Beispiel für Halbleitermaterialien

Entsprechend ihrer Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, werden Materialien in drei Kategorien eingeteilt: Leiter, Isolatoren und Halbleiter. Das bekannteste Beispiel für Leiter sind Metalle wie Kupfer Cu, Aluminium Al und Silber Ag; und von den Isolatoren die Polymere und das Glas. Als nächstes wird die dritte Klasse besprochen: Halbleiter.

Die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern gehören zu denen von Isolatoren und Leitern.Silizium Si und Germanium Ge sind wohlbekannte Beispiele für Halbleiter, die häufig bei der Herstellung einer Vielzahl von elektronischen Geräten verwendet werden.. Die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern können um mehrere Größenordnungen verändert werden, indem den Materialien kontrollierte Mengen an Fremdatomen hinzugefügt werden.

Halbleiter verhalten sich bei tiefen Temperaturen wie Isolatoren, wenn diese jedoch erhöht werden, verhalten sie sich wie Leiter. Diese Dualität der Leitfähigkeit ist darauf zurückzuführen, dass die Valenzelektronen des Materials lose an ihre jeweiligen Kerne gebunden sind. atomar, aber nicht genug, so dass der Temperaturanstieg es ihnen ermöglicht, das Atom zu verlassen, um durch das Atomgitter der Material. Sobald ein Elektron ein Atom verlässt, hinterlässt es an seiner Stelle ein Loch, das von einem anderen Elektron, das im Gitter zirkulierte, gefüllt werden kann.

Dies ist bei den zuvor erwähnten chemischen Elementen Silizium Si und Germanium Ge der Fall, die auf ihrer letzten Stufe vier Valenzelektronen aufweisen. Es sollte beachtet werden, dass zusätzlich zur Wärmeübertragung Licht angewendet werden kann, um dem Halbleitermaterial Energie zuzuführen.

Um das Verhalten von Halbleitermaterialien besser zu verstehen, wird die Bandtheorie verwendet.

Bandtheorie

 Das Konzept von Valencia-Band, das ist die akkumulierte Energie der Valenzelektronen.

Darüber hinaus behandelt diese Theorie die Definition von Leitungsband, als die Energie zusammen, die Elektronen ihren Atomen entziehen müssen. Die im Leitungsband befindlichen Elektronen können durch das Material zirkulieren, wenn eine elektrische Spannung sie zwischen zwei Punkten treibt.

Ausgehend von den beiden Bändern werden die Fälle Leiter, Isolator und Halbleiter untersucht, um eine Perspektive für letztere zu erhalten.

Für einen Dirigenten ist die Energie des Valencia-Bandes größer als die der Elektronen des Leitungsbandes. So, dass sich die Bänder überlappen und viele Valencia-Elektronen sehr leicht auf die Leitung gelegt werden und daher mit der Möglichkeit, in der Mitte zu zirkulieren.

Bei einem Isolator hingegen ist die Energie des Leitungsbandes viel größer als die Energie des Valencia-Bandes. Hier gibt es eine Lücke zwischen dem Valencia-Band und dem Leitungsband, so dass die Valencia-Elektronen nicht auf das leere Leitungsband zugreifen können. Deshalb leitet der Isolator nicht. Nur bei hohen Temperaturen können diese Materialien leitfähig sein.

Bei Halbleitern ist das Leitungsband immer noch größer als das Valencia-Band, aber der Abstand zwischen beiden ist erheblich kleiner. so dass bei einer energetischen Erhöhung die Valencia-Elektronen auf das Leitungsband springen und durch das Medium zirkulieren können. Wenn ein Elektron vom Valencia-Band zum Leitungsband springt, hinterlässt es ein Ei im Valencia-Band, das auch als Träger von elektrischem Strom gilt.

Bei Halbleitern werden zwei Arten von elektrischen Stromträgern unterschieden: negativ geladene Elektronen und Löcher, positiv geladen.

Arten von Halbleitern 

Es gibt zwei Klassen von Halbleitern nach ihrer Reinheit. Halbleitermaterialien in ihrem reinen Zustand werden als intrinsische Halbleiter bezeichnet; und es gibt extrinsische Halbleiter, die rein sind, aber mit Verunreinigungen in winzigen Anteilen verunreinigt sind, wie ein Partikel von jeder Million.

Dieser Kontaminationsvorgang wird als Doping bezeichnet, der sich wiederum in zwei Arten äußert.

Die erste Art des Dopings ist Typ N, in welchem das Material ist mit Valenz 5 Atomen verunreinigt, wie Phosphor P, Arsen As oder Antimon Sb. Durch die Einbeziehung des fünften Valenzelektrons in die Struktur von vierwertigen Atomen, durch das Halbleitermaterial wandern, ohne einen stabilen Ort zu finden, an dem Gelegt werden-gestellt werden-plaziert werden. Die Menge dieser fehlerhaften Elektronen wird als Majority Electrons bezeichnet.

Die zweite Art des Dopings ist Typ P, in welchem das Halbleitermaterial ist mit Atomen der Wertigkeit 3 ​​. verunreinigt, wie Bor B, Gallium Ga oder Indium In. Wird dieses Atom in das Material eingebracht, bleibt ein Loch zurück, wo ein Elektron hin soll. Das Loch bewegt sich leicht durch die Struktur des Materials, als wäre es ein Träger positiver Ladung. In diesem Fall sind die Löcher Majority Carrier.

Halbleiteranwendung: Diode

Die Diode ist ein elektronisches Bauteil, das aus der Vereinigung zweier extrinsischer Halbleiterkristalle besteht, einer vom Typ N und der andere vom Typ P. Durch deren Verbindung gelangt ein Teil der überschüssigen N-Elektronen zum P-Typ-Kristall und ein Teil der P-Typ-Löcher geht zum N-Typ-Kristall. An der Kreuzung entsteht ein Streifen, der als Übergangszone bezeichnet wird und ein elektrisches Feld hat, das sich wie a. verhält Barriere, die den Durchgang von mehr Elektronen von Zone N zu Zone P und von Löchern von Zone P zu Zone verhindert N.

Wenn eine Diode an eine Batterie angeschlossen ist, treten zwei verschiedene Fälle auf: Vorwärts- und Rückwärts-Bias.

Bei der direkten Polarisation ist der Pluspol mit Kristall P und der Minuspol mit Kristall N verbunden. Dies macht die Übergangszone viel schmaler, durchbricht die Barriere und ermöglicht den freien Durchgang des Stroms. In diesem Zustand ist die Diode leitend.

Bei umgekehrter Polarisation ist der Pluspol mit Kristall N und der Minuspol mit Kristall P verbunden. Dies macht die Übergangszone viel breiter und verstärkt die Barriere, die den Stromdurchgang verhindert. In diesem Fall ist die Diode isolierend.

Die Anwendungen der Diode sind vielfältig. Die beliebteste Anwendung ist jedoch diejenige, die sie als Gleichrichter verwendet. Ein Gleichrichter ist ein System, das in der Lage ist, ein sinusförmiges Wechseleingangssignal in ein anderes mit gleichem Sinn umzuwandeln, um später Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Vor dem Gleichrichten des Stroms wird ein Transformator verwendet, der den Wert der Spannung reduziert.

Beispiele für Halbleitermaterialien

Nach der Gruppe, in der sie im Periodensystem vorkommen, sind dies einige Beispiele für Halbleiterelemente:

Gruppe IIIA: Bor B, Aluminium Al, Gallium Ga, Indium In.

Gruppenumsatzsteuer: Silizium Si, Germanium Ge.

Gruppe VA: Phosphor P, Arsen As, Antimon Sb.

Gruppe VIA: Sulphur S, Selenium Se, Tellurium Te.