Esimerkki puolijohdemateriaaleista

Materiaalit jaetaan sähkövirran kykynsä mukaan kolmeen luokkaan: johtimet, eristimet ja puolijohteet. Merkittävimpiä esimerkkejä johtimista ovat metallit, kuten kupari Cu, alumiini Al ja hopea Ag; ja eristeistä polymeerit ja lasi. Seuraavaksi keskustellaan kolmannesta luokasta: puolijohteet.

Puolijohteiden sähköiset ominaisuudet kuuluvat eristeiden ja johtimien ominaisuuksiin.Silicon Si ja Germanium Ge ovat tunnettuja esimerkkejä puolijohteista, joita käytetään usein erilaisten elektronisten laitteiden valmistuksessa.. Puolijohteiden sähköisiä ominaisuuksia voidaan muuttaa usealla suuruusluokalla lisäämällä materiaaleihin kontrolloituja määriä vieraita atomeja.

Puolijohteet käyttäytyvät eristeinä matalissa lämpötiloissa, mutta jos niitä kasvatetaan, ne käyttäytyvät johtimina. Tämä johtavuuden kaksinaisuus johtuu siitä, että materiaalin valenssielektronit ovat löyhästi sidoksissa vastaaviin ytimiin. atomi, mutta ei tarpeeksi, jotta lämpötilan nousu antaa heidän jättää atomin kiertämään atomin hilan läpi materiaalia. Heti kun elektroni lähtee atomista, se jättää paikalleen aukon, jonka voi täyttää toinen hilassa kiertävä elektroni.

Tämä koskee aiemmin mainittuja kemiallisia alkuaineita, pii Si ja Germanium Ge, joiden viimeisellä tasolla on neljä valenssielektronia. On huomattava, että energian lisäämiseksi puolijohdemateriaaliin lämmönsiirron lisäksi voidaan käyttää valoa.

Puolijohdemateriaalien käyttäytymisen ymmärtämiseksi paremmin käytetään kaistojen teoriaa.

Bändin teoria

 Käsite Valencia-alue, joka on valenssielektronien kertynyt energia.

Lisäksi tämä teoria käsittelee Johtokanava, koska energia, jonka elektronien on vetäydyttävä atomistaan. Johtokaistalla olevat elektronit voivat kiertää materiaalin läpi, jos sähköinen jännite ohjaa niitä kahden pisteen välillä.

Kahden taajuuden perusteella tutkitaan kapellimestarin, eristimen ja puolijohteen tapauksia, jotta heillä olisi perspektiivi.

Kapellimestarille Valencia-kaistan energia on suurempi kuin johtokunnan elektronien energia. Sillä tavalla, että kaistat menevät päällekkäin ja monet Valencia-elektronit sijoitetaan johtokykyyn hyvin helposti, ja siksi mahdollisuus kiertää keskellä.

Eristimelle puolestaan ​​johtavuuskaistan energia on paljon suurempi kuin Valencia-kaistan energia. Tässä on aukko Valencia-kaistan ja johtokunnan välillä, joten Valencian elektronit eivät pääse käsiksi tyhjään johtokykyalueeseen. Siksi eristin ei johda. Nämä materiaalit voivat olla johtavia vain korkeissa lämpötiloissa.

Puolijohteiden tapauksessa johtokanta on edelleen suurempi kuin Valencia-yhtye, mutta näiden kahden välinen ero on huomattavasti pienempi, niin että energiallisella nousulla Valencian elektronit hyppäävät johtokantaan ja voivat kiertää väliaineen läpi. Kun elektroni hyppää Valencia-kaistalta johtokuntaan, se jättää munan Valencia-alueelle, jota pidetään myös sähkövirran kantajana.

Puolijohteissa erotetaan kahden tyyppiset sähkövirtakantajat: negatiivisesti varautuneet elektronit ja positiivisesti varautuneet reiät.

Puolijohteiden tyypit 

Puolijohteita on kaksi luokkaa niiden puhtauden mukaan. Puolijohdemateriaalit puhtaassa tilassaan tunnetaan sisäisinä puolijohteina; ja on olemassa ulkoisia puolijohteita, jotka ovat puhtaita, mutta epäpuhtauksilla kontaminoituneita pienissä suhteissa, kuten yksi hiukkanen miljoonasta.

Tätä saastumisprosessia kutsutaan dopingiksi, joka puolestaan ​​ilmenee kahdessa tyypissä.

Ensimmäinen tyyppi dopingia on tyyppi N, jossa materiaali on saastunut 5 valenssiatomilla, kuten fosfori P, Arsenic As tai Antimony Sb. Ottamalla mukaan viides valenssielektroni tetravalenttiset atomit, pakotetaan vaeltamaan puolijohdemateriaalin läpi löytämättä vakaa paikka missä Olla sijoitettu. Näiden virheellisten elektronien joukkoa kutsutaan enemmistöelektroneiksi.

Toinen tyyppi dopingia on tyyppi P, jossa puolijohdemateriaali on kontaminoitunut valenssiatomeilla 3, kuten boori B, Gallium Ga tai Indium In. Jos tämä atomi tuodaan materiaaliin, reikä on siellä, missä elektronin pitäisi mennä. Reikä liikkuu helposti materiaalirakenteen läpi, ikään kuin se olisi positiivisen varauksen kantaja. Tässä tapauksessa reiät ovat enemmistön kantajia.

Puolijohdesovellus: diodi

Diodi on elektroninen komponentti, joka koostuu kahden ulkoisen puolijohdekiteen yhdistämisestä, joista toinen on tyyppiä N ja toinen tyyppi P. Liittymällä niihin osa ylimääräisistä N-tyyppisistä elektroneista siirtyy P-tyyppiseen kiteeseen ja osa P-tyyppisistä rei'istä siirtyy N-tyypin kiteisiin. Risteykseen luodaan siirtymäalueeksi kutsuttu nauha, jolla on sähkökenttä, joka käyttäytyy kuten a este, joka vastustaa useampien elektronien kulkua vyöhykkeeltä N vyöhykkeelle P ja reikien kulkemista vyöhykkeeltä P vyöhykkeelle P N.

Kun diodi on kytketty akkuun, tapahtuu kaksi erilaista tapausta: Eteenpäin suuntautuva ja Käänteinen esijännitys.

Suorassa polarisaatiossa positiivinen napa on kytketty kiteeseen P ja negatiivinen napa kiteeseen N. Tämä tekee siirtymävyöhykkeestä paljon kapeamman, murtamalla esteen ja sallimalla virran vapaan kulun. Tässä tilassa diodi on johtava.

Käänteispolarisaatiossa positiivinen napa yhdistyy kiteeseen N ja negatiivinen napa kiteeseen P. Tämä tekee siirtymävyöhykkeestä paljon leveämmän, vahvistamalla estettä, joka estää virran kulkemisen. Tässä tapauksessa diodi on eristävä.

Diodin sovelluksia on useita. Suosituin sovellus on kuitenkin se, joka käyttää sitä tasasuuntaajana. Tasasuuntaaja on järjestelmä, joka pystyy muuntamaan sinimuotoisen vaihtosyöttösignaalin toiseksi, jolla on sama merkitys, muuntaa myöhemmin vaihtovirta tasavirraksi. Ennen virran tasaamista käytetään muuntajaa, joka vähentää jännitteen arvoa.

Esimerkkejä puolijohdemateriaaleista

Ryhmittäin, jossa ne ovat jaksollisessa taulukossa, nämä ovat joitain esimerkkejä puolijohde-elementeistä:

Ryhmä IIIA: Boori B, Alumiini Al, Gallium Ga, Indium In.

Ryhmä-ALV: Pii Si, Germanium Ge.

Ryhmä VA: Fosfori P, Arsenic As, Antimony Sb.

Ryhmä VIA: Rikki S, Seleeni Se, Tellurium Te.