Elektroonilistele seadmetele mõeldes mõtleme enne aku laadimist sageli sellele, kui kiiresti need seadmed töötavad või kui kaua saame seadet töötada. Enamik inimesi ei mõtle sellele, millest koosnevad nende elektroonikaseadmete komponendid. Ehkki iga seade erineb oma ehituselt, on neil kõigil üks ühine omadus - elektroonilised ahelad komponentidega, mis sisaldavad räni ja germaaniumi keemilisi elemente.
TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)
Räni ja germaanium on kaks keemilist elementi, mida nimetatakse metalloidideks. Nii räni kui ka germaaniumi saab kombineerida teiste elementidega, mida nimetatakse dopanditeks, et luua tahkis-elektroonilisi seadmeid, näiteks dioodid, transistorid ja fotoelementid. Räni- ja germaaniumdioodide peamine erinevus on dioodi sisselülitamiseks (või „ettepoole kallutatuks”) vajalik pinge. Ränidioodid vajavad ettepoole kallutatuks 0,7 volti, germaaniumdioodid aga ainult 0,3 volti.
Kuidas põhjustada metalloidide elektrivoolu juhtimist
Germaanium ja räni on keemilised elemendid, mida nimetatakse metalloidideks. Mõlemad elemendid on habras ja metallilise läikega. Igal neist elementidest on välimine elektronkest, mis sisaldab nelja elektroni; see räni ja germaaniumi omadus raskendab kummagi puhtaimal kujul oleva elemendi head elektrijuhti. Üks viis, kuidas metalloid vabalt elektrivoolu juhtida, on selle kuumutamine. Soojuse lisamine põhjustab metalloidi vabade elektronide kiiremat liikumist ja vabamat liikumist, võimaldades rakendada elektrivool voolama, kui juhtmetesse hüppamiseks piisab metalloidi pinge erinevusest bänd.
Dopantide tutvustamine räni ja germaaniumiga
Teine võimalus germaaniumi ja räni elektriliste omaduste muutmiseks on lisada keemilisi elemente, mida nimetatakse dopanditeks. Selliseid elemente nagu boor, fosfor või arseen võib perioodilisustabelist leida räni ja germaaniumi lähedal. Kui dopandid viiakse metalloidi, annab dopant kas täiendava elektroni metalloidi välisele elektronkestale või jätab metalloidi ühe oma elektronist ilma.
Dioodi praktilises näites lisatakse ränitükile kaks erinevat lisaaineid, näiteks boor ühel ja arseen teisel küljel. Punkti, kus booriga legeeritud pool kohtub arseeniga legeeritud poolega, nimetatakse P-N ristmikuks. Ränidioodi puhul nimetatakse booriga legeeritud külge „P-tüüpi räni”, kuna boori sisseviimine jätab räni elektronist ilma või toob sisse elektroni „augu”. Peal teiselt poolt nimetatakse arseeniga legeeritud räni N-tüüpi räni, kuna see lisab elektroni, mis muudab elektrivoolu voolamise lihtsamaks, kui diood.
Kuna diood toimib elektrivoolu voolu ühesuunalise ventiilina, peab dioodi kahele poolele olema rakendatud pinge erinevus ja see tuleb rakendada õigetes piirkondades. Praktikas tähendab see, et toiteallika positiivne poolus tuleb rakendada traadile, mis läheb P-tüüpi materjal, samas kui dioodi juhtimiseks tuleb negatiivne poolus rakendada N-tüüpi materjalile elekter. Kui dioodile antakse korralikult toide ja diood juhib elektrivoolu, on diood väidetavalt kallutatud ettepoole. Kui jõuallika negatiivne ja positiivne poolus rakendatakse dioodi vastupidise polaarsusega materjalidele - positiivne poolus N-tüüpi materjal ja negatiivne poolus P-tüüpi materjalile - diood ei juhi elektrivoolu, seda seisundit nimetatakse vastupidiseks eelarvamuseks.
Germaaniumi ja räni erinevus
Germaanium- ja ränidioodide peamine erinevus on pinge, mille juures elektrivool hakkab dioodi kaudu vabalt voolama. Germaaniumdiood hakkab elektrivoolu juhtima tavaliselt siis, kui dioodil korralikult rakendatav pinge jõuab 0,3 volti. Ränidioodid vajavad voolu juhtimiseks rohkem pinget; ränidioodi ettepoole kallutamise olukorra loomiseks kulub 0,7 volti.