Exemplu de materiale semiconductoare

În funcție de capacitatea lor de a conduce curentul electric, materialele sunt împărțite în trei categorii: conductoare, izolatoare și semiconductoare. Cele mai proeminente exemple de conductori sunt metalele, cum ar fi cuprul Cu, aluminiul Al și argintul Ag; iar a izolatorilor polimerii si sticla. A treia clasă va fi discutată mai jos: semiconductori.

Proprietățile electrice ale semiconductorilor se numără printre cele ale izolatorilor și conductoarelor.Siliciul Si și Germanium Ge sunt exemple bine cunoscute de semiconductori care sunt utilizate frecvent la fabricarea unei varietăți de dispozitive electronice.. Proprietățile electrice ale semiconductorilor pot fi modificate cu mai multe ordine de mărime, adăugând cantități controlate de atomi străini materialelor.

Semiconductorii se comportă ca izolatori la temperaturi scăzute, dar dacă acesta este crescut, se comportă ca conductori. Această dualitate de conductivitate se datorează faptului că electronii de valență ai materialului sunt legați lejer de nucleele lor respective. atomice, dar nu suficient, astfel încât creșterea temperaturii le va permite să părăsească atomul să circule prin rețeaua atomică a material. De îndată ce un electron părăsește un atom, el lasă în locul său o gaură care poate fi umplută de un alt electron care circula în rețea.

Este cazul elementelor chimice menționate anterior, Siliciul Si și Germanium Ge, care au patru electroni de valență la ultimul lor nivel. Trebuie remarcat faptul că, pentru a adăuga energie materialului semiconductor, pe lângă transferul de căldură, se poate aplica și lumină.

Pentru a înțelege mai bine comportamentul materialelor semiconductoare, se va folosi Teoria benzilor.

Teoria benzilor

 Conceptul de Banda Valencia, care este energia acumulată deținută de electronii de valență.

În plus, această teorie se ocupă de definiția Banda de conducție, ca energia împreună pe care electronii o au pentru a o retrage din atomii lor. Electronii care se află în banda de conducție pot circula prin material dacă există o tensiune electrică care îi conduce între două puncte.

Pe baza celor două benzi, se vor studia cazurile Conductor, Izolator și Semiconductor pentru a avea o perspectivă pentru acesta din urmă.

Pentru un conductor, energia benzii Valencia este mai mare decât cea a electronilor benzii de conducție. În așa fel încât benzile să se suprapună și mulți electroni Valencia să fie plasați pe Conducție foarte ușor și, prin urmare, cu opțiunea de a circula în mijloc.

Pentru un izolator, pe de altă parte, energia benzii de conducție este mult mai mare decât energia benzii Valencia. Aici există un decalaj între Banda Valencia și Banda de Conducție, astfel încât electronii din Valencia nu pot accesa Banda de Conducție care va fi goală. De aceea izolatorul nu conduce. Numai la temperaturi ridicate aceste materiale pot fi conductoare.

În cazul semiconductoarelor, banda de conducție este încă mai mare decât banda Valencia, dar decalajul dintre cele două este considerabil mai mic, astfel incat cu o crestere energetica, electronii Valencia sar la Banda de Conductie si pot circula prin mediu. Când un electron sare din Banda Valencia în Banda de Conducție, lasă un ou în Banda Valencia care este, de asemenea, considerată purtătoare de curent electric.

În semiconductori, se disting două tipuri de purtători de curent electric: electroni încărcați negativ și găuri, încărcați pozitiv.

Tipuri de semiconductoare 

Există două clase de semiconductori în funcție de puritatea lor. Materialele semiconductoare în stare pură sunt cunoscute ca semiconductori intrinseci; și există semiconductori extrinseci, care sunt puri, dar contaminați cu impurități în proporții mici, ca o particulă la fiecare milion.

Acest proces de contaminare se numește Doping, care la rândul său se manifestă în două tipuri.

Primul tip de dopaj este tipul N, in care materialul este contaminat cu valență 5 atomi, cum ar fi Fosfor P, Arsenic As sau Antimoniu Sb. Prin implicarea celui de-al cincilea electron de valență în structura atomi tetravalenți, este forțat să rătăcească prin materialul semiconductor, fără a găsi un loc stabil unde Fii plasat. Setul acestor electroni rătăciți se numește electroni majoritari.

Al doilea tip de dopaj este tipul P, in care materialul semiconductor este contaminat cu atomi de valență 3, cum ar fi Bor B, Gallium Ga sau Indiu In. Dacă acest atom este introdus în material, există o gaură în care ar trebui să meargă un electron. Gaura se deplasează cu ușurință prin structura materialului, ca și cum ar fi un purtător de sarcină pozitivă. În acest caz, găurile sunt Majority Carriers.

Aplicație semiconductoare: Diodă

Dioda este o componentă electronică care constă din unirea a două cristale semiconductoare extrinseci, unul de tip N și celălalt de tip P. Prin unirea lor, o parte din excesul de electroni de tip N trec la cristalul de tip P, iar o parte din găurile de tip P trec la cristalul de tip N. La joncțiune este creată o bandă numită Zona de tranziție, care are un câmp electric care se comportă ca a barieră care se opune trecerii mai multor electroni din Zona N în Zona P și a găurilor din Zona P în Zona N.

Când o diodă este conectată la o baterie, apar două cazuri diferite: polarizare directă și polarizare inversă.

În polarizarea directă, polul pozitiv este conectat la cristalul P, iar polul negativ la cristalul N. Acest lucru face zona de tranziție mult mai îngustă, rupând bariera și permițând trecerea liberă a curentului. În această stare, dioda este conductivă.

În polarizarea inversă, polul pozitiv se conectează la cristalul N, iar polul negativ la cristalul P. Acest lucru face zona de tranziție mult mai largă, întărind bariera care împiedică trecerea curentului. În acest caz, dioda este izolatoare.

Aplicațiile diodei sunt multiple. Cu toate acestea, cea mai populară aplicație este cea care o folosește ca Redresor. Un redresor este un sistem capabil să transforme un semnal de intrare alternativ sinusoidal într-un altul care are același sens, pentru a converti ulterior curentul alternativ în curent continuu. Inainte de redresarea curentului se foloseste un transformator care reduce valoarea tensiunii.

Exemple de materiale semiconductoare

După grupul în care sunt prezenți în Tabelul Periodic, acestea sunt câteva exemple de elemente semiconductoare:

Grupa IIIA: Bor B, Aluminiu Al, Galiu Ga, Indiu In.

TVA de grup: Silicon Si, Germanium Ge.

Grupa VA: Fosfor P, Arsenic As, Antimoniu Sb.

Grupa VIA: Sulfur S, Seleniu Se, Telur Te.