Puslaidininkių pranašumai

Puslaidininkiai yra medžiagos, kurių elektrinis laidumas yra tarp gerų laidininkų ir izoliatorių. Puslaidininkiai be jokių priemaišų vadinami vidiniais puslaidininkiais. Germanis ir silicis yra dažniausiai naudojami vidiniai puslaidininkiai. Tiek Ge (atominis skaičius 32), tiek silicis (atominis skaičius 14) priklauso ketvirtai periodinės lentelės grupei ir yra keturvalentiai.

Kai temperatūra yra beveik absoliutus nulis, grynas Ge ir Si elgiasi kaip tobuli izoliatoriai. Bet jų laidumas didėja, didėjant temperatūrai. Ge atveju elektrono jungimosi energija kovalentinėje jungtyje yra 0,7 eV. Jei ši energija tiekiama šilumos pavidalu, dalis ryšių nutrūksta ir elektronai yra laisvi.

Esant įprastai temperatūrai, kai kurie elektronai yra atlaisvinti nuo Ge arba Si kristalų atomų ir jie klaidžioja kristale. Elektrono nebuvimas anksčiau užimtoje vietoje reiškia teigiamą krūvį toje vietoje. Sakoma, kad toje vietoje, kur elektronas yra laisvas, susidaro „skylė“. (Tuščia) skylė yra lygi teigiamam krūviui ir ji turi polinkį priimti elektroną.

Kai elektronas šokinėja į skylę, toje vietoje, kur anksčiau buvo elektronas, susidaro nauja skylė. Elektronų judėjimas viena kryptimi prilygsta skylių judėjimui priešinga kryptimi. Taigi vidiniuose puslaidininkiuose skylės ir elektronai gaminami vienu metu, ir jie abu veikia kaip krūvininkai.

Yra du išorinių puslaidininkių tipai: n tipo ir p tipo.

n tipo puslaidininkis: Tokie elementai kaip arsenas (As), stibis (Sb) ir fosforas (P) yra penkiavalentiai, o Ge ir Si - keturvalentiai. Jei į Ge arba Si kristalą pridedama nedidelis kiekis stibio kaip priemaiša, tai iš penkių jo valentinių elektronų keturi suformuos kovalentinius ryšius su kaimyniniais Ge atomais. Bet penktasis stibio elektronas tampa beveik laisvas judėti kristale.

Jei leistam Ge-kristalui bus taikoma potenciali įtampa, laisvi leistame Ge elektronai judės link teigiamo gnybto, o laidumas padidės. Kadangi neigiamai įkrauti laisvieji elektronai padidina legiruotų Ge kristalų laidumą, jis vadinamas n tipo puslaidininkiu.

p tipo puslaidininkis: Jei trivalentė priemaiša, tokia kaip indis, aliuminis ar boras (turintys tris valentinius elektronus), pridedama a labai maža keturvalentės Ge arba Si dalis, tada susidaro trys kovalentiniai ryšiai su trimis Ge atomais. Bet ketvirtasis Ge valentinis elektronas negali užmegzti kovalentinio ryšio su indiumu, nes susieti porai nelieka jokio elektrono.

Elektrono nebuvimas ar trūkumas vadinamas skylute. Kiekviena skylė tuo metu laikoma teigiamo krūvio regionu. Kadangi indo priedą turinčio Ge laidumas atsiranda dėl skylių, jis vadinamas p tipo puslaidininkiu.

Taigi n tipas ir p tipas yra du puslaidininkių tipai, o jų panaudojimas paaiškinamas taip: puslaidininkis ir n tipo puslaidininkis sujungiami kartu, o bendra sąsaja vadinama p-n sandūra diodas.

P-n jungties diodas naudojamas kaip lygintuvas elektroninėse grandinėse. Tranzistorius yra trijų gnybtų puslaidininkinis įtaisas, kuris gaminamas sumaišius ploną n tipo medžiagos riekelę tarp du didesni p tipo medžiagos gabalai arba plonas p tipo puslaidininkio gabalas tarp dviejų didesnių n tipo gabalų puslaidininkis. Taigi yra dviejų tipų tranzistoriai: p-n-p ir n-p-n. Transistorius naudojamas kaip stiprintuvas elektroninėse grandinėse.

Palyginus puslaidininkinį diodą su vakuumu, būtų galima ryškiau pažvelgti į puslaidininkių pranašumus.

• Skirtingai nei vakuuminiai diodai, puslaidininkiniuose įtaisuose nėra gijų. Vadinasi, norint išleisti elektronus iš puslaidininkio, nereikia šildyti.
• Puslaidininkinius įtaisus galima valdyti iškart po grandinės įtaiso įjungimo.
• Skirtingai nei vakuuminiai diodai, veikimo metu puslaidininkiai neskleidžia dūzgiančio garso.
• Palyginti su vakuuminiais vamzdeliais, puslaidininkiniams įtaisams visada reikalinga maža darbinė įtampa.
• Kadangi puslaidininkiai yra mažo dydžio, juos jungiančios grandinės taip pat yra labai kompaktiškos.
• Skirtingai nuo vakuuminių vamzdžių, puslaidininkiai yra atsparūs smūgiams. Be to, jie yra mažesnio dydžio, užima mažiau vietos ir sunaudoja mažiau energijos.
• Palyginti su vakuuminiais vamzdeliais, puslaidininkiai yra ypač jautrūs temperatūrai ir radiacijai.
• Puslaidininkiai yra pigesni nei vakuuminiai diodai, jų galiojimo laikas neribotas.
• Puslaidininkiniams įtaisams veikti nereikia vakuumo.

Apibendrinant galima pasakyti, kad puslaidininkinių įtaisų pranašumai gerokai viršija vakuuminių vamzdžių pranašumus. Atsiradus puslaidininkinėms medžiagoms, atsirado galimybė kurti smulkesnius, patvaresnius ir suderinamus elektroninius prietaisus.

Dažniausias puslaidininkinis įtaisas yra tranzistorius, kuris naudojamas loginiams vartams ir skaitmeninėms grandinėms gaminti. Puslaidininkinių įtaisų taikymas taip pat apima analogines grandines, kurios naudojamos osciliatoriuose ir stiprintuvuose.

Puslaidininkiniai įtaisai taip pat naudojami integruotose grandinėse, kurios veikia esant labai aukštai įtampai ir srovei. Puslaidininkinių įtaisų pritaikymas taip pat pastebimas kasdieniame gyvenime. Pavyzdžiui, didelės spartos kompiuterio lustai gaminami iš puslaidininkių. Telefonai, medicinos įranga ir robotika taip pat naudoja puslaidininkines medžiagas.