatorer. Och så finns det material som är någonting mitt emellan ledare och isolator – de leder ström halvbra.

De materialen – halvledare – är väldigt användbara. Halvledare är nödvändiga för att bygga nästan alla apparater du har därhemma. Din mobil, dator, TV och många andra saker. För att förstå hur halvledare fungerar, måste vi ta oss ned på atomnivå ... Alla material består av atomer.

Runt atomkärnan finns elektroner. Här är flera kiselatomer bredvid varandra, i en kristall. Kiselatomer har fyra elektroner som gränsar mot de andra atomerna. Varje kiselatom kan “dela med sig” av sina elektroner till fyra av sina grannar. Samtidigt kan de “låna” elektroner från de andra atomerna.

Då får varje kiselatom åtta elektroner längst ut – precis vad den vill ha. Och då finns det inte så många fria elektroner som kan åka runt i kristallen. Och det är därför kisel inte leder ström så bra. För att få fler elektroner att vilja röra på sig, tillsätter vi ett annat grundämne, vi dopar kislet. Vi byter ut en kiselatom mot en fosforatom och ser vad som händer.

En fosforatom har fem elektroner längst ut. När den får fyra till från sina grannar kommer den att ha nio elektroner längst ut. Då finns det en elektron, den nionde, som alla atomer helst vill slippa. Den extra elektronen kan då röra sig fritt i kiselkristallen. Fler elektroner i rörelse gör att kiselkristallen leder ström bättre.

När vi dopar kisel med fosfor blir det en bättre ledare. Eftersom elektroner är negativt laddade, och vi får fler elektroner när vi dopar kisel med fosfor, så säger vi att det här kislet är negativt dopat, eller n-dopat. Det finns ett annat sätt att dopa kisel. Grundämnet bor har tre elektroner längst ut, istället för fem som fosfor har. Nu lägger vi in en boratom mitt ibland kiselatomerna.

Kiselatomerna delar med sig av sammanlagt fyra elektroner till boratomen. Nu har boratomen sju elektroner längst ut. Men den vill ha åtta. Det fattas en elektron. Det blir som ett "hål".

Så boratomen rycker åt sig en elektron från en atom intill. Men då blir den atomen av med en elektron och det blir ett nytt hål. Nu är det bristen på elektroner som gör det möjligt för elektronerna att röra sig. Fler elektroner som rör sig i materialet gör att kisel leder ström bättre. Med färre negativt laddade elektroner är kislet positivt dopat: p-dopat.

Så rent kisel leder ström ganska dåligt. Men med hjälp av andra ämnen – genom att dopa kislet – kan vi få kisel att leda ström bättre. Kisel och andra ämnen med liknande egenskaper är halvledare. Dopade halvledare finns i din mobil, dator, TV och i en massa annan elektronik. Utan halvledare skulle du inte kunna titta på den här filmen på din mobil eller dator.

Och det som gör halvledare så bra att använda sig av ... nä, det tar vi en annan gång.