Příklad polovodičových materiálů

Podle schopnosti vést elektrický proud se materiály dělí do tří kategorií: Vodiče, Izolátory a Polovodiče. Nejvýznamnějším příkladem vodičů jsou kovy, jako je měď Cu, hliník Al a stříbro Ag; a izolantů polymery a sklo. Třetí třída bude probrána níže: polovodiče.

Elektrické vlastnosti polovodičů patří mezi vlastnosti izolátorů a vodičů.Křemík Si a Germanium Ge jsou dobře známé příklady polovodičů, které se často používají při výrobě různých elektronických zařízení.. Elektrické vlastnosti polovodičů lze změnit o několik řádů, čímž se k materiálům přidá kontrolované množství cizích atomů.

Polovodiče se chovají jako izolátory při nízkých teplotách, ale pokud se zvýší, chovají se jako vodiče. Tato dualita vodivosti je způsobena skutečností, že valenční elektrony materiálu jsou mírně vázány na jejich příslušná jádra. atomové, ale ne natolik, aby jim nárůst teploty umožnil nechat atom cirkulovat atomovou mřížkou materiál. Jakmile elektron opustí atom, opustí na svém místě díru, kterou může vyplnit další elektron, který cirkuluje v mřížce.

To je případ dříve zmíněných chemických prvků, křemíku Si a Germanium Ge, které mají na poslední úrovni čtyři valenční elektrony. Je třeba poznamenat, že k přidání energie do polovodičového materiálu lze kromě přenosu tepla aplikovat také světlo.

Pro lepší pochopení chování polovodičových materiálů bude použita Theory of Bands.

Teorie pásma

 Koncept Valencia pásmo, což je akumulovaná energie vlastněná valenčními elektrony.

Kromě toho se tato teorie zabývá definicí Vodivé pásmo, jako společná energie, kterou elektrony musí odebírat ze svých atomů. Elektrony nacházející se ve vodivém pásmu mohou cirkulovat materiálem, pokud existuje elektrické napětí, které je pohání mezi dvěma body.

Na základě těchto dvou pásem budou studovány případy vodičů, izolátorů a polovodičů, aby měly perspektivu pro druhé.

Pro dirigenta je energie pásma Valencia větší než energie elektronů pásma vedení. Takovým způsobem, že se pásma překrývají a mnoho elektronů z Valencie je umístěno na vedení velmi snadno, a proto s možností cirkulace uprostřed.

U izolátoru je naopak energie pásma vedení mnohem větší než energie pásma Valencie. Zde je mezera mezi pásmem Valencia a pásmem vedení, takže elektrony ve Valencii nemají přístup k pásmu vedení, které bude prázdné. To je důvod, proč izolátor nechová. Pouze při vysokých teplotách mohou být tyto materiály vodivé.

V případě polovodičů je pásmo vedení stále větší než pásmo Valencie, ale mezera mezi nimi je podstatně menší, takže s energetickým nárůstem elektrony ve Valencii skočí do vodivého pásma a mohou cirkulovat médiem. Když elektron skočí z pásma Valencie do pásma vedení, zanechá ve Valencii pásmo vejce, které je také považováno za nosiče elektrického proudu.

V polovodičích se rozlišují dva typy nosičů elektrického proudu: záporně nabité elektrony a díry kladně nabité.

Druhy polovodičů 

Existují dvě třídy polovodičů podle jejich čistoty. Polovodičové materiály v jejich čistém stavu jsou známé jako Intrinsic Semiconductors; a existují Extrinsic Semiconductors, které jsou čisté, ale kontaminované nečistotami v nepatrných poměrech, jako jedna částice na každý milion.

Tento proces kontaminace se nazývá doping, který se zase projevuje dvěma typy.

Prvním typem dopingu je typ N, ve kterém materiál je kontaminován valenčními 5 atomy, jako je Phosphorus P, Arsenic As nebo Antimony Sb. Zapojením pátého valenčního elektronu do struktury čtyřmocné atomy, je nucen bloudit polovodičovým materiálem, aniž by našel stabilní místo kde Být umístěn. Sada těchto potulných elektronů se nazývá majoritní elektrony.

Druhým typem dopingu je typ P, ve kterém polovodičový materiál je kontaminován atomy valence 3, jako je Boron B, Gallium Ga nebo Indium In. Pokud je tento atom zaveden do materiálu, zůstává otvor, kam by měl jít elektron. Otvor se snadno pohybuje strukturou materiálu, jako by byl nosičem kladného náboje. V tomto případě jsou otvory majoritní nosiče.

Polovodičová aplikace: Dioda

Dioda je elektronická součást, která se skládá ze spojení dvou vnějších polovodičových krystalů, jednoho typu N a druhého typu P. Jejich spojením část přebytečných elektronů typu N prochází do krystalu typu P a část otvorů typu P prochází do krystalu typu N. Na křižovatce je vytvořen proužek zvaný Přechodová zóna, který má elektrické pole, které se chová jako a bariéra, která brání průchodu více elektronů ze zóny N do zóny P a děr ze zóny P do zóny N.

Když je dioda připojena k baterii, mohou nastat dva různé případy: Předpětí a Přepětí.

V přímé polarizaci je kladný pól spojen s krystalem P a záporný pól s krystalem N. Díky tomu je přechodová zóna mnohem užší, prolomí bariéru a umožní volný průchod proudu. V tomto stavu je dioda vodivá.

Při reverzní polarizaci se kladný pól připojuje ke krystalu N a záporný pól ke krystalu P. To činí přechodovou zónu mnohem širší a posiluje bariéru, která brání průchodu proudu. V tomto případě je dioda izolovaná.

Aplikace diody je mnoho. Nejpopulárnější aplikací je však ta, která ji používá jako usměrňovač. Usměrňovač je systém schopný převést sinusový střídavý vstupní signál na jiný, který má stejný smysl, a později převést střídavý proud na stejnosměrný. Před usměrněním proudu se použije transformátor, který snižuje hodnotu napětí.

Příklady polovodičových materiálů

Ve skupině, ve které jsou přítomni v periodické tabulce, jsou některé příklady polovodičových prvků:

Skupina IIIA: Bor B, hliník Al, Gallium Ga, Indium In.

Skupinová DPH: Silicon Si, Germanium Ge.

Skupina VA: Phosphorus P, Arsenic As, Antimony Sb.

Skupina VIA: Síra S, Selenium Se, Tellurium Te.