Príklad polovodičových materiálov

Podľa schopnosti viesť elektrický prúd sú materiály rozdelené do troch kategórií: Vodiče, Izolátory a Polovodiče. Najvýznamnejším príkladom vodičov sú kovy, napríklad meď Cu, hliník Al a striebro Ag; a izolantov polyméry a sklo. Ďalej sa bude diskutovať o tretej triede: polovodiče.

Elektrické vlastnosti polovodičov patria medzi izolátory a vodiče.Kremík Si a Germanium Ge sú dobre známe príklady polovodičov, ktoré sa často používajú pri výrobe rôznych elektronických zariadení.. Elektrické vlastnosti polovodičov je možné meniť o niekoľko rádov, pričom sa k materiálom pridá regulované množstvo cudzích atómov.

Polovodiče sa pri nízkych teplotách správajú ako izolátory, ale ak sa ich zvýši, správajú sa ako vodiče. Táto dualita vodivosti je spôsobená skutočnosťou, že valenčné elektróny materiálu sú voľne viazané na príslušné jadrá. atómová, ale nie dostatočná, aby im zvýšenie teploty umožnilo nechať atóm cirkulovať cez atómovú mriežku materiál. Len čo elektrón opustí atóm, opustí na svojom mieste dieru, ktorú môže vyplniť ďalší elektrón, ktorý cirkuloval v mriežke.

To je prípad vyššie spomenutých chemických prvkov, kremíka Si a Germanium Ge, ktoré majú na poslednej úrovni štyri valenčné elektróny. Je potrebné poznamenať, že na doplnenie energie do polovodičového materiálu je možné okrem prenosu tepla aplikovať aj svetlo.

Pre lepšie pochopenie správania sa polovodičových materiálov bude použitá Teória kapiel.

Teória pásma

 Koncepcia Valencia pásmo, čo je akumulovaná energia vlastnená valenčnými elektrónmi.

Táto teória navyše pojednáva o definícii Vodivé pásmo, ako energia, ktorú musia spoločne elektróny sťahovať zo svojich atómov. Elektróny, ktoré sú vo vodivom pásme, môžu cirkulovať cez materiál, ak existuje elektrické napätie, ktoré ich poháňa medzi dvoma bodmi.

Na základe týchto dvoch skupín sa budú študovať prípady vodičov, izolátorov a polovodičov, aby sa získala perspektíva pre tieto druhé skupiny.

Pre dirigenta je energia pásma Valencia väčšia ako energia elektrónov pásma vedenia. Tak, že sa pásma prekrývajú a veľa elektrónov Valencie sa umiestňuje na vedenie veľmi ľahko, a teda s možnosťou cirkulácie v strede.

Pre izolant je na druhej strane energia pásma vedenia oveľa väčšia ako energia pásma Valencia. Tu existuje medzera medzi pásmom Valencia a pásmom vodivosti, takže elektróny Valencie nemôžu získať prístup k pásmu vodivosti, ktoré bude prázdne. Preto izolant nekoná. Iba pri vysokých teplotách môžu byť tieto materiály vodivé.

V prípade polovodičov je pásmo vodivosti stále väčšie ako pásmo Valencia, ale medzera medzi nimi je podstatne menšia, takže s energetickým nárastom elektróny z Valencie skočia do vodivého pásma a môžu cirkulovať cez médium. Keď elektrón skočí z pásma Valencia do pásma vedenia, zanechá vajíčko vo pásme Valencia, ktoré sa tiež považuje za nosič elektrického prúdu.

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

Druhy polovodičov 

Podľa čistoty existujú dve triedy polovodičov. Polovodičové materiály v čistom stave sú známe ako Intrinsic Semiconductors; a existujú aj Extrinsic Semiconductors, ktoré sú čisté, ale kontaminované nečistotami v nepatrných množstvách, ako jedna častica na milión.

Tento proces kontaminácie sa nazýva doping, ktorý sa naopak prejavuje dvoma typmi.

Prvý typ dopingu je typu N, v ktorom materiál je kontaminovaný valenčnými 5 atómami, ako je fosfor P, arzén As alebo Antimony Sb. Zapojením piateho valenčného elektrónu do štruktúry štvormocné atómy, je nútený túlať sa polovodičovým materiálom bez toho, aby našiel stabilné miesto kde Byť umiestnený. Sada týchto chybných elektrónov sa nazýva Majority Electrons.

Druhým typom dopingu je typ P, v ktorom polovodičový materiál je kontaminovaný atómami valencie 3, napríklad Boron B, Gallium Ga alebo Indium In. Ak je tento atóm zavedený do materiálu, zostáva otvor, kam by mal ísť elektrón. Otvor sa ľahko pohybuje cez štruktúru materiálu, akoby bol nositeľom kladného náboja. V tomto prípade sú to otvory Majority Carriers.

Polovodičové použitie: dióda

Dióda je elektronický komponent, ktorý sa skladá zo spojenia dvoch vonkajších polovodičových kryštálov, jedného typu N a druhého typu P. Po spojení 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, ktorý sa nazýva Prechodná zóna a ktorý má elektrické pole, ktoré sa správa ako a bariéra, ktorá bráni prechodu ďalších elektrónov zo zóny N do zóny P a otvorov zo zóny P do zóny N.

Keď je dióda pripojená k batérii, môžu nastať dva rôzne prípady: predpätie vpred a spätné vychýlenie.

Pri priamej polarizácii je kladný pól spojený s kryštálom P a záporný pól s kryštálom N. Toto robí prechodovú zónu oveľa užšou, prelomí bariéru a umožní voľný priechod prúdu. V tomto stave je dióda vodivá.

Pri reverznej polarizácii sa kladný pól pripája k kryštálu N a záporný pól ku kryštálu P. To robí prechodovú zónu oveľa širšou a posilňuje bariéru, ktorá bráni prechodu prúdu. V tomto prípade je dióda izolátor.

Aplikácia diódy je rozmanitá. Najobľúbenejšou aplikáciou je však aplikácia, ktorá ju používa ako usmerňovač. Usmerňovač je systém schopný prevádzať sínusový striedavý vstupný signál na iný, ktorý má rovnaký zmysel, a neskôr prevádzať striedavý prúd na jednosmerný. Pred usmernením prúdu sa použije transformátor, ktorý znižuje hodnotu napätia.

Príklady polovodičových materiálov

Podľa skupiny, v ktorej sú uvedené v periodickej tabuľke, je to niekoľko príkladov polovodičových prvkov:

Skupina IIIA: Bór B, hliník Al, gálium Ga, indium v.

Skupinová DPH: Silicon Si, Germanium Ge.

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

Skupina VIA: Síra S, Selenium Se, Tellurium Te.