Tekst: Ylva Knausgård Hommedal
Foto: brilliant.org
Forklaringa eg fekk i fysikktimen på vidaregåande var at ein halvleiar er eit materiale som er «halvt leiande»; Ei forklaring som ikkje heldt mål når det gjaldt forståinga mi eller for å få tenårings-meg til å løfta eit nysgjerrig augebryn. Det fyrste inntrykket mitt var «dette er det uaktuelt å investera meir tankekraft i enn absolutt naudsynt». Men før eg rakk å seia «eg skal redda verda», driv eg og forfattar ei masteroppgåve i halvleiarfysikk som skal leverast om nokre månadar. Med andre ord er eg midt i ein situasjon som gjer at eg både er i eit perfekt sinnelag for å prokrastinera, og for å gje ei semi-lettbeint forklaring på kva som er greia med halvleiarar.
Båndgap
For å forklara kva ein halvleiar er, må me fyrst ha på plass omgrepet båndgap. Det er lettast å byrja med ungdomskulepensum og ta utgangspunkt i Bohrs atommodell. Elektron som krinsar rundt atomkjerna kan berre vera i banar som tilsvarar ein eksakt energi. Dersom elektrona vil ha høgare energi, må dei verta tilført nok energi til å hoppa opp til neste energibane. Elektronet kan aldri vera mellom to energibanar, det går ikkje an. Dersom ein samlar ein heil haug med atom, like mange som talet-på-stjerner-i-universet-mange atom, så har me kanskje ein liten klump med materiale. Sidan me har svært mange atom, så finst det også svært mange energibanar elektrona kan vera i. Elektrona kan framleis berre vera i gitte energiar, men sidan det no er så mange av dei, samlar energibanane seg til det me kallar for energibånd.
Samlinga av alle energibånda elektron i eit material, kallar me for båndstruktur. No byrjar det å krølla seg i hjernen, men heng med. Dersom du ser for deg energitilstandande til elektrona til éit enkelt atom som ein stige, så kan du sjå for deg båndstrukturen til eit materiale som eit klatrenett med ujamn storleik på hola. Alle material har ein båndstruktur; metall, tre, plast, keramikk, deg sjølv osb. Alle elektrona i eit material har ein energi, men ikkje kva som helst energi – dei må følgja båndstrukturen. Eit material kan ha ein kontinuerleg båndstruktur eller det kan ha eit båndgap i båndstrukturen. Dersom materialet har eit båndgap, er det ingen måte for elektrona å koma seg over dette gapet på, med mindre elektronet aukar energien sin akkurat nok. Det er som om me kuttar klatrenettet i to, og har ei gap mellom dei to delane.
Leiar, halvleiar og isolator
Når me snakkar om elektriske eigenskapar til eit material, meiner me kva som skjer når ein set på elektrisk spenning over materialet. Leier materialet straum? Når me set spenning over eit leiande materiale, aukar energien til elektrona bittelitt, slik at dei kan bevega på seg, eller leia straumen, som me også kallar det. Eit metall har ein kontinuerleg båndstruktur, nettet heng saman, så når me set spenning over materialet, kan elektrona auka energien sin og leia straum. Dei fleste metall er gode leiarar av straum, så det passar bra. Ein isolator, til dømes plast, har eit stortbåndgap. Når me set på spenning over ein isolator, kan ikkje elektrona auka energien sin i det heile teke, for det er eit gap i vegen der elektrona ikkje kan ha energi. Isolatoren kan difor ikkje leia straum. No kjem me til «the juice»; ein halvleiar har eit lite båndgap.
Det at halvleiarar har eit lite båndgap gjer at dei i nokre høve leier straum, og i andre høve ikkje. Her er kanskje opphavet til «halvt leiande»-forklaringa, men utan å vita om kva båndgap er, så er det vanskeleg å skjøna kvifor. Til dømes kan ein halvleiar leia straum når temperaturen er høg nok, medan den ikkje kan leia ved låge temperaturar. Temperaturen kan gje elektrona høg nok energi til å koma seg over båndgapet.
Ja, veldig kult, men kva brukast halvleiarar til?
Det er dette passeleg store båndgapet som me vil utnytta i halvleiarar. Teknologien baserer seg på at ein kan styra kva tid elektrona skal ta seg over båndgapet. Sidan leiingsevna til halvleiarar er temperaturavhengige, går det an å nytta halvleiarar til å laga elektroniske temperaturmålarar. Det vert målt kor mykje elektrisk motstand me har i halvleiaren, og dette kan brukast til å finna ut kva temperaturen er. Ein annan bruk me kjenner godt til er solceller. Den mest nytta halvleiaren til solceller er silisium, som eg dessutan vil påstå er den mest berømte halvleiaren. Når ei solstråle treff halvleiaren, får eit elektron akkurat nok energi til å koma seg over båndgapet slik at me får straum. Eit anna døme som verkar heilt motsett, er LED-lys. Straumen får eit elektron på toppen av båndgapet til å hoppa ned til botn, og med det gjev frå seg energi i form av lys.
Transistor
Ved å fjerna elektron under båndgapet eller legga til elektron over båndgapet, kan ein laga det som vert kalla positiv-type og negativ-type halvleiarar. Byggjer ein slike halvleiarar oppå kvarandre, kan ein laga elektriske komponentar som berre leier straum i ein retning, diode, eller som gjer det enkelt å skru av og på eller forsterka straumen, transistor. Transistor har du kanskje høyrt om før. Datamaskiner sender informasjon ved å bruka nettopp dette trikset. Transistoren kan vera enten av eller på, som svarar til 0 eller 1. Den fyrste transistoren vart laga i 1947 av John Bardeen og Walter Brittain. På den tida bestod transistorar av material som var limt og klemt mot kvarandre, og var så store at ein kunne halde dei i handa. No er ein transistor berre nokre nanometer stor, slik at det er plass til milliardar av dei i ei datamaskin eller ein mobil, og dei vert laga i store fabrikkar ved å leggja lag på lag med atom oppå kvarandre. Halvleiaren silisium har vore såpass viktig i utviklinga av datateknologi at den har gjeve namn til Silicon Valley, eit namn du kanskje har høyrt om.
Materialistisk lykke
Halvleiarar har mange tøffe bruksområde, men sjølv synest eg at det er fysikken bak sjølve materiala som er spennande, og det var dette som mangla då eg fyrst høyrde om temaet. Eg skal ikkje skamlaust påstå at denne forklaringa er verken feilfri eller høgt engasjerande, men no har du i det minste fått ei innføring i kvifor halvleiarar er «halvt leiande». Mest av alt er eg usikker på om «båndgap» er ei god nynorsk omsetting, og det får berre vera. Om ikkje anna var det ei lita forteljing om korleis ein ikkje kan dømma eit vitskapstema som var uinspirerande forklart i Rom, Stoff og Tid og eit feilslått forsøk på å føreseia eiga framtid. No er eg a material girl og nøgd med det.
