Primer polprevodniških materialov

Glede na sposobnost prevajanja električnega toka so materiali razdeljeni v tri kategorije: prevodniki, izolatorji in polprevodniki. Najvidnejši primeri prevodnikov so kovine, kot so baker Cu, aluminij Al in srebro Ag; od izolatorjev pa polimeri in steklo. Tretji razred bo obravnavan v nadaljevanju: polprevodniki.

Električne lastnosti polprevodnikov spadajo med lastnosti izolatorjev in prevodnikov.Silicij Si in germanij Ge sta dobro znana primera polprevodnikov, ki se pogosto uporabljata pri izdelavi različnih elektronskih naprav.. Električne lastnosti polprevodnikov se lahko spremenijo za več vrst velikosti, pri čemer se materialom dodajo nadzorovane količine tujih atomov.

Polprevodniki se pri nizkih temperaturah obnašajo kot izolatorji, če pa se ta poveča, se obnašajo kot prevodniki. Ta dvojnost prevodnosti je posledica dejstva, da so valenčni elektroni materiala ohlapno vezani na svoja jedra. atomski, vendar ne dovolj, tako da jim bo dvig temperature omogočil, da zapustijo atom, da kroži skozi atomsko mrežo material. Takoj ko elektron zapusti atom, pusti na svojem mestu luknjo, ki jo lahko zapolni drug elektron, ki je krožil v mreži.

To velja za prej omenjena kemična elementa, silicij Si in germanij Ge, ki imata na zadnji ravni štiri valenčne elektrone. Treba je opozoriti, da se za dodajanje energije polprevodniškemu materialu poleg prenosa toplote lahko uporabi tudi svetloba.

Za boljše razumevanje obnašanja polprevodniških materialov bo uporabljena teorija pasov.

Teorija pasov

 Koncept oz Valencijski pas, ki je akumulirana energija, ki jo imajo valenčni elektroni.

Poleg tega ta teorija obravnava definicijo Prevodni pas, kot energija skupaj, ki jo morajo elektroni umakniti iz svojih atomov. Elektroni, ki so v prevodnem pasu, lahko krožijo skozi material, če obstaja električna napetost, ki jih poganja med dvema točkama.

Na podlagi obeh pasov bodo proučeni primeri prevodnika, izolatorja in polprevodnika, da bi imeli perspektivo za slednje.

Za prevodnik je energija pasu Valencia večja od energije elektronov prevodnega pasu. Na način, da se pasovi prekrivajo in se številni elektroni Valencia zelo enostavno namestijo na prevodnost in zato z možnostjo kroženja po sredini.

Za izolator je po drugi strani energija prevodnega pasu veliko večja od energije pasu Valencia. Tukaj je vrzel med pasom Valencia in prevodnim pasom, tako da elektroni Valencie ne morejo dostopati do prevodnega pasu, ki bo prazen. Zato izolator ne prevaja. Samo pri visokih temperaturah so ti materiali lahko prevodni.

V primeru polprevodnikov je prevodni pas še vedno večji od pasu v Valencii, vendar je vrzel med obema bistveno manjša, tako da ob energijskem povečanju elektroni Valencie skočijo na prevodni pas in lahko krožijo skozi medij. Ko elektron skoči iz pasu Valencia v prevodni pas, pusti jajce v pasu Valencia, ki se prav tako šteje za nosilca električnega toka.

V polprevodnikih ločimo dve vrsti nosilcev električnega toka: negativno nabiti elektroni in pozitivno nabiti luknje.

Vrste polprevodnikov 

Glede na čistost obstajata dva razreda polprevodnikov. Polprevodniški materiali v čistem stanju so znani kot intrinzični polprevodniki; in obstajajo zunanji polprevodniki, ki so čisti, a kontaminirani z nečistočami v majhnih razmerjih, kot en delec na vsak milijon.

Ta proces kontaminacije se imenuje doping, ki se kaže v dveh vrstah.

Prva vrsta dopinga je tip N, v katerem material je kontaminiran z valentnimi 5 atomi, kot so fosfor P, arzen As ali antimon Sb. Z vključitvijo petega valentnega elektrona v strukturo štirivalentnih atomov, je prisiljen tavati skozi polprevodniški material, ne da bi našel stabilno mesto, kjer Bodite postavljeni. Množica teh motečih elektronov se imenuje večinski elektroni.

Druga vrsta dopinga je tip P, v katerem polprevodniški material je kontaminiran z atomi valence 3, kot so bor B, Galij Ga ali Indij In. Če ta atom vnesemo v material, obstaja luknja, kamor naj gre elektron. Luknja se zlahka premika skozi strukturo materiala, kot da bi bil nosilec pozitivnega naboja. V tem primeru so luknje večinski nosilci.

Uporaba polprevodnikov: dioda

Dioda je elektronska komponenta, ki je sestavljena iz združitve dveh zunanjih polprevodniških kristalov, enega tipa N in drugega tipa P. Z združitvijo del presežnih elektronov N-tipa preide na kristal P-tipa, del lukenj P-tipa pa na kristal N-tipa. Na stičišču se ustvari trak, imenovan prehodno območje, ki ima električno polje, ki se obnaša kot ovira, ki nasprotuje prehodu več elektronov iz cone N v cono P in lukenj iz cone P v cono N.

Ko je dioda priključena na baterijo, se pojavita dva različna primera: prednapetost in povratna pristranskost.

Pri neposredni polarizaciji je pozitivni pol povezan s kristalom P, negativni pol pa s kristalom N. To naredi prehodno območje veliko ožje, razbije oviro in omogoči prost prehod toka. V tem stanju je dioda prevodna.

Pri povratni polarizaciji se pozitivni pol poveže s kristalom N, negativni pol pa s kristalom P. To naredi prehodno območje veliko širše in okrepi pregrado, ki preprečuje prehod toka. V tem primeru je dioda izolator.

Uporaba diode je večplastna. Vendar je najbolj priljubljena aplikacija tista, ki jo uporablja kot usmernik. Usmernik je sistem, ki lahko pretvori sinusni izmenični vhodni signal v drugega, ki ima enak smisel, da pozneje pretvori izmenični tok v enosmerni. Pred popravljanjem toka se uporabi transformator, ki zmanjša vrednost napetosti.

Primeri polprevodniških materialov

Glede na skupino, v kateri so prisotni v periodnem sistemu, je to nekaj primerov polprevodniških elementov:

Skupina IIIA: Bor B, Aluminij Al, Galij Ga, Indij In.

Skupinski DDV: Silicon Si, Germanium Ge.

Skupina VA: Fosfor P, Arzen As, Antimon Sb.

Skupina VIA: Žveplo S, Selen Se, Telur Te.