Prednosti poluvodiča

Poluvodiči su tvari čija se električna vodljivost nalazi između dobrih vodiča i izolatora. Poluvodiči, bez ikakvih nečistoća, nazivaju se vlastitim poluvodičima. Germanij i silicij su najčešće korišteni unutarnji poluvodiči. I Ge (atomski broj 32) i silicij (atomski broj 14) pripadaju četvrtoj skupini periodnog sustava i četverovalentni su.

Na temperaturama blizu apsolutne nule, čisti Ge i Si ponašaju se kao savršeni izolatori. Ali njihove se vodljivosti povećavaju s porastom temperature. Za Ge, energija vezanja elektrona u kovalentnoj vezi iznosi 0,7 eV. Ako se ta energija isporučuje u obliku topline, neke veze se prekidaju i elektroni se oslobađaju.

Na uobičajenim temperaturama neki se elektroni oslobode atoma Ge ili Si kristala i lutaju u kristalu. Odsutnost elektrona na prethodno zauzetom mjestu podrazumijeva pozitivan naboj na tom mjestu. Kaže se da se stvara "rupa" na mjestu oslobađanja elektrona. (Slobodna) rupa ekvivalentna je pozitivnom naboju i ona ima tendenciju prihvaćanja elektrona.

Kad elektron skoči u rupu, stvara se nova rupa na mjestu gdje je prethodno bio elektron. Kretanje elektrona u jednom smjeru ekvivalentno je kretanju rupa u suprotnom smjeru. Tako se u unutarnjim poluvodičima istovremeno stvaraju rupe i elektroni, koji obojica djeluju kao nosači naboja.

Postoje dvije vrste vanjskih poluvodiča: n-tip i p-tip.

poluvodič n-tipa: Elementi poput arsena (As), antimona (Sb) i fosfora (P) su petovalentni, dok su Ge i Si četverovalentni. Ako se kristalu Ge ili Si doda mala količina antimona, kao nečistoća, tada će od njegovih pet valentnih elektrona četiri stvoriti kovalentne veze sa susjednim Ge atomima. No, peti elektron antimona postaje gotovo slobodan za kretanje u kristalu.

Ako se na dopirani Ge-kristal primijeni potencijalni napon, slobodni elektroni u dopiranom Geu pomicat će se prema pozitivnom priključku, a vodljivost se povećava. Budući da negativno nabijeni slobodni elektroni povećavaju vodljivost dopiranog Ge kristala, naziva se poluvodič n-tipa.

poluvodič p-tipa: Ako se u a doda trivalentna nečistoća poput indija, aluminija ili bora (koja ima tri valentna elektrona) vrlo mali udio u tetravalentnom Ge ili Si, tada nastaju tri kovalentne veze s tri Ge atoma. No, četvrti valentni elektron Ge ne može stvoriti kovalentnu vezu s indijom, jer nijedan elektron nije preostao za uparivanje.

Odsutnost ili nedostatak elektrona naziva se rupa. Svaka se rupa u tom trenutku smatra područjem pozitivnog naboja. Kako su vodljivosti Ge-a dopirane indijumom posljedice rupa, naziva se poluvodič p-tipa.

Dakle, n-tip i p-tip su dvije vrste poluvodiča, a njihova se upotreba objašnjava kako slijedi: P-tip poluvodič i poluvodič n-tipa spojeni su zajedno, a zajedničko sučelje naziva se p-n spoj dioda.

Dioda p-n spoja koristi se kao ispravljač u elektroničkim krugovima. Tranzistor je poluvodički uređaj s tri terminala koji se izrađuje sendvičem tankog kriška materijala n-tipa između dva veća komada p-tipa materijala ili tanki komad poluprovodnika p-tipa između dva veća komada n-tipa poluvodiča. Dakle, postoje dvije vrste tranzistora: p-n-p i n-p-n. Tranzistor se koristi kao pojačalo u elektroničkim sklopovima.

Usporedba između poluvodičke diode i vakuuma dala bi živopisniji uvid u prednosti poluvodiča.

• Za razliku od vakuumskih dioda, u poluvodičkim uređajima nema niti. Stoga nije potrebno zagrijavanje da bi se emitirali elektroni u poluvodiču.
• Poluvodičkim uređajima može se upravljati odmah nakon uključivanja sklopnog uređaja.
• Za razliku od vakuumskih dioda, u trenutku rada poluvodiči ne proizvode zujanje.
• U usporedbi s vakuumskim cijevima, poluvodičkim uređajima je uvijek potreban nizak radni napon.
• Budući da su poluvodiči male veličine, krugovi koji ih uključuju također su vrlo kompaktni.
• Za razliku od vakuumskih cijevi, poluvodiči su otporni na udarce. Štoviše, manje su veličine i zauzimaju manje prostora i troše manje energije.
• U usporedbi s vakuumskim cijevima, poluvodiči su izuzetno osjetljivi na temperaturu i zračenje.
• Poluvodiči su jeftiniji od vakuumskih dioda i imaju neograničen vijek trajanja.
• Poluvodičkim uređajima za rad nije potreban vakuum.

Ukratko, prednosti poluvodičkih uređaja daleko su veće od vakuumskih cijevi. Pojavom poluvodičkog materijala postalo je moguće razviti male elektroničke uređaje koji su sofisticiraniji, izdržljiviji i kompatibilniji.

Najčešći poluvodički uređaj je tranzistor koji se koristi za proizvodnju logičkih ulaza i digitalnih sklopova. Primjena poluvodičkih uređaja proširuje se i na analogne sklopove koji se koriste u oscilatorima i pojačalima.

Poluvodički uređaji također se koriste u integriranim krugovima koji rade na vrlo visokom naponu i struji. Primjena poluvodičkih uređaja također se vidi u svakodnevnom životu. Na primjer, brzi računalni čipovi izrađeni su od poluvodiča. Telefoni, medicinska oprema i robotika također koriste poluvodičke materijale.