A félvezetők olyan anyagok, amelyek elektromos vezetőképessége a jó vezetők és a szigetelők között helyezkedik el. A félvezetőket minden szennyeződés nélkül belső félvezetőknek nevezzük. A gumium és a szilícium a leggyakrabban használt belső félvezetők. Mind a Ge (32. atomszám), mind a szilícium (14. atomszám) a periódusos rendszer negyedik csoportjába tartozik, és négyértékűek.
Melyek a félvezetők jellemzői?
Az abszolút nulla közeli hőmérsékleten a tiszta Ge és Si tökéletes szigetelőként viselkednek. De vezetőképességük a hőmérséklet növekedésével nő. Ge esetében a kovalens kötésben lévő elektron kötési energiája 0,7 eV. Ha ezt az energiát hő formájában látják el, a kötések egy része megszakad, és az elektronok szabaddá válnak.
Normál hőmérsékleten az elektronok egy része szabaddá válik a Ge vagy Si kristály atomjaitól, és elkalandoznak a kristályban. Az elektron hiánya egy korábban elfoglalt helyen pozitív töltést jelent ezen a helyen. Állítólag „lyuk” keletkezik azon a helyen, ahol az elektron szabaddá válik. Egy (üres) lyuk egyenértékű a pozitív töltéssel, és hajlamos egy elektron elfogadására.
Amikor egy elektron egy lyukhoz ugrik, új lyuk keletkezik azon a helyen, ahol az elektron korábban tartózkodott. Az elektronok egy irányú mozgása egyenértékű a lyukak ellentétes irányú mozgásával. Így a belső félvezetőkben lyukak és elektronok keletkeznek egyidejűleg, és mindkettő töltéshordozóként működik.
A félvezetők típusai és felhasználásuk
Kétféle külső félvezető létezik: n-típusú és p-típusú.
n típusú félvezető: Az olyan elemek, mint az arzén (As), az antimon (Sb) és a foszfor (P) ötértékűek, míg a Ge és Si négyértékűek. Ha a Ge- vagy Si-kristályhoz szennyeződésként kis mennyiségű antimon kerül, akkor öt vegyértékű elektronja közül négy kovalens kötést képez a szomszédos Ge-atomokkal. De az antimon ötödik elektronja szinte szabadon mozoghat a kristályban.
Ha potenciális feszültséget adunk az adalékolt Ge-kristályra, az adalékolt Ge szabad elektronjai a pozitív terminál felé mozognak, és a vezetőképesség nő. Mivel a negatív töltésű szabad elektronok növelik az adalékolt Ge kristály vezetőképességét, ezt n-típusú félvezetőnek nevezzük.
p típusú félvezető: Ha egy háromértékű szennyeződést, például indiumot, alumíniumot vagy bórt (amelynek három vegyértékelektronja van) adunk a nagyon kicsi a négyértékű Ge vagy Si aránya, akkor három kovalens kötés jön létre három Ge atomgal. De a Ge negyedik vegyértékelektronja nem tud kovalens kötést kialakítani az indiummal, mert a párosításhoz nem marad elektront.
Az elektron hiányát vagy hiányát lyuknak nevezzük. Minden egyes lyukat pozitív töltésű régiónak tekintenek abban a pontban. Mivel az indiummal adalékolt Ge vezetőképessége lyukaknak köszönhető, p-típusú félvezetőnek hívják.
Így az n-típusú és a p-típusú félvezetők két típusa van, felhasználásukat a következőképpen magyarázzák: a félvezető és az n típusú félvezető össze vannak kapcsolva, és a közös interfészt p-n elágazásnak hívják dióda.
A p-n csatlakozási diódát egyenirányítóként használják az elektronikus áramkörökben. A tranzisztor egy három terminálos félvezető eszköz, amelyet úgy állítunk elő, hogy egy vékony szelet n típusú anyagot két nagyobb darab p-típusú anyag, vagy egy vékony p-típusú félvezető szelet két nagyobb, n-típusú darab között félvezető. Tehát kétféle tranzisztor létezik: p-n-p és n-p-n. A tranzisztort erősítőként használják az elektronikus áramkörökben.
Milyen előnyei vannak a félvezetőknek?
A félvezető dióda és a vákuum összehasonlítása élénkebb bepillantást enged a félvezetők előnyeibe.
- A vákuumdiódákkal ellentétben a félvezető eszközökben nincsenek szálak. Ezért nincs szükség fűtésre az elektronok félvezetőben történő kibocsátásához.
- A félvezető eszközök az áramköri eszköz bekapcsolása után azonnal működtethetők.
- A vákuumdiódákkal ellentétben a működés közben a félvezetők nem adnak ki zümmögő hangot.
- A vákuumcsövekhez képest a félvezető eszközöknek mindig alacsony üzemi feszültségre van szükségük.
- Mivel a félvezetők kis méretűek, az őket érintő áramkörök is nagyon kompaktak.
- A vákuumcsövekkel ellentétben a félvezetők ütésállóak. Sőt, kisebb méretűek, kevesebb helyet foglalnak el, és kevesebb energiát fogyasztanak.
- A vákuumcsövekhez képest a félvezetők rendkívül érzékenyek a hőmérsékletre és a sugárzásra.
- A félvezetők olcsóbbak, mint a vákuumdiódák, és korlátlan az eltarthatóságuk.
- A félvezető eszközök működéséhez nincs szükség vákuumra.
Összefoglalva, a félvezető eszközök előnyei messze felülmúlják a vákuumcsövekét. A félvezető anyagok megjelenésével lehetőség nyílt kifinomultabb, tartósabb és kompatibilisebb kis elektronikai eszközök kifejlesztésére.
Melyek a félvezető eszközök alkalmazásai?
A leggyakoribb félvezető eszköz a tranzisztor, amelyet logikai kapuk és digitális áramkörök gyártására használnak. A félvezető eszközök alkalmazása kiterjed az analóg áramkörökre is, amelyeket oszcillátorokban és erősítőkben használnak.
Az integrált áramkörökben félvezető eszközöket is használnak, amelyek nagyon nagy feszültségen és áramerősséggel működnek. A félvezető eszközök alkalmazásai a mindennapi életben is láthatók. Például a nagy sebességű számítógépes chipek félvezetőkből készülnek. A telefonok, az orvosi felszerelések és a robotika szintén félvezető anyagokat használnak.
