Τα πλεονεκτήματα των ημιαγωγών

Οι ημιαγωγοί είναι ουσίες που έχουν τις ηλεκτρικές αγωγιμότητές τους μεταξύ εκείνων των καλών αγωγών και των μονωτών. Οι ημιαγωγοί, χωρίς καμία ακαθαρσία, ονομάζονται εγγενείς ημιαγωγοί. Το γερμάνιο και το πυρίτιο είναι οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι ημιαγωγοί. Τόσο το Ge (ατομικός αριθμός 32) όσο και το πυρίτιο (ατομικός αριθμός 14) ανήκουν στην τέταρτη ομάδα του περιοδικού πίνακα και είναι τετρασθενείς.

Σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα καθαρά Ge και Si συμπεριφέρονται σαν τέλειοι μονωτές. Αλλά η αγωγιμότητα τους αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Για το Ge, η ενέργεια σύνδεσης ενός ηλεκτρονίου στον ομοιοπολικό δεσμό είναι 0,7 eV. Εάν αυτή η ενέργεια παρέχεται με τη μορφή θερμότητας, μερικοί από τους δεσμούς σπάσουν και τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται.

Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, μερικά από τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται από τα άτομα των κρυστάλλων Ge ή Si και περιφέρονται στον κρύσταλλο. Η απουσία ενός ηλεκτρονίου σε ένα προηγουμένως κατεχόμενο μέρος συνεπάγεται ένα θετικό φορτίο σε αυτό το μέρος. Μια «τρύπα» λέγεται ότι δημιουργείται στον τόπο όπου το ηλεκτρόνιο απελευθερώνεται. Μια (κενή) οπή ισοδυναμεί με θετικό φορτίο και έχει την τάση να δέχεται ένα ηλεκτρόνιο.

Όταν ένα ηλεκτρόνιο πηδά σε μια τρύπα, παράγεται μια νέα τρύπα στον τόπο όπου το ηλεκτρόνιο ήταν προηγουμένως. Η κίνηση των ηλεκτρονίων σε μία κατεύθυνση είναι ισοδύναμη με την κίνηση των οπών στην αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, σε εγγενείς ημιαγωγούς, οι οπές και τα ηλεκτρόνια παράγονται ταυτόχρονα και και οι δύο δρουν ως φορείς φορτίου.

Υπάρχουν δύο τύποι εξωγενών ημιαγωγών: τύπος n και τύπος p.

ημιαγωγός τύπου n: Στοιχεία όπως το αρσενικό (As), το αντιμόνιο (Sb) και ο φώσφορος (P) είναι πεντασθενή, ενώ τα Ge και Si είναι τετρασθενή. Εάν μια μικρή ποσότητα αντιμονίου προστίθεται στον κρύσταλλο Ge ή Si, ως ακαθαρσία, τότε από τα πέντε ηλεκτρικά ηλεκτρόνια του, τέσσερα θα σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς με γειτονικά άτομα Ge. Αλλά το πέμπτο ηλεκτρόνιο του αντιμονίου γίνεται σχεδόν ελεύθερο να κινείται στον κρύσταλλο.

Εάν εφαρμοστεί μια πιθανή τάση στο νάρθηκα Ge-κρύσταλλο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο doped Ge θα κινηθούν προς το θετικό τερματικό και η αγωγιμότητα αυξάνεται. Δεδομένου ότι τα αρνητικά φορτισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια αυξάνουν την αγωγιμότητα του ενισχυμένου κρυστάλλου Ge, ονομάζεται ημιαγωγός τύπου-n.

ημιαγωγός τύπου p: Εάν μια τρισθενής ακαθαρσία όπως το ίνδιο, το αλουμίνιο ή το βόριο (με τρία ηλεκτρόνια σθένους) προστίθεται σε πολύ μικρή αναλογία προς τετρασθενή Ge ή Si, τότε σχηματίζονται τρεις ομοιοπολικοί δεσμοί με τρία άτομα Ge. Όμως, το τέταρτο ηλεκτρόνιο σθένους του Ge δεν μπορεί να σχηματίσει έναν ομοιοπολικό δεσμό με το ίνδιο, επειδή δεν υπάρχει κανένα ηλεκτρόνιο για ζεύξη.

Η απουσία ή ανεπάρκεια ενός ηλεκτρονίου ονομάζεται τρύπα. Κάθε τρύπα θεωρείται ως περιοχή θετικού φορτίου σε αυτό το σημείο. Δεδομένου ότι η αγωγιμότητα του Ge με πρόσδεση οφείλεται σε τρύπες, ονομάζεται ημιαγωγός τύπου p.

Έτσι, ο τύπος n και ο τύπος p είναι οι δύο τύποι ημιαγωγών και οι χρήσεις τους εξηγούνται ως εξής: ημιαγωγός και ημιαγωγός τύπου n ενώνονται μεταξύ τους και η κοινή διεπαφή ονομάζεται σύνδεση p-n δίοδος.

Μια δίοδος σύνδεσης p-n χρησιμοποιείται ως ανορθωτής σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Ένα τρανζίστορ είναι μια συσκευή τριών τερματικών ημιαγωγών, η οποία κατασκευάζεται με σάντουιτς με λεπτή φέτα υλικού τύπου n μεταξύ δύο μεγαλύτερα κομμάτια υλικού τύπου p ή μια λεπτή φέτα ημιαγωγού τύπου p μεταξύ δύο μεγαλύτερων κομματιών τύπου n ημιαγωγός. Έτσι, υπάρχουν δύο τύποι τρανζίστορ: p-n-p και n-p-n. Ένα τρανζίστορ χρησιμοποιείται ως ενισχυτής σε ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Μια σύγκριση μεταξύ μιας διόδου ημιαγωγών και ενός κενού θα έδινε μια πιο έντονη ματιά στα πλεονεκτήματα των ημιαγωγών.

• Σε αντίθεση με τις διόδους κενού, δεν υπάρχουν νήματα σε συσκευές ημιαγωγών. Ως εκ τούτου, δεν απαιτείται θέρμανση για την εκπομπή ηλεκτρονίων σε έναν ημιαγωγό.
• Οι συσκευές ημιαγωγών μπορούν να χρησιμοποιηθούν αμέσως μετά την ενεργοποίηση της συσκευής κυκλώματος.
• Σε αντίθεση με τις διόδους κενού, δεν παράγεται ήχος βουητού από τους ημιαγωγούς κατά τη στιγμή της λειτουργίας.
• Σε σύγκριση με τους σωλήνες κενού, οι συσκευές ημιαγωγών χρειάζονται πάντα χαμηλή τάση λειτουργίας.
• Επειδή οι ημιαγωγοί είναι μικρού μεγέθους, τα κυκλώματα που τα εμπλέκουν είναι επίσης πολύ συμπαγή.
• Σε αντίθεση με τους σωλήνες κενού, οι ημιαγωγοί είναι αδιάβροχοι. Επιπλέον, έχουν μικρότερο μέγεθος και καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο και καταναλώνουν λιγότερη ισχύ.
• Σε σύγκριση με τους σωλήνες κενού, οι ημιαγωγοί είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι στη θερμοκρασία και την ακτινοβολία.
• Οι ημιαγωγοί είναι φθηνότεροι από τις διόδους κενού και έχουν απεριόριστη διάρκεια ζωής.
• Οι συσκευές ημιαγωγών δεν χρειάζονται κενό για λειτουργία.

Συνοπτικά, τα πλεονεκτήματα των συσκευών ημιαγωγών υπερτερούν κατά πολύ αυτών των σωλήνων κενού. Με την έλευση του ημιαγωγού υλικού, κατέστη δυνατή η ανάπτυξη μικρών ηλεκτρονικών συσκευών που ήταν πιο εξελιγμένες, ανθεκτικές και συμβατές.

Η πιο κοινή συσκευή ημιαγωγών είναι το τρανζίστορ, το οποίο χρησιμοποιείται για την κατασκευή λογικών πυλών και ψηφιακών κυκλωμάτων. Οι εφαρμογές συσκευών ημιαγωγών επεκτείνονται επίσης σε αναλογικά κυκλώματα, τα οποία χρησιμοποιούνται σε ταλαντωτές και ενισχυτές.

Οι συσκευές ημιαγωγών χρησιμοποιούνται επίσης σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα οποία λειτουργούν σε πολύ υψηλή τάση και ρεύμα. Οι εφαρμογές συσκευών ημιαγωγών εμφανίζονται επίσης στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα, τα τσιπ υπολογιστών υψηλής ταχύτητας κατασκευάζονται από ημιαγωγούς. Τα τηλέφωνα, ο ιατρικός εξοπλισμός και η ρομποτική χρησιμοποιούν επίσης υλικά ημιαγωγών.