Eksempel på halvledermaterialer

I henhold til deres evne til å lede elektrisk strøm, er materialer delt inn i tre kategorier: ledere, isolatorer og halvledere. De mest fremtredende eksemplene på ledere er metaller, som kobber Cu, aluminium Al og sølv Ag; og av isolatorene polymerene og glasset. Den tredje klassen vil bli diskutert nedenfor: halvledere.

De elektriske egenskapene til halvledere er blant de til isolatorer og ledere.Silicon Si og Germanium Ge er velkjente eksempler på halvledere som ofte brukes i produksjonen av en rekke elektroniske enheter.. De elektriske egenskapene til halvledere kan endres i flere størrelsesordener, og legger kontrollerte mengder fremmede atomer til materialer.

Halvledere oppfører seg som isolatorer ved lave temperaturer, men hvis dette økes, oppfører de seg som ledere. Denne dualiteten av ledningsevne skyldes det faktum at valenselektronene til materialet er løst bundet til deres respektive kjerner. atom, men ikke nok, slik at temperaturstigningen vil tillate dem å forlate atomet for å sirkulere gjennom atomgitteret til materiale. Så snart et elektron forlater et atom, etterlater det et hull i stedet som kan fylles av et annet elektron som sirkulerte i gitteret.

Dette er tilfellet med de tidligere nevnte kjemiske grunnstoffene, Silicon Si og Germanium Ge, som har fire valenselektroner på sitt siste nivå. Det skal bemerkes at for å tilføre energi til halvledermaterialet, i tillegg til varmeoverføring, kan lys påføres.

For å bedre forstå oppførselen til halvledermaterialer, vil Theory of Bands bli brukt.

Bandteori

 Konseptet av Valencia-båndet, som er den akkumulerte energien som besittes av valenselektroner.

I tillegg håndterer denne teorien definisjonen av Conduction Band, som energien sammen som elektroner må trekke seg fra atomene sine. Elektronene som er i ledningsbåndet kan sirkulere gjennom materialet hvis det er en elektrisk spenning som driver dem mellom to punkter.

Basert på de to båndene vil casene Conductor, Insulator og Semiconductor bli studert for å ha et perspektiv for sistnevnte.

For en leder er energien til Valencia-båndet større enn energien til elektronene i ledningsbåndet. På en slik måte at båndene overlapper hverandre og mange Valencia-elektroner plasseres på Conduction veldig enkelt, og derfor med mulighet for å sirkulere i midten.

For en isolator, derimot, er energien til ledningsbåndet mye større enn energien til Valencia-båndet. Her er det et gap mellom Valencia Band og Conduction Band, slik at Valencia-elektronene ikke får tilgang til Conduction Band som vil være tomt. Det er derfor isolatoren ikke leder. Bare ved høye temperaturer kan disse materialene være ledende.

Når det gjelder Semiconductors, er Conduction Band fortsatt større enn Valencia Band, men gapet mellom de to er betydelig mindre, slik at med en energisk økning hopper Valencia-elektronene til ledningsbåndet og kan sirkulere gjennom mediet. Når et elektron hopper fra Valencia-båndet til ledningsbåndet, etterlater det et egg i Valencia-båndet som også regnes som en bærer av elektrisk strøm.

I halvledere skilles to typer elektriske strømbærere: negativt ladede elektroner og hull positivt ladede.

Typer halvledere 

Det er to klasser av halvledere i henhold til deres renhet. Halvledermaterialer i deres rene tilstand er kjent som Intrinsic Semiconductors; og det er ekstrinsiske halvledere, som er rene, men forurenset med urenheter i små proporsjoner, som én partikkel i hver million.

Denne forurensningsprosessen kalles doping, som igjen viser seg i to typer.

Den første typen doping er Type N, hvori materialet er forurenset med valens 5 atomer, slik som Fosfor P, Arsenic As eller Antimon Sb. Ved å involvere det femte valenselektronet i strukturen til tetravalente atomer, tvinges til å vandre gjennom halvledermaterialet, uten å finne et stabilt sted hvor Bli plassert. Settet med disse feilende elektronene kalles majoritetselektroner.

Den andre typen doping er Type P, hvori halvledermaterialet er forurenset med atomer med valens 3, slik som Boron B, Gallium Ga eller Indium In. Hvis dette atomet blir introdusert i materialet, er det et hull der et elektron skal gå. Hullet beveger seg lett gjennom strukturen til materialet, som om det var en bærer av positiv ladning. I dette tilfellet er hullene Majority Carriers.

Halvlederapplikasjon: Diode

Dioden er en elektronisk komponent som består av foreningen av to ekstrinsiske halvlederkrystaller, en av type N og den andre type P. Ved å sammenføye dem passerer en del av overskuddet av N-type elektroner til P-type krystall, og en del av P-type hull passerer til N-type krystall. En stripe kalt overgangssonen lages i krysset, som har et elektrisk felt som oppfører seg som en barriere som motsetter passasjen av flere elektroner fra sone N til sone P og av hull fra sone P til sone N.

Når en diode kobles til et batteri, oppstår to forskjellige tilfeller: Forward Bias og Reverse Bias.

I direkte polarisering er den positive polen koblet til krystall P og den negative polen til krystall N. Dette gjør overgangssonen mye smalere, bryter barrieren og tillater fri passasje av strømmen. I denne tilstanden er dioden ledende.

I omvendt polarisering kobles den positive polen til krystall N og den negative polen til krystall P. Dette gjør overgangssonen mye bredere, og forsterker barrieren som hindrer strømgjennomgang. I dette tilfellet er dioden isolator.

Applikasjonene til dioden er flere. Den mest populære applikasjonen er imidlertid den som bruker den som en likeretter. En likeretter er et system som er i stand til å konvertere et sinusformet vekselinngangssignal til et annet som har samme betydning, for senere å konvertere vekselstrøm til likestrøm. Før likeretting av strømmen brukes en transformator som reduserer spenningsverdien.

Eksempler på halvledermaterialer

Etter gruppen der de er til stede i det periodiske systemet, er dette noen eksempler på halvlederelementer:

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

Gruppe mva: Silicon Si, Germanium Ge.

Gruppe VA: Fosfor P, Arsenic As, Antimon Sb.

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