Primer polprevodniških materialov

Glede na sposobnost prevajanja električnega toka so materiali razdeljeni v tri kategorije: prevodniki, izolatorji in polprevodniki. Najvidnejši primeri vodnikov 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 vodnikov.Silicon Si in Germanium Ge sta dobro znana primera polprevodnikov, ki se pogosto uporabljajo pri izdelavi različnih elektronskih naprav.. Električne lastnosti polprevodnikov je mogoče spremeniti za več vrst velikosti, tako da materialom dodamo nadzorovane količine tujih atomov.

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

To je primer prej omenjenih kemičnih elementov, Silicon Si in Germanium Ge, ki imajo na zadnji ravni štiri valenčne elektrone. Upoštevati je treba, da se za dodajanje energije polprevodniškemu materialu poleg prenosa toplote lahko uporablja tudi svetloba.

Za boljše razumevanje vedenja polprevodniških materialov bomo uporabili teorijo pasov.

Teorija pasov

 Koncept Pas Valencia, ki je nakopičena energija, ki jo imajo valentni 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 je med dvema točkama električna napetost.

Na podlagi obeh pasov bomo preučili primere dirigentov, izolatorjev in polprevodnikov, da bi imeli perspektivo za slednje.

Pri dirigentu je energija pasu Valencia večja od energije elektronov dirigenta. Tako, da se pasovi prekrivajo in je veliko elektronov Valencije postavljeno na prevodnost zelo enostavno in zato z možnostjo kroženja po sredini.

Po drugi strani pa je pri izolatorju energija prevodnega pasu veliko večja od energije pasu Valencia. Tu obstaja vrzel med Valencijskim pasom in prevodnim pasom, tako da elektroni Valencije ne morejo dostopati do prevodnega pasu, ki bo prazen. Zato izolator ne izvaja. Ti materiali so lahko prevodni samo pri visokih temperaturah.

V primeru polprevodnikov je prevodni pas še vedno večji od pasu Valencia, vendar je razlika med njima bistveno manjša, tako da z energijskim povečanjem elektroni Valencije skočijo v prevodni pas in lahko krožijo skozi medij. Ko elektron skoči iz pasu Valencia v prevodni pas, v pasu Valencia pusti jajčece, ki velja tudi za nosilec električnega toka.

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

Vrste polprevodnikov 

Obstajata dva razreda polprevodnikov glede na njihovo čistost. Polprevodniški materiali v svojem čistem stanju so znani kot notranji polprevodniki; in obstajajo zunanji polprevodniki, ki so čisti, vendar so onesnaženi z nečistočami v majhnih razmerjih, kot en delec na milijon.

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

Prva vrsta dopinga je vrsta N, v kateri material je kontaminiran z valenčnimi 5 atomi, kot so Fosfor P, Arzen As ali Antimon Sb. Z vključevanjem petega valentnega elektrona v strukturo četverovalentnih atomov, je prisiljen tavati skozi polprevodniški material, ne da bi našel stabilno mesto, kjer Bodi postavljen. Skupina teh napačnih elektronov se imenuje večinski elektroni.

Druga vrsta dopinga je vrsta P, v kateri polprevodniški material je onesnažen z valentnimi atomi 3, kot so bor B, Galij Ga ali Indij In. Če ta atom vnesemo v material, ostane luknja, kam naj gre elektron. Luknja se enostavno premika skozi strukturo materiala, kot da bi bila nosilec pozitivnega naboja. V tem primeru so luknje večinski prevozniki.

Uporaba polprevodnika: dioda

Dioda je elektronska komponenta, ki je sestavljena iz spojitve dveh zunanjih polprevodniških kristalov, enega tipa N in drugega tipa P. Ko se združijo, del presežnih elektronov N-tipa preide na kristal tipa P, del lukenj tipa P pa na kristal tipa N. Na križišču se ustvari trak, imenovan prehodno območje, ki ima električno polje, ki se obnaša kot pregrado, 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: naprej in nazaj.

Pri neposredni polarizaciji je pozitivni pol povezan s kristalom P, negativni pol pa s kristalom N. Zaradi tega je prehodno območje veliko ožje, prebija oviro in omogoča prosti pretok toka. V tem stanju je dioda prevodna.

Pri obratni 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 večkratna. Vendar pa je najbolj priljubljena aplikacija tista, ki jo uporablja kot usmernik. Usmernik je sistem, ki lahko sinusoidni izmenični vhodni signal pretvori v drugega, ki ima enak smisel, da kasneje pretvori izmenični tok v enosmerni tok. Pred odpravljanjem toka se uporablja transformator, ki zmanjša vrednost napetosti.

Primeri polprevodniških materialov

Skupina, v kateri so prisotni v periodnem sistemu, je 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.