Halbleiter sind Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen denen von guten Leitern und Isolatoren liegt. Halbleiter ohne Verunreinigungen werden intrinsische Halbleiter genannt. Germanium und Silizium sind die am häufigsten verwendeten intrinsischen Halbleiter. Sowohl Ge (Ordnungszahl 32) als auch Silizium (Ordnungszahl 14) gehören zur vierten Gruppe des Periodensystems und sind vierwertig.
Was sind die Eigenschaften von Halbleitern?
Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verhalten sich reines Ge und Si wie perfekte Isolatoren. Aber ihre Leitfähigkeiten nehmen mit steigender Temperatur zu. Für Ge beträgt die Bindungsenergie eines Elektrons in der kovalenten Bindung 0,7 eV. Wird diese Energie in Form von Wärme zugeführt, wird ein Teil der Bindungen aufgebrochen und die Elektronen werden freigesetzt.
Bei normalen Temperaturen werden einige der Elektronen aus den Atomen des Ge- oder Si-Kristalls freigesetzt und wandern im Kristall. Das Fehlen eines Elektrons an einer zuvor besetzten Stelle impliziert eine positive Ladung an dieser Stelle. An der Stelle, an der das Elektron freigesetzt wird, soll ein „Loch“ entstehen. Ein (leeres) Loch entspricht einer positiven Ladung und hat die Tendenz, ein Elektron aufzunehmen.
Wenn ein Elektron zu einem Loch springt, entsteht dort, wo das Elektron vorher war, ein neues Loch. Die Bewegung von Elektronen in eine Richtung entspricht der Bewegung von Löchern in die entgegengesetzte Richtung. So werden in intrinsischen Halbleitern gleichzeitig Löcher und Elektronen erzeugt, die beide als Ladungsträger wirken.
Die Arten von Halbleitern und ihre Verwendungen
Es gibt zwei Arten von extrinsischen Halbleitern: n-Typ und p-Typ.
n-Typ Halbleiter: Elemente wie Arsen (As), Antimon (Sb) und Phosphor (P) sind fünfwertig, während Ge und Si vierwertig sind. Wenn dem Ge- oder Si-Kristall eine kleine Menge Antimon als Verunreinigung zugesetzt wird, bilden von seinen fünf valenten Elektronen vier kovalente Bindungen mit benachbarten Ge-Atomen. Aber das fünfte Antimon-Elektron wird im Kristall fast frei beweglich.
Wird an den dotierten Ge-Kristall eine Potentialspannung angelegt, wandern die freien Elektronen im dotierten Ge zum Pluspol und die Leitfähigkeit steigt. Da die negativ geladenen freien Elektronen die Leitfähigkeit des dotierten Ge-Kristalls erhöhen, wird er als n-Typ-Halbleiter bezeichnet.
p-Typ Halbleiter: Wenn eine dreiwertige Verunreinigung wie Indium, Aluminium oder Bor (mit drei Valenzelektronen) in a sehr geringen Anteil an vierwertigem Ge oder Si, dann werden drei kovalente Bindungen mit drei Ge-Atomen gebildet. Das vierte Valenzelektron von Ge kann jedoch keine kovalente Bindung mit Indium eingehen, da kein Elektron für die Paarung übrig bleibt.
Das Fehlen oder Fehlen eines Elektrons wird Loch genannt. Jedes Loch wird an diesem Punkt als positiv geladener Bereich angesehen. Da die Leitfähigkeit von mit Indium dotiertem Ge auf Löcher zurückzuführen ist, wird es als p-Typ-Halbleiter bezeichnet.
Somit sind n-Typ und p-Typ die zwei Typen von Halbleitern, und ihre Verwendung wird wie folgt erklärt: A p-Typ Halbleiter und ein n-Typ-Halbleiter werden miteinander verbunden, und die gemeinsame Grenzfläche wird als p-n-Übergang bezeichnet Diode.
Eine p-n-Übergangsdiode wird als Gleichrichter in elektronischen Schaltungen verwendet. Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das durch Einlegen einer dünnen Scheibe aus n-Typ-Material zwischen. hergestellt wird zwei größere Stücke p-Typ-Material oder eine dünne Scheibe p-Typ-Halbleiter zwischen zwei größeren Stücken n-Typ Halbleiter. Somit gibt es zwei Arten von Transistoren: p-n-p und n-p-n. Ein Transistor wird als Verstärker in elektronischen Schaltungen verwendet.
Was sind die Vorteile von Halbleitern?
Ein Vergleich zwischen einer Halbleiterdiode und einem Vakuum würde die Vorteile von Halbleitern anschaulicher machen.
- Im Gegensatz zu Vakuumdioden gibt es in Halbleiterbauelementen keine Filamente. Daher ist keine Erwärmung erforderlich, um Elektronen in einem Halbleiter zu emittieren.
- Halbleiterbauelemente können unmittelbar nach dem Einschalten der Schaltungseinrichtung betrieben werden.
- Im Gegensatz zu Vakuumdioden wird bei Halbleitern im Betrieb kein Brummgeräusch erzeugt.
- Im Vergleich zu Vakuumröhren benötigen Halbleiterbauelemente immer eine niedrige Betriebsspannung.
- Da Halbleiter klein sind, sind die Schaltungen mit ihnen auch sehr kompakt.
- Im Gegensatz zu Vakuumröhren sind Halbleiter stoßfest. Darüber hinaus sind sie kleiner, nehmen weniger Platz ein und verbrauchen weniger Strom.
- Im Vergleich zu Vakuumröhren sind Halbleiter extrem temperatur- und strahlungsempfindlich.
- Halbleiter sind billiger als Vakuumdioden und haben eine unbegrenzte Haltbarkeit.
- Halbleiterbauelemente benötigen zum Betrieb kein Vakuum.
Zusammenfassend überwiegen die Vorteile von Halbleiterbauelementen die von Vakuumröhren bei weitem. Mit dem Aufkommen von Halbleitermaterial wurde es möglich, kleine elektronische Geräte zu entwickeln, die anspruchsvoller, langlebiger und kompatibel waren.
Was sind die Anwendungen von Halbleiterbauelementen?
Das gebräuchlichste Halbleiterbauelement ist der Transistor, der zur Herstellung von Logikgattern und digitalen Schaltungen verwendet wird. Die Anwendungen von Halbleiterbauelementen erstrecken sich auch auf analoge Schaltungen, die in Oszillatoren und Verstärkern verwendet werden.
Halbleiterbauelemente werden auch in integrierten Schaltungen verwendet, die mit sehr hohen Spannungen und Strömen arbeiten. Die Anwendungen von Halbleiterbauelementen werden auch im täglichen Leben gesehen. Hochgeschwindigkeits-Computerchips werden beispielsweise aus Halbleitern hergestellt. Auch Telefone, medizinische Geräte und Robotik verwenden Halbleitermaterialien.
