Halvledere er stoffer, der har deres elektriske ledningsevne mellem gode ledere og isolatorer. Halvledere, uden urenhed, kaldes iboende halvledere. Germanium og silicium er de mest almindeligt anvendte indre halvledere. Både Ge (atomnummer 32) og silicium (atomnummer 14) hører til den fjerde gruppe i det periodiske system, og de er tetravalente.
Hvad er kendetegnene ved halvledere?
Ved temperaturer nær det absolutte nul opfører ren Ge og Si sig som perfekte isolatorer. Men deres ledningsevne stiger med stigning i temperaturen. For Ge er bindingsenergien for en elektron i den kovalente binding 0,7 eV. Hvis denne energi tilføres i form af varme, brydes nogle af bindingerne, og elektronerne frigøres.
Ved almindelige temperaturer frigøres nogle af elektronerne fra atomerne i Ge- eller Si-krystal, og de vandrer i krystallen. Fraværet af en elektron på et tidligere besat sted indebærer en positiv ladning det sted. Et ”hul” siges at være skabt på det sted, hvor elektronen frigøres. Et (ledigt) hul svarer til positiv ladning, og det har en tendens til at acceptere en elektron.
Når en elektron springer til et hul, produceres der et nyt hul på det sted, hvor elektronen tidligere var. Elektroners bevægelse i en retning svarer til bevægelsen af huller i den modsatte retning. Således produceres huller og elektroner i indre halvledere samtidigt, og begge fungerer som ladningsbærere.
Typerne af halvledere og deres anvendelse
Der er to typer af eksterne halvledere: n-type og p-type.
n-type halvleder: Elementer som arsen (As), antimon (Sb) og fosfor (P) er pentavalente, mens Ge og Si er firværdige. Hvis der tilsættes en lille mængde antimon til Ge- eller Si-krystallen som en urenhed, udgør fire ud af de fem valente elektroner kovalente bindinger med nærliggende Ge-atomer. Men den femte antimonelektron bliver næsten fri til at bevæge sig i krystallen.
Hvis der tilføres en potentiel spænding til den doterede Ge-krystal, bevæger de frie elektroner i doteret Ge sig mod den positive terminal, og ledningsevnen stiger. Da de negativt ladede frie elektroner øger ledningsevnen for doteret Ge-krystal, kaldes det en n-type halvleder.
p-type halvleder: Hvis en trivalent urenhed som indium, aluminium eller bor (med tre valenselektroner) tilføjes i a meget lille andel af tetravalent Ge eller Si, dannes der tre kovalente bindinger med tre Ge-atomer. Men den fjerde valenselektron af Ge kan ikke danne en kovalent binding med indium, fordi der ikke er nogen elektron tilbage til parring.
Fraværet eller manglen på en elektron kaldes et hul. Hvert hul betragtes som en region med positiv ladning på det tidspunkt. Da ledningsevnen af Ge doteret med indium skyldes huller, kaldes det en p-type halvleder.
Således er n-type og p-type de to typer halvledere, og deres anvendelser forklares som følger: A p-type halvleder og en n-type halvleder er forbundet, og den fælles grænseflade kaldes en p-n-krydsning diode.
En p-n-forbindelsesdiode bruges som ensretter i elektroniske kredsløb. En transistor er en tre-terminal halvlederindretning, der er lavet ved at klemme en tynd skive af n-type materiale mellem to større stykker p-type materiale eller et tyndt stykke p-type halvleder mellem to større stykker n-type halvleder. Der er således to typer transistorer: p-n-p og n-p-n. En transistor bruges som forstærker i elektroniske kredsløb.
Hvad er fordelene ved halvledere?
En sammenligning mellem en halvlederdiode og et vakuum ville give et mere levende indblik i fordelene ved halvledere.
- I modsætning til vakuumdioder er der ingen filamenter i halvlederindretninger. Derfor kræves ingen opvarmning for at udsende elektroner i en halvleder.
- Semiconductor-enheder kan betjenes straks efter tænding af kredsløbsenheden.
- I modsætning til vakuumdioder frembringes der ingen brummende lyd af halvledere på driftstidspunktet.
- Sammenlignet med vakuumrør har halvledere altid brug for en lav driftsspænding.
- Fordi halvledere er små i størrelse, er kredsløbene, der involverer dem, også meget kompakte.
- I modsætning til vakuumrør er halvledere stødsikre. Desuden er de mindre i størrelse og optager mindre plads og bruger mindre strøm.
- Sammenlignet med vakuumrør er halvledere ekstremt følsomme over for temperatur og stråling.
- Halvledere er billigere end vakuumdioder og har en ubegrænset holdbarhed.
- Halvledere har ikke brug for et vakuum til drift.
Sammenfattende opvejer fordelene ved halvlederanordninger langt de fordele ved vakuumrør. Med fremkomsten af halvledermateriale blev det muligt at udvikle små elektroniske enheder, der var mere sofistikerede, holdbare og kompatible.
Hvad er anvendelserne af halvlederenheder?
Den mest almindelige halvlederindretning er transistoren, som bruges til at fremstille logiske porte og digitale kredsløb. Anvendelserne af halvlederanordninger strækker sig også til analoge kredsløb, som bruges i oscillatorer og forstærkere.
Halvlederanordninger bruges også i integrerede kredsløb, der fungerer ved en meget høj spænding og strøm. Anvendelserne af halvlederindretninger ses også i dagligdagen. For eksempel er højhastigheds computerchips lavet af halvledere. Telefoner, medicinsk udstyr og robotteknologi bruger også halvledermaterialer.