Pusvadītāju materiālu piemērs

Saskaņā ar spēju vadīt elektrisko strāvu materiāli tiek iedalīti trīs kategorijās: vadītāji, izolatori un pusvadītāji. Vissvarīgākais vadītāju piemērs ir metāli, piemēram, varš Cu, alumīnijs Al un sudrabs Ag; un no izolatoriem polimēri un stikls. Tālāk tiks apspriesta trešā klase: pusvadītāji.

Pusvadītāju elektriskās īpašības ir starp izolatoriem un vadītājiem.Silicon Si un Germanium Ge ir labi pazīstami pusvadītāju piemēri, kurus bieži izmanto dažādu elektronisko ierīču ražošanā.. Pusvadītāju elektriskās īpašības var mainīt par vairākām lieluma pakāpēm, pievienojot materiāliem kontrolētu svešo atomu daudzumu.

Pusvadītāji zemā temperatūrā izturas kā izolatori, bet, ja tas tiek palielināts, viņi izturas kā vadītāji. Šī vadītspējas dualitāte ir saistīta ar faktu, ka materiāla valences elektroni ir brīvi piesaistīti to attiecīgajiem kodoliem. atomu, bet nepietiekami, lai temperatūras paaugstināšanās ļautu tiem atstāt atomu cirkulēt caur kodola režģi materiāls. Tiklīdz elektrons atstāj atomu, tas savā vietā atstāj caurumu, kuru var aizpildīt cits režģī cirkulējošais elektrons.

Tas attiecas uz iepriekš pieminētajiem ķīmiskajiem elementiem - Silicon Si un Germanium Ge -, kuru pēdējā līmenī ir četri valences elektroni. Jāatzīmē, ka, lai pievienotu enerģiju pusvadītāju materiālam, papildus siltuma pārnešanai var pielietot arī gaismu.

Lai labāk izprastu pusvadītāju materiālu uzvedību, tiks izmantota joslu teorija.

Grupas teorija

 Jēdziens Valensijas josla, kas ir uzkrātā enerģija, kas piemīt valences elektroniem.

Turklāt šī teorija apstrādā definīciju Vadīšanas josla kā enerģija, kas elektroniem jāatstāj no atomiem. Elektroni, kas atrodas vadīšanas joslā, var cirkulēt caur materiālu, ja starp diviem punktiem tos virza elektriskais spriegums.

Pamatojoties uz abām joslām, tiks pētīti diriģenta, izolatora un pusvadītāja gadījumi, lai tiem būtu perspektīva.

Diriģentam Valensijas joslas enerģija ir lielāka nekā vadīšanas joslas elektroniem. Tādā veidā, ka joslas pārklājas un daudzi Valensijas elektroni tiek ļoti viegli novietoti uz Conduction, un tāpēc ar iespēju cirkulēt pa vidu.

Savukārt izolatoram vadīšanas joslas enerģija ir daudz lielāka nekā Valensijas joslas enerģija. Šeit ir plaisa starp Valensijas joslu un vadīšanas joslu, tāpēc Valensijas elektroni nevar piekļūt vadīšanas joslai, kas būs tukša. Tāpēc izolators nevada. Tikai augstā temperatūrā šie materiāli var būt vadoši.

Pusvadītāju gadījumā vadīšanas josla joprojām ir lielāka nekā Valensijas josla, taču atstarpe starp abiem ir ievērojami mazāka, lai ar enerģētisku pieaugumu Valensijas elektroni pārietu uz Vadīšanas joslu un varētu cirkulēt pa barotni. Kad elektrons lec no Valensijas joslas uz diriģēšanas joslu, tas atstāj olu Valensijas joslā, kas arī tiek uzskatīta par elektriskās strāvas nesēju.

Pusvadītājos tiek izdalīti divu veidu elektriskās strāvas nesēji: negatīvi lādēti elektroni un pozitīvi uzlādēti caurumi.

Pusvadītāju veidi 

Saskaņā ar to tīrību ir divas pusvadītāju klases. Pusvadītāju materiāli tīrā stāvoklī ir pazīstami kā iekšējie pusvadītāji; un ir ārējie pusvadītāji, kas ir tīri, bet piesārņoti ar piemaisījumiem minūšu proporcijās, piemēram, viena daļiņa no katra miljona.

Šo piesārņojuma procesu sauc par dopingu, kas savukārt izpaužas divos veidos.

Pirmais dopinga veids ir N tips, kurā materiāls ir piesārņots ar 5 valences atomiem, piemēram, fosfors P, Arsenic As vai Antimony Sb. Iesaistot piektā valences elektronu četrvērtīgo atomu, ir spiests klīst pa pusvadītāju materiālu, neatrodot stabilu vietu, kur Esi novietots. Šo kļūdaino elektronu kopu sauc par vairākuma elektroniem.

Otrais dopinga veids ir P tips, kurā pusvadītāja materiāls ir piesārņots ar valences atomiem 3, piemēram, Bors B, Gallium Ga vai Indium In. Ja materiālā tiek ievadīts šis atoms, paliek caurums, kur jāiet elektronam. Caurums viegli pārvietojas pa materiāla struktūru, it kā tas būtu pozitīva lādiņa nesējs. Šajā gadījumā caurumi ir vairākuma pārvadātāji.

Pusvadītāju pielietojums: diode

Diods ir elektronisks komponents, kas sastāv no divu ārējo pusvadītāju kristālu savienojuma, no kuriem viens ir N tips un otrs P tips. Pievienojoties tiem, daļa lieko N-veida elektronu pāriet uz P-veida kristālu, bet daļa P-veida caurumu - uz N-veida kristālu. Krustojumā tiek izveidota josla, ko sauc par pārejas zonu, kurai ir elektriskais lauks, kas darbojas kā a barjera, kas iebilst pret vairāku elektronu pāreju no N zonas uz P zonu un caurumu no P zonas uz Zonu N.

Kad diode ir pievienota akumulatoram, notiek divi dažādi gadījumi: uz priekšu un atpakaļgaitu.

Tiešā polarizācijā pozitīvais pols ir savienots ar kristālu P, bet negatīvais - ar kristālu N. Tas padara pārejas zonu daudz šaurāku, pārtraucot barjeru un ļaujot brīvi iziet strāvu. Šajā stāvoklī diode ir vadoša.

Reversajā polarizācijā pozitīvais pols savienojas ar kristālu N, bet negatīvais - ar kristālu P. Tas padara pārejas zonu daudz plašāku, pastiprinot barjeru, kas novērš strāvas pāreju. Šajā gadījumā diode ir izolējoša.

Diodes lietojumprogrammas ir vairākas. Tomēr vispopulārākā lietojumprogramma ir tā, kas to izmanto kā taisngriezi. Taisngriezis ir sistēma, kas spēj sinusoidālu mainīgu ieejas signālu pārveidot citā, kam ir tāda pati jēga, lai vēlāk maiņstrāvu pārveidotu par līdzstrāvu. Pirms strāvas izlīdzināšanas tiek izmantots transformators, kas samazina sprieguma vērtību.

Pusvadītāju materiālu piemēri

Pēc grupas, kurā tie atrodas periodiskajā tabulā, šie ir daži pusvadītāju elementu piemēri:

IIIA grupa: Bors B, alumīnija Al, Gallium Ga, Indium In.

Grupas PVN: Silicon Si, Germanium Ge.

VA grupa: P fosfors, Arsēns As, Antimons Sb.

VIA grupa: Sērs S, Selēns Se, Tellūrijs Te.