Przykład materiałów półprzewodnikowych

W zależności od zdolności przewodzenia prądu elektrycznego materiały dzielą się na trzy kategorie: przewodniki, izolatory i półprzewodniki. Najbardziej znanymi przykładami przewodników są metale, takie jak miedź Cu, aluminium Al i srebro Ag; a izolatorów polimery i szkło. Trzecia klasa zostanie omówiona poniżej: półprzewodniki.

Właściwości elektryczne półprzewodników należą do właściwości izolatorów i przewodników.Krzem Si i German Ge są dobrze znanymi przykładami półprzewodników, które są często używane w produkcji różnych urządzeń elektronicznych.. Właściwości elektryczne półprzewodników można zmieniać o kilka rzędów wielkości, dodając do materiałów kontrolowane ilości obcych atomów.

Półprzewodniki zachowują się jak izolatory w niskich temperaturach, ale jeśli jest to zwiększone, zachowują się jak przewodniki. Ta dwoistość przewodnictwa wynika z faktu, że elektrony walencyjne materiału są luźno związane z ich odpowiednimi jądrami. atomowe, ale nie na tyle, aby wzrost temperatury pozwolił im opuścić atom i krążyć w sieci atomowej materiał. Gdy tylko elektron opuści atom, pozostawia w swoim miejscu dziurę, którą może wypełnić inny elektron, który krążył w sieci.

Tak jest w przypadku wspomnianych wcześniej pierwiastków chemicznych, krzemu Si i germanu Ge, które mają cztery elektrony walencyjne na swoim ostatnim poziomie. Należy zauważyć, że w celu dodania energii do materiału półprzewodnikowego, oprócz przenoszenia ciepła, można zastosować światło.

Aby lepiej zrozumieć zachowanie materiałów półprzewodnikowych, wykorzystana zostanie teoria pasm.

Teoria pasmowa

 Pojęcie Pasmo Walencji, czyli skumulowana energia posiadana przez elektrony walencyjne.

Ponadto teoria ta obsługuje definicję Pasmo przewodnictwa, jako łączna energia, którą elektrony muszą wycofać ze swoich atomów. Elektrony znajdujące się w paśmie przewodnictwa mogą krążyć w materiale, jeśli istnieje napięcie elektryczne, które kieruje je między dwoma punktami.

W oparciu o te dwa pasma zbadane zostaną przypadki przewodnika, izolatora i półprzewodnika, aby mieć perspektywę dla tego drugiego.

Dla przewodnika energia pasma Walencji jest większa niż energia elektronów pasma przewodnictwa. W taki sposób, że pasma zachodzą na siebie i wiele elektronów Walencji jest bardzo łatwo umieszczanych na Przewodnictwie, a co za tym idzie, z możliwością cyrkulacji w środku.

Z drugiej strony, dla izolatora energia pasma przewodnictwa jest znacznie większa niż energia pasma Walencji. Tutaj istnieje luka między Pasmem Walencji a Pasmem Przewodnictwa, tak że elektrony Walencji nie mają dostępu do Pasma Przewodnictwa, które będzie puste. Dlatego izolator nie przewodzi. Tylko w wysokich temperaturach materiały te mogą przewodzić prąd.

W przypadku półprzewodników pasmo przewodnictwa jest nadal większe niż pasmo Walencji, ale różnica między nimi jest znacznie mniejsza, tak, że przy wzroście energetycznym elektrony Walencji przeskakują do pasma przewodnictwa i mogą krążyć w ośrodku. Kiedy elektron przeskakuje z pasma Walencji do pasma przewodnictwa, pozostawia w nim jajko, które jest również uważane za nośnik prądu elektrycznego.

W półprzewodnikach wyróżnia się dwa rodzaje nośników prądu elektrycznego: elektrony naładowane ujemnie oraz dziury naładowane dodatnio.

Rodzaje półprzewodników 

Istnieją dwie klasy półprzewodników w zależności od ich czystości. Materiały półprzewodnikowe w stanie czystym znane są jako półprzewodniki samoistne; i istnieją zewnętrzne półprzewodniki, które są czyste, ale zanieczyszczone zanieczyszczeniami w niewielkich proporcjach, jak jedna cząsteczka na milion.

Ten proces zanieczyszczenia nazywa się dopingiem, który z kolei przejawia się w dwóch rodzajach.

Pierwszy rodzaj dopingu to typ N, w którym materiał jest zanieczyszczony walencją 5 atomów, takich jak Fosfor P, Arsen As lub Antymon Sb. Poprzez włączenie piątego elektronu walencyjnego w strukturę atomów czterowartościowych, zmuszony jest wędrować przez materiał półprzewodnikowy, nie znajdując stabilnego miejsca, w którym Umiejscawiać się. Zbiór tych błędnych elektronów nazywa się większością elektronów.

Drugi rodzaj dopingu to typ P, w którym materiał półprzewodnikowy jest zanieczyszczony atomami o wartościowości 3, takich jak Bor B, Gal Ga lub Ind In. Jeśli ten atom zostanie wprowadzony do materiału, to jest dziura, w którą powinien trafić elektron. Otwór swobodnie porusza się po strukturze materiału, jakby był nośnikiem ładunku dodatniego. W tym przypadku dziury to nośniki większościowe.

Zastosowanie półprzewodników: dioda

Dioda jest elementem elektronicznym, który składa się z połączenia dwóch zewnętrznych kryształów półprzewodnikowych, jednego typu N, a drugiego typu P. Łącząc je, część nadmiaru elektronów typu N przechodzi do kryształu typu P, a część dziur typu P przechodzi do kryształu typu N. Na skrzyżowaniu tworzony jest pasek zwany Strefą Przejściową, który ma pole elektryczne, które zachowuje się jak bariera przeciwstawiająca się przejściu większej liczby elektronów ze strefy N do strefy P oraz dziur ze strefy P do strefy N.

Gdy dioda jest podłączona do akumulatora, występują dwa różne przypadki: przesunięcie w przód i przesunięcie wsteczne.

W polaryzacji bezpośredniej biegun dodatni jest połączony z kryształem P, a biegun ujemny z kryształem N. Dzięki temu strefa przejścia jest znacznie węższa, przełamując barierę i umożliwiając swobodny przepływ prądu. W tym stanie dioda jest przewodząca.

W polaryzacji odwrotnej biegun dodatni łączy się z kryształem N, a biegun ujemny z kryształem P. To sprawia, że ​​strefa przejściowa jest znacznie szersza, wzmacniając barierę uniemożliwiającą przepływ prądu. W tym przypadku dioda jest izolatorem.

Zastosowania diody są wielorakie. Jednak najpopularniejszą aplikacją jest ta, która używa go jako Rectifier. Prostownik to system zdolny do konwersji sinusoidalnego przemiennego sygnału wejściowego na inny, który ma ten sam sens, aby później przekształcić prąd przemienny w prąd stały. Przed wyprostowaniem prądu stosuje się transformator, który zmniejsza wartość napięcia.

Przykłady materiałów półprzewodnikowych

Według grupy, w której występują w układzie okresowym, są to przykłady elementów półprzewodnikowych:

Grupa IIIA: Bor B, Aluminium Al, Gal Ga, Ind In.

VAT grupowy: Krzem Si, German Ge.

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

Grupa VIA: Siarka S, Selen Se, Tellurium Te.