Полупроводниците са вещества, чиято електрическа проводимост е между тази на добрите проводници и изолаторите. Полупроводниците, без никакви примеси, се наричат присъщи полупроводници. Германий и силиций са най-често използваните присъщи полупроводници. Както Ge (атомно число 32), така и силиций (атомно число 14) принадлежат към четвъртата група на периодичната система и те са четиривалентни.
Какви са характеристиките на полупроводниците?
При температури близо до абсолютната нула, чистите Ge и Si се държат като перфектни изолатори. Но проводимостта им се увеличава с повишаване на температурата. За Ge енергията на свързване на електрон в ковалентната връзка е 0,7 eV. Ако тази енергия се подава под формата на топлина, част от връзките се разкъсват и електроните се освобождават.
При обикновени температури някои от електроните се освобождават от атомите на кристала Ge или Si и те се скитат в кристала. Липсата на електрон на предварително заето място означава положителен заряд на това място. Казва се, че се създава „дупка“ на мястото, където електронът се освобождава. Една (свободна) дупка е еквивалентна на положителен заряд и има тенденция да приема електрон.
Когато електрон скочи до дупка, се създава нова дупка на мястото, където преди е бил електронът. Движението на електроните в една посока е еквивалентно на движението на дупки в обратната посока. По този начин във вътрешните полупроводници дупките и електроните се произвеждат едновременно и двамата действат като носители на заряд.
Видовете полупроводници и тяхното използване
Има два вида външни полупроводници: n-тип и p-тип.
n-тип полупроводник: Елементи като арсен (As), антимон (Sb) и фосфор (P) са петивалентни, докато Ge и Si са четиривалентни. Ако към кристала Ge или Si се добави малко количество антимон като примес, тогава от петте му валентни електрона четири ще образуват ковалентни връзки със съседни Ge атоми. Но петият електрон на антимона става почти свободен да се движи в кристала.
Ако към легирания Ge-кристал се приложи потенциално напрежение, свободните електрони в легирания Ge ще се придвижат към положителния извод и проводимостта се увеличава. Тъй като отрицателно заредените свободни електрони увеличават проводимостта на легиран кристал Ge, той се нарича полупроводник от n-тип.
p-тип полупроводник: Ако в a се добави тривалентен примес като индий, алуминий или бор (с три валентни електрона) много малка пропорция към четиривалентния Ge или Si, тогава се образуват три ковалентни връзки с три Ge атома. Но четвъртият валентен електрон на Ge не може да образува ковалентна връзка с индий, тъй като не е оставен електрон за сдвояване.
Липсата или дефицитът на електрон се нарича дупка. Всяка дупка се разглежда като област на положителен заряд в тази точка. Тъй като проводимостта на Ge, легирана с индий, се дължи на дупки, тя се нарича p-тип полупроводник.
По този начин n-тип и p-тип са двата типа полупроводници и тяхното използване се обяснява по следния начин: A p-type полупроводник и полупроводник от n-тип са свързани заедно и общият интерфейс се нарича p-n преход диод.
Като изправител в електронните вериги се използва p-n съединителен диод. Транзисторът е трикрайно полупроводниково устройство, което се прави чрез поставяне на тънък парче материал от n-тип между две по-големи парчета p-тип материал или тънък парче p-тип полупроводник между две по-големи парчета n-тип полупроводник. По този начин има два вида транзистори: p-n-p и n-p-n. Транзисторът се използва като усилвател в електронните схеми.
Какви са предимствата на полупроводниците?
Сравнението между полупроводников диод и вакуум би дало по-ясен поглед върху предимствата на полупроводниците.
- За разлика от вакуумните диоди, в полупроводниковите устройства няма нишки. Следователно не е необходимо нагряване за излъчване на електрони в полупроводник.
- Полупроводниковите устройства могат да работят веднага след включване на верижното устройство.
- За разлика от вакуумните диоди, по време на работа от полупроводниците не се издава бръмчене.
- В сравнение с вакуумните тръби, полупроводниковите устройства винаги се нуждаят от ниско работно напрежение.
- Тъй като полупроводниците са с малки размери, схемите, които ги включват, също са много компактни.
- За разлика от вакуумните тръби, полупроводниците са устойчиви на удар. Освен това те са с по-малки размери и заемат по-малко пространство и консумират по-малко енергия.
- В сравнение с вакуумните тръби полупроводниците са изключително чувствителни към температура и радиация.
- Полупроводниците са по-евтини от вакуумните диоди и имат неограничен срок на годност.
- Полупроводниковите устройства не се нуждаят от вакуум за работа.
В обобщение, предимствата на полупроводниковите устройства далеч надхвърлят тези на вакуумните тръби. С появата на полупроводникови материали стана възможно да се разработят малки електронни устройства, които са по-сложни, издръжливи и съвместими.
Какви са приложенията на полупроводниковите устройства?
Най-често срещаното полупроводниково устройство е транзисторът, който се използва за производство на логически портали и цифрови схеми. Приложенията на полупроводниковите устройства се разпростират и върху аналоговите схеми, които се използват в осцилатори и усилватели.
Полупроводниковите устройства се използват и в интегрални схеми, които работят при много високо напрежение и ток. Приложенията на полупроводниковите устройства се наблюдават и в ежедневието. Например, високоскоростните компютърни чипове са направени от полупроводници. Телефоните, медицинското оборудване и роботиката също използват полупроводникови материали.