Παράδειγμα Υλικών Ημιαγωγών

Σύμφωνα με την ικανότητά τους να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα, τα υλικά χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: Αγωγοί, Μονωτές και Ημιαγωγοί. Το πιο εμφανές παράδειγμα αγωγών είναι μέταλλα, όπως χαλκός Cu, αλουμίνιο Al και ασήμι Ag. και των μονωτών τα πολυμερή και το γυαλί. Η τρίτη τάξη θα συζητηθεί στη συνέχεια: ημιαγωγοί.

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών είναι μεταξύ αυτών των μονωτών και των αγωγών.Τα Silicon Si και Germanium Ge είναι γνωστά παραδείγματα ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται συχνά στην κατασκευή μιας ποικιλίας ηλεκτρονικών συσκευών.. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών μπορούν να αλλάξουν με διάφορες τάξεις μεγέθους, προσθέτοντας ελεγχόμενες ποσότητες ξένων ατόμων στα υλικά.

Οι ημιαγωγοί συμπεριφέρονται ως μονωτές σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά εάν αυξηθεί, συμπεριφέρονται ως αγωγοί. Αυτή η δυαδικότητα αγωγιμότητας οφείλεται στο γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια σθένους του υλικού συνδέονται χαλαρά στους αντίστοιχους πυρήνες τους. ατομικό, αλλά όχι αρκετό, έτσι ώστε η αύξηση της θερμοκρασίας να τους επιτρέψει να αφήσουν το άτομο να κυκλοφορεί μέσω του ατομικού πλέγματος του υλικό. Μόλις ένα ηλεκτρόνιο φύγει από ένα άτομο, αφήνει μια τρύπα στη θέση του που μπορεί να γεμίσει από ένα άλλο ηλεκτρόνιο που κυκλοφορεί στο πλέγμα.

Αυτή είναι η περίπτωση των προαναφερθέντων χημικών στοιχείων, των Silicon Si και Germanium Ge, τα οποία έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους στο τελευταίο τους επίπεδο. Πρέπει να σημειωθεί ότι, για να προσθέσετε ενέργεια στο υλικό ημιαγωγών, εκτός από τη μεταφορά θερμότητας, μπορεί να εφαρμοστεί φως.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη συμπεριφορά των ημιαγωγών υλικών, θα χρησιμοποιηθεί η Θεωρία των Ζωνών.

Θεωρία μπάντας

 Η εννοια του Βαλένθια ζώνη, η οποία είναι η συσσωρευμένη ενέργεια που κατέχουν τα ηλεκτρόνια σθένους.

Επιπλέον, αυτή η θεωρία χειρίζεται τον ορισμό του Conduction Band, καθώς η ενέργεια μαζί που τα ηλεκτρόνια πρέπει να αποσυρθούν από τα άτομα τους. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη ζώνη αγωγιμότητας μπορούν να κυκλοφορούν μέσω του υλικού εάν υπάρχει ηλεκτρική τάση που τα οδηγεί μεταξύ δύο σημείων.

Με βάση τις δύο ζώνες, οι περιπτώσεις αγωγών, μονωτή και ημιαγωγού θα μελετηθούν ώστε να έχουν προοπτική για το τελευταίο.

Για έναν αγωγό, η ενέργεια της ζώνης της Βαλένθια είναι μεγαλύτερη από εκείνη των ηλεκτρονίων της ζώνης αγωγιμότητας. Με τέτοιο τρόπο ώστε οι ζώνες να αλληλεπικαλύπτονται και πολλά ηλεκτρόνια Βαλένθια τοποθετούνται στην Αγωγιμότητα πολύ εύκολα, και επομένως, με την επιλογή να κυκλοφορούν στη μέση.

Για έναν μονωτή, από την άλλη πλευρά, η ενέργεια της ζώνης αγωγιμότητας είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια της ζώνης της Βαλένθια. Εδώ υπάρχει ένα κενό μεταξύ της ζώνης της Βαλένθια και της ζώνης αγωγιμότητας, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια της Βαλένθια να μην έχουν πρόσβαση στη ζώνη αγωγής που θα είναι κενή. Γι 'αυτό ο μονωτής δεν λειτουργεί. Μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες αυτά τα υλικά μπορούν να είναι αγώγιμα.

Στην περίπτωση των ημιαγωγών, το Conduction Band είναι ακόμα μεγαλύτερο από το Valencia Band, αλλά το χάσμα μεταξύ των δύο είναι σημαντικά μικρότερο, έτσι ώστε με μια ενεργητική αύξηση, τα ηλεκτρόνια της Βαλένθια πηδούν στη ζώνη αγωγιμότητας και μπορούν να κυκλοφορούν μέσω του μέσου. Όταν ένα ηλεκτρόνιο πηδά από τη ζώνη της Βαλένθια στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνει ένα αυγό στη ζώνη της Βαλένθια που θεωρείται επίσης φορέας ηλεκτρικού ρεύματος.

Σε ημιαγωγούς, διακρίνονται δύο τύποι φορέων ηλεκτρικού ρεύματος: αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και οπές, θετικά φορτισμένα.

Τύποι ημιαγωγών 

Υπάρχουν δύο κατηγορίες ημιαγωγών ανάλογα με την καθαρότητα τους. Τα υλικά ημιαγωγών στην καθαρή τους κατάσταση είναι γνωστά ως εγγενείς ημιαγωγοί. και υπάρχουν εξωγενείς ημιαγωγοί, οι οποίοι είναι καθαροί αλλά μολυσμένοι με ακαθαρσίες σε ελάχιστες αναλογίες, όπως ένα σωματίδιο σε κάθε εκατομμύριο.

Αυτή η διαδικασία μόλυνσης ονομάζεται Doping, η οποία με τη σειρά της εκδηλώνεται σε δύο τύπους.

Ο πρώτος τύπος ντόπινγκ είναι ο τύπος Ν, στο οποίο το υλικό είναι μολυσμένο με σθένος 5 άτομα, όπως Phosphorus P, Arsenic As, ή Antimony Sb. Με τη συμμετοχή του πέμπτου σθένους ηλεκτρονίου στη δομή του τετρασθενή άτομα, αναγκάζεται να περιπλανηθεί στο υλικό ημιαγωγών, χωρίς να βρει μια σταθερή τοποθεσία όπου Να τοποθετηθεί. Το σύνολο αυτών των εσφαλμένων ηλεκτρονίων ονομάζεται Majority Electron.

Ο δεύτερος τύπος Doping είναι Type P, στο οποίο το υλικό ημιαγωγού είναι μολυσμένο με άτομα σθένους 3, όπως Boron B, Gallium Ga ή Indium In. Εάν αυτό το άτομο εισαχθεί στο υλικό, παραμένει μια οπή όπου πρέπει να πάει ένα ηλεκτρόνιο. Η οπή κινείται εύκολα μέσω της δομής του υλικού, σαν να ήταν φορέας θετικού φορτίου. Σε αυτήν την περίπτωση, οι τρύπες είναι Majority Carrier.

Εφαρμογή ημιαγωγών: Δίοδος

Η δίοδος είναι ένα ηλεκτρονικό συστατικό που αποτελείται από την ένωση δύο εξωγενών κρυστάλλων ημιαγωγών, ένας από τον τύπο Ν και ο άλλος τύπος P. Συνδυάζοντάς τα, μέρος της περίσσειας ηλεκτρονίων τύπου Ν περνά στον κρύσταλλο τύπου Ρ και μέρος των οπών τύπου Ρ περνούν στον κρύσταλλο τύπου Ν. Μια λωρίδα που ονομάζεται Transition Zone δημιουργείται στη διασταύρωση, η οποία έχει ένα ηλεκτρικό πεδίο που συμπεριφέρεται σαν φράγμα που αντιτίθεται στη διέλευση περισσότερων ηλεκτρονίων από τη Ζώνη Ν ​​στη Ζώνη Ρ και των οπών από τη Ζώνη Ρ στη Ζώνη Ν.

Όταν μια Δίοδος είναι συνδεδεμένη σε μια μπαταρία, εμφανίζονται δύο διαφορετικές περιπτώσεις: Προώθηση προς τα εμπρός και Αντίστροφη μεροληψία.

Στην Άμεση πόλωση, ο θετικός πόλος συνδέεται με τον κρύσταλλο P και ο αρνητικός πόλος στον κρύσταλλο Ν. Αυτό καθιστά τη ζώνη μετάβασης πολύ πιο στενή, σπάζοντας το φράγμα και επιτρέποντας την ελεύθερη διέλευση του ρεύματος. Σε αυτήν την κατάσταση, η δίοδος είναι αγώγιμη.

Στην αντίστροφη πόλωση, ο θετικός πόλος συνδέεται με τον κρύσταλλο Ν και ο αρνητικός πόλος με τον κρύσταλλο P. Αυτό καθιστά τη ζώνη μετάβασης πολύ ευρύτερη, ενισχύοντας το φράγμα που αποτρέπει τη διέλευση ρεύματος. Σε αυτήν την περίπτωση, η δίοδος είναι μονωτική.

Οι εφαρμογές της διόδου είναι πολλαπλές. Ωστόσο, η πιο δημοφιλής εφαρμογή είναι αυτή που τη χρησιμοποιεί ως Rectifier. Το Rectifier είναι ένα σύστημα ικανό να μετατρέπει ένα ημιτονοειδές εναλλασσόμενο σήμα εισόδου σε ένα άλλο που έχει την ίδια έννοια, για να μετατρέψει αργότερα το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές ρεύμα. Πριν από την διόρθωση του ρεύματος, χρησιμοποιείται ένας μετασχηματιστής που μειώνει την τιμή της τάσης.

Παραδείγματα Υλικών Ημιαγωγών

Από την ομάδα στην οποία βρίσκονται στον Περιοδικό Πίνακα, αυτά είναι μερικά παραδείγματα στοιχείων ημιαγωγών:

Ομάδα IIIA: Boron B, Aluminium Al, Gallium Ga, Indium In.

ΦΠΑ ομάδας: Silicon Si, Germanium Ge.

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

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