Forskning i halvledere

En halvleder er et stof, der har en modstand, der ligger et sted mellem modstanden i ledere og i isolatorer.

Lad os se på, hvor halvlederne ligger i det periodiske system.

På tegningen markerer linien fra B til At grænsen mellem metaller og ikke-metaller. Grundstoffer og kemiske forbindelser af grundstoffer, der ligger omkring denne grænse, kan være halvledere. Det overrasker måske ikke, fordi vi ved, at metaller er gode ledere, og ikke-metaller som regel isolatorer.

Et stofs elektriske ledningsevne afhænger af, at nogle af dets yderste elektroner (valenselektroner) let kan undslippe det enkelte atom og bevæge sig frit i stoffet. Det kan de fx i metaller, mens de i ikke-metallerne er så stærkt knyttet til deres atomer, at der ikke bliver "løsgående" elektroner til at lede elektrisk strøm. Halvlederne udgør en mellemting - en del elektroner kan sørge for, at der kan gå strøm gennem stoffet.

Ved lave temperaturer opfører rene halvledere (fx helt rent Si eller Ge) sig som isolatorer. Ved højere temperaturer, lyspåvirkning eller ved at tilsætte små mængder af andre grundstoffer (doping), kan ledningsevnen vokse voldsomt, næsten svarende til metallers, fordi disse påvirkninger løsriver elektroner, så de bliver frie.

Disse egenskaber gør halvledere interessante til en lang række formål: Elektroniske komponenter i radioer, tv og computere, lys- og varmefølsomme komponenter, lysdioder til mange formål, som lasere, fjernstyring af tv, kontrollamper og meget, meget andet.

De tre grundstoffer silicium (Si), germanium (Ge) og selen (Se) er halvledere, og de kemiske forbindelser galliumarsenid (GaAs), zinkselenid (ZnSe) og blytellurid (PbTe) er også. Desuden bruger man halvledende blandinger af metaloxider til temperaturfølsomme modstande og en tynd film af cadmiumsulfid (CdS) til lysfølsomme modstande ("bamseøjne"). Her kan modstanden variere fra mange millioner ohm i fuldstændig mørke til under tusinde ohm i stærk belysning.

Det mest anvendte halvledergrundstof i dag er silicium, men her bevæger elektronerne sig forholdsvis langsomt.

Ved at forske i halvledere bliver det muligt at gøre dem bedre til forskellige formål. Fx bliver computere som bekendt hurtigere og hurtigere - hver tredie måned kommer en ny og hurtigere model. På et eller andet tidspunkt bliver der problemer for elektronerne med at komme hurtigt nok rundt, så må afstandene i computerens CPU gøres mindre. Når CPUen bliver meget kompakt, bliver den let for varm (på pentium-maskiner sidder der en køleventilator på selve CPUen). Hvis man kunne finde nye halvledere med mindre modstand, ville der ikke udvikles så meget varme.

En tredje faktor, der har stor betydning for CPU'ens hastighed er signalhastigheden. Alle informationer i en computers CPU sendes rundt efter princippet 0 = ingen strøm, 1 = strøm, altså i form af "tænde-slukke"-signaler. Ved at gøre komponenterne i CPU'en så små som muligt kan man formindske den "medfødte" kapacitet, der vil være i CPU'ens mange såkaldte MOSFET-transistorer. Det betyder igen, at signalerne kommer hurtigere rundt.

Altså to veje at gå: At gøre halvlederne mindre og bedre ledende.

III-V nanolab

Vi har besøgt laboratoriet III-V-nanolab, der hører under bl.a. Niels Bohrs institut i København.

Her laver man grundforskning eller grundforsøg med halvledere.

Man arbejder med halvledere, der bare består af ét lag blandingskrystaller af GaAlAs og GaAs.

I næsten lufttomme kamre kan sådanne tynde lag opbygges ved at opvarme stofferne, så dampene afsættes på en helt ren GaAs-plade.

I rummet med fordampningskamrene kan vi kun fotografere gennem en rude

Luften i disse kamre skal også være ekstremt ren. Derfor renses og filtreres den, og kun de forskere og teknikere, der nødvendigvis skal derind kommer i rummet, hvor apparaturet er.

En medarbejder er ved at gøre klar til en pådampning

Man tegner de kredsløb, man ønsker at eksperimentere med, på et stykke papir. Så nedfotograferes de til mikroskopisk størrelse.

Den viste afstand: 17 nanometer

I de tynde pådampede halvlederlag kan man så ætse mønstre på tilsvarende måde, som når man ætser printplader til elektroniske kredsløb. Tynde, tynde guldtråde loddes til slut på de færdig halvlederkredse.

Jonatan lodder guldtråde på under mikroskop

Derefter foretages målinger af deres ledningsegenskaber under forskellige forhold (temperaturer, strømstyrker, magnetfelter mm.).

De fleste målinger foregår ved temperaturer mellem 4,2° K og 0,015° K, altså lige over det absolutte nulpunkt.

3He-kryostat. Køleapparatet kan nedkøle til 0,3° K (flydende 3He's temperatur under vakuum). Apparatet indeholder en supermagnet.

For at lave kraftige magnetfelter, må man bruge supermagneter, dvs. elektromagneter viklet af superledende materiale (også ved få ° K). Dermed kan man sende enorme strømstyrker gennem magnetspolerne og altså få meget kraftige magneter.

Hele forskningen på III-V-nanolab foregår i småtingsafdelingen, deres målestok er inddelt i nanometer (milliontedele millimeter), og øjnene må have hjælp af mikroskop og elektronmikroskop.

Målet er at gøre halvledere mindst mulige og med de bedste egenskaber.

Gammelt elektronmikroskop, som bl.a. bruges til at se på prøver