Wenn wir an elektronische Geräte denken, denken wir oft daran, wie schnell diese Geräte arbeiten oder wie lange wir das Gerät betreiben können, bevor wir den Akku wieder aufladen. Woran die meisten Menschen nicht denken, ist, woraus die Komponenten in ihren elektronischen Geräten bestehen. Auch wenn sich jedes Gerät in seinem Aufbau unterscheidet, haben alle Geräte eines gemeinsam: elektronische Schaltungen mit Komponenten, die die chemischen Elemente Silizium und Germanium enthalten.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Silizium und Germanium sind zwei chemische Elemente, die als Metalloide bezeichnet werden. Sowohl Silizium als auch Germanium können mit anderen Elementen, den sogenannten Dotierstoffen, kombiniert werden, um elektronische Festkörpergeräte wie Dioden, Transistoren und Fotozellen herzustellen. Der Hauptunterschied zwischen Silizium- und Germaniumdioden ist die Spannung, die benötigt wird, damit die Diode einschaltet (oder in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird). Siliziumdioden benötigen 0,7 Volt, um in Vorwärtsrichtung vorgespannt zu werden, während Germaniumdioden nur 0,3 Volt benötigen, um in Vorwärtsrichtung vorgespannt zu werden.
Wie man Metalloide dazu bringt, elektrische Ströme zu leiten
Germanium und Silizium sind chemische Elemente, die als Metalloide bezeichnet werden. Beide Elemente sind spröde und haben einen metallischen Glanz. Jedes dieser Elemente hat eine äußere Elektronenhülle, die vier Elektronen enthält; Diese Eigenschaft von Silizium und Germanium macht es für jedes Element in seiner reinsten Form schwierig, ein guter elektrischer Leiter zu sein. Eine Möglichkeit, ein Metalloid dazu zu bringen, elektrischen Strom frei zu leiten, besteht darin, es zu erhitzen. Das Hinzufügen von Wärme bewirkt, dass sich die freien Elektronen in einem Metalloid schneller bewegen und freier reisen, wodurch die Anwendung ermöglicht wird Strom fließt, wenn die Spannungsdifferenz über dem Halbmetall ausreicht, um in die Leitung zu springen Band.
Einführung von Dotierstoffen in Silizium und Germanium
Eine andere Möglichkeit, die elektrischen Eigenschaften von Germanium und Silizium zu ändern, besteht darin, chemische Elemente einzuführen, die als Dotierstoffe bezeichnet werden. Elemente wie Bor, Phosphor oder Arsen finden sich im Periodensystem neben Silizium und Germanium. Wenn Dotierstoffe in ein Metalloid eingeführt werden, stellt der Dotierstoff entweder ein zusätzliches Elektron für die äußere Elektronenhülle des Metalloids bereit oder entzieht dem Metalloid eines seiner Elektronen.
Im praktischen Beispiel einer Diode wird ein Stück Silizium mit zwei verschiedenen Dotierstoffen dotiert, beispielsweise Bor auf der einen Seite und Arsen auf der anderen. Der Punkt, an dem die mit Bor dotierte Seite auf die mit Arsen dotierte Seite trifft, wird als P-N-Übergang bezeichnet. Bei einer Siliziumdiode wird die mit Bor dotierte Seite als „P-Typ-Silizium“ bezeichnet, da die Einführung von Bor dem Silizium ein Elektron entzieht oder ein Elektronen-„Loch“ einführt. Auf Auf der anderen Seite wird mit Arsen dotiertes Silizium „N-Typ-Silizium“ genannt, weil es ein Elektron hinzufügt, das den elektrischen Stromfluss beim Anlegen einer Spannung erleichtert Diode.
Da eine Diode als Einwegventil für den elektrischen Stromfluss wirkt, muss an den beiden Hälften der Diode eine Spannungsdifferenz anliegen, und zwar in den richtigen Bereichen. In der Praxis bedeutet dies, dass der Pluspol einer Stromquelle an die Leitung zum angelegt werden muss P-Typ-Material, während der Minuspol an das N-Typ-Material angelegt werden muss, damit die Diode leitet Elektrizität. Wenn eine Diode richtig mit Strom versorgt wird und die Diode elektrischen Strom leitet, wird die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt. Wenn der Minus- und Pluspol einer Stromquelle an die entgegengesetzt gepolten Materialien einer Diode angelegt werden – Pluspol an N-Typ-Material und negativer Pol zu P-Typ-Material – eine Diode leitet keinen elektrischen Strom, ein Zustand, der als Sperrspannung bezeichnet wird.
Der Unterschied zwischen Germanium und Silizium
Der Hauptunterschied zwischen Germanium- und Siliziumdioden ist die Spannung, bei der elektrischer Strom frei durch die Diode zu fließen beginnt. Eine Germaniumdiode beginnt typischerweise, elektrischen Strom zu leiten, wenn die richtig an die Diode angelegte Spannung 0,3 Volt erreicht. Siliziumdioden benötigen mehr Spannung, um Strom zu leiten; es dauert 0,7 Volt, um eine Vorwärtsspannung in einer Siliziumdiode zu erzeugen.