Príklad polovodičových materiálov

Podľa schopnosti viesť elektrický prúd sú materiály rozdelené do troch kategórií: vodiče, izolátory a polovodiče. Najvýraznejšími príkladmi vodičov sú kovy, ako je meď Cu, hliník Al a striebro Ag; a z izolantov polyméry a sklo. O tretej triede sa bude diskutovať nižšie: polovodiče.

Elektrické vlastnosti polovodičov patria medzi vlastnosti izolantov a vodičov.Silikón Si a Germanium Ge sú dobre známymi príkladmi polovodičov, ktoré sa často používajú pri výrobe rôznych elektronických zariadení.. Elektrické vlastnosti polovodičov sa môžu meniť o niekoľko rádov, čím sa do materiálov pridávajú kontrolované množstvá cudzích atómov.

Polovodiče sa pri nízkych teplotách správajú ako izolanty, ale ak sa zvýšia, správajú sa ako vodiče. Táto dualita vodivosti je spôsobená skutočnosťou, že valenčné elektróny materiálu sú voľne viazané na príslušné jadrá. atómové, ale nie dostatočne, takže zvýšenie teploty im umožní nechať atóm cirkulovať cez atómovú mriežku materiál. Len čo elektrón opustí atóm, zanechá na svojom mieste dieru, ktorú môže vyplniť iný elektrón, ktorý cirkuloval v mriežke.

To je prípad vyššie uvedených chemických prvkov, kremíka Si a Germánium Ge, ktoré majú na poslednej úrovni štyri valenčné elektróny. Je potrebné poznamenať, že na pridanie energie do polovodičového materiálu sa okrem prenosu tepla môže použiť aj svetlo.

Pre lepšie pochopenie správania sa polovodičových materiálov bude použitá teória pásiem.

Teória pásma

 Koncept Valenciov pás, čo je akumulovaná energia valenčných elektrónov.

Okrem toho táto teória rieši definíciu Vodivé pásmo ako energia, ktorú musia elektróny spoločne stiahnuť zo svojich atómov. Elektróny, ktoré sú vo vodivom pásme, môžu cirkulovať materiálom, ak existuje elektrické napätie, ktoré ich poháňa medzi dvoma bodmi.

Na základe dvoch pásiem sa budú skúmať prípady vodiča, izolátora a polovodiča, aby sme mali perspektívu pre druhý.

Pre vodič je energia vo Valenciovom pásme väčšia ako energia elektrónov vo vodivom páse. Tak, že sa pásy prekrývajú a veľa elektrónov Valencie sa umiestňuje na vedenie veľmi jednoducho, a teda s možnosťou cirkulácie v strede.

Na druhej strane pre izolant je energia vodivého pásma oveľa väčšia ako energia pásma Valencie. Tu je medzera medzi valencijským pásmom a vodivým pásmom, takže elektróny z Valencie nemajú prístup k vodivému pruhu, ktorý bude prázdny. Preto izolant nevedie. Len pri vysokých teplotách môžu byť tieto materiály vodivé.

V prípade polovodičov je vodivé pásmo stále väčšie ako pásmo Valencie, ale rozdiel medzi nimi je podstatne menší, takže s energickým nárastom elektróny Valencie preskočia na vodivý pás a môžu cirkulovať cez médium. Keď elektrón preskočí z Valencijského pásma do Vodivého pásma, zanechá vo Valencijskom pásme vajíčko, ktoré sa tiež považuje za nosič elektrického prúdu.

V polovodičoch sa rozlišujú dva typy nosičov elektrického prúdu: záporne nabité elektróny a kladne nabité diery.

Typy polovodičov 

Existujú dve triedy polovodičov podľa ich čistoty. Polovodičové materiály v ich čistom stave sú známe ako vnútorné polovodiče; a existujú vonkajšie polovodiče, ktoré sú čisté, ale kontaminované nečistotami v nepatrných pomeroch, ako jedna častica z každého milióna.

Tento proces kontaminácie sa nazýva doping, ktorý sa zasa prejavuje v dvoch typoch.

Prvým typom dopingu je typ N, v ktorom materiál je kontaminovaný valenčnými 5 atómami, ako je fosfor P, arzén As alebo antimón Sb. Zapojením piateho valenčného elektrónu do štruktúry štvormocných atómov, je nútený blúdiť polovodičovým materiálom bez toho, aby našiel stabilné miesto, kde Byť umiestnený. Súbor týchto bludných elektrónov sa nazýva majoritné elektróny.

Druhým typom dopingu je typ P, v ktorom polovodičový materiál je kontaminovaný atómami valencie 3, ako je bór B, gálium Ga alebo indium In. Ak sa tento atóm zavedie do materiálu, vznikne diera, kam by mal ísť elektrón. Otvor sa ľahko pohybuje štruktúrou materiálu, ako keby bol nosičom kladného náboja. V tomto prípade sú otvory majoritné nosiče.

Aplikácia polovodičov: Dióda

Dióda je elektronická súčiastka, ktorá pozostáva zo spojenia dvoch vonkajších polovodičových kryštálov, jedného typu N a druhého typu P. Ich spojením časť prebytočných elektrónov typu N prechádza do kryštálu typu P a časť otvorov typu P prechádza do kryštálu typu N. Na križovatke sa vytvorí pás nazývaný prechodová zóna, ktorý má elektrické pole, ktoré sa správa ako a bariéra, ktorá bráni prechodu väčšieho množstva elektrónov zo zóny N do zóny P a dier zo zóny P do zóny N.

Keď je dióda pripojená k batérii, nastanú dva rôzne prípady: Forward Bias a Reverse Bias.

Pri priamej polarizácii je kladný pól pripojený ku kryštálu P a záporný pól k kryštálu N. Tým je prechodová zóna oveľa užšia, čím sa prelomí bariéra a umožní sa voľný prechod prúdu. V tomto stave je dióda vodivá.

Pri reverznej polarizácii sa kladný pól pripája ku kryštálu N a záporný pól ku kryštálu P. Tým je prechodová zóna oveľa širšia, čím sa posilňuje bariéra, ktorá bráni prechodu prúdu. V tomto prípade je dióda izolátorom.

Aplikácie diódy sú viaceré. Najpopulárnejšou aplikáciou je však tá, ktorá ju používa ako usmerňovač. Usmerňovač je systém schopný konvertovať sínusový striedavý vstupný signál na iný, ktorý má rovnaký zmysel, aby neskôr premenil striedavý prúd na jednosmerný prúd. Pred usmernením prúdu sa používa transformátor, ktorý znižuje hodnotu napätia.

Príklady polovodičových materiálov

Podľa skupiny, v ktorej sú prítomné v periodickej tabuľke, sú to niektoré príklady polovodičových prvkov:

Skupina IIIA: Bór B, Al hliník, Gálium Ga, Indium In.

Skupinová DPH: Silicon Si, Germanium Ge.

Skupina VA: Fosfor P, Arzén As, Antimón Sb.

Skupina VIA: Síra S, Selén Se, Telúr Te.