Primjer poluvodičkih materijala

Prema svojoj sposobnosti provođenja električne struje, materijali su podijeljeni u tri kategorije: Provodnici, Izolatori i Poluvodiči. Najistaknutiji primjer vodiča su metali, poput bakra Cu, aluminija Al i srebra Ag; a od izolatora polimeri i staklo. O trećoj klasi bit će riječi sljedeće: poluvodiči.

Električna svojstva poluvodiča spadaju u svojstva izolatora i vodiča.Silicij Si i Germanij Ge dobro su poznati primjeri poluvodiča koji se često koriste u proizvodnji raznih elektroničkih uređaja.. Električna svojstva poluvodiča mogu se mijenjati za nekoliko redova veličine, dodajući kontrolirane količine stranih atoma u materijale.

Poluvodiči se ponašaju kao izolatori na niskim temperaturama, ali ako je to povećano, ponašaju se kao vodiči. Ova dvojnost vodljivosti posljedica je činjenice da su valentni elektroni materijala labavo vezani za svoje jezgre. atomski, ali nedovoljno, tako da će im porast temperature omogućiti da napuste atom da cirkulira kroz atomsku rešetku materijal. Čim elektron napusti atom, na svom mjestu ostavlja rupu koju može popuniti drugi elektron koji je kružio rešetkom.

To je slučaj s prethodno spomenutim kemijskim elementima, Silicij Si i Germanij Ge, koji na posljednjoj razini imaju četiri valentna elektrona. Treba napomenuti da se, za dodavanje energije poluvodičkom materijalu, osim prijenosa topline, može primijeniti i svjetlost.

Za bolje razumijevanje ponašanja poluvodičkih materijala koristit će se Teorija vrpci.

Teorija pojasa

 Koncept Pojas Valencije, koji je akumulirana energija koju posjeduju valentni elektroni.

Uz to, ova teorija obrađuje i definiciju Provodni pojas, kao energija zajedno koju elektroni moraju povući iz svojih atoma. Elektroni koji se nalaze u vodljivom pojasu mogu cirkulirati kroz materijal ako postoji električni napon koji ih pokreće između dviju točaka.

Na temelju dva opsega proučit će se slučajevi dirigenta, izolatora i poluvodiča kako bi imali perspektivu za potonje.

Za dirigent je energija Valencijskog pojasa veća od energije elektrona dirigentnog pojasa. Na takav način da se vrpce preklapaju, a mnogi elektroni Valencije postavljaju se na Kondukciju vrlo lako, a time i s opcijom cirkulacije u sredini.

S druge strane, za izolator je energija vodljivog pojasa puno veća od energije Valencijskog opsega. Ovdje postoji jaz između Valencijskog opsega i vodljivog pojasa, tako da elektroni Valencije ne mogu pristupiti vodljivom opsegu koji će biti prazan. Zbog toga izolator ne provodi. Samo na visokim temperaturama ovi materijali mogu biti provodljivi.

U slučaju poluvodiča, vodljivi opseg je i dalje veći od Valencijskog, ali je jaz između njih znatno manji, tako da s energetskim porastom elektroni Valencije skaču do vodljivog pojasa i mogu cirkulirati kroz medij. Kada elektron skoči iz Valencijskog pojasa u vodljivi pojas, on ostavlja jaje u Valencijskom pojasu koje se također smatra nosačem električne struje.

U poluvodičima se razlikuju dvije vrste nosača električne struje: negativno nabijeni elektroni i rupe, pozitivno nabijeni.

Vrste poluvodiča 

Postoje dvije klase poluvodiča prema njihovoj čistoći. Poluvodički materijali u svom čistom stanju poznati su kao vlastiti poluvodiči; a tu su i Extrinsic Semiconductors, koji su čisti, ali onečišćeni nečistoćama u malim omjerima, poput jedne čestice na svaki milijun.

Taj se postupak kontaminacije naziva dopingom, koji se pak manifestira u dvije vrste.

Prva vrsta dopinga je tip N, u kojem materijal je kontaminiran s valentnih 5 atoma, poput Fosfora P, Arsena As ili Antimona Sb. Uključivanjem petog valentnog elektrona u strukturu četverovalentnih atoma, prisiljen je lutati kroz poluvodički materijal, ne pronalazeći stabilno mjesto gdje Budite smješteni. Skup tih pogrešnih elektrona naziva se većinski elektroni.

Druga vrsta dopinga je tip P, u kojem poluvodički materijal je kontaminiran valentnim atomima 3, kao što su bor B, Gallium Ga ili Indium In. Ako se ovaj atom uvede u materijal, ostaje rupa u koju bi trebao ići elektron. Rupa se lako kreće kroz strukturu materijala, kao da je nositelj pozitivnog naboja. U ovom su slučaju rupe većinski nosači.

Primjena poluvodiča: Dioda

Dioda je elektronička komponenta koja se sastoji od spoja dvaju vanjskih poluvodičkih kristala, jednog tipa N i drugog tipa P. Kad se spoje, dio suvišnih elektrona N-tipa prelazi u kristal P-tipa, a dio rupa P-tipa prelazi u kristal N-tipa. Na spoju se stvara traka zvana Prijelazna zona koja ima električno polje koje se ponaša kao barijera koja se protivi prolasku više elektrona iz zone N u zonu P i rupa iz zone P u zonu N.

Kad je dioda spojena na bateriju, javljaju se dva različita slučaja: prednja pristranost i obrnuta pristranost.

U izravnoj polarizaciji pozitivni pol povezan je s kristalom P, a negativni pol s kristalom N. To prijelaznu zonu čini puno užim, probijajući barijeru i omogućujući slobodan prolaz struje. U ovom stanju dioda je vodljiva.

U obrnutoj polarizaciji pozitivni pol se povezuje s kristalom N, a negativni s kristalom P. To čini prijelazno područje puno širim, ojačavajući barijeru koja sprečava prolazak struje. U ovom je slučaju dioda izolator.

Primjene Diode su višestruke. Međutim, najpopularnija je aplikacija koja ga koristi kao ispravljač. Ispravljač je sustav sposoban pretvoriti sinusoidalni izmjenični ulazni signal u drugi koji ima isti smisao, da bi kasnije izmjeničnu struju pretvorio u istosmjernu. Prije ispravljanja struje koristi se transformator koji smanjuje vrijednost napona.

Primjeri poluvodičkih materijala

Po grupi u kojoj su prisutni u Periodnom sustavu, ovo su neki primjeri poluvodičkih elemenata:

Skupina IIIA: Bor B, Aluminij Al, Galij Ga, Indij In.

Grupni PDV: Silicij Si, Germanij Ge.

Grupa VA: Fosfor P, Arsen As, Antimon Sb.

Skupina VIA: Sumpor S, Selen Se, Telur Te.