Pusvadītāji ir vielas, kuru elektrovadītspēja atrodas starp labu vadītāju un izolatoru vadītspēju. Pusvadītājus bez jebkāda piemaisījuma sauc par iekšējiem pusvadītājiem. Ģermānijs un silīcijs ir visbiežāk izmantotie iekšējie pusvadītāji. Gan Ge (atomskaitlis 32), gan silīcijs (atomu skaitlis 14) pieder pie periodiskās tabulas ceturtās grupas, un tie ir četrvērtīgi.
Kādas ir pusvadītāju īpašības?
Temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei, tīrie Ge un Si izturas kā ideāli izolatori. Bet to vadītspēja palielinās, palielinoties temperatūrai. Ge gadījumā elektrona saistīšanās enerģija kovalentajā saitē ir 0,7 eV. Ja šī enerģija tiek piegādāta siltuma formā, dažas saites tiek pārtrauktas un elektroni tiek atbrīvoti.
Parastās temperatūrās daži no elektroniem ir atbrīvoti no Ge vai Si kristāla atomiem, un tie klīst kristālā. Elektrona neesamība iepriekš aizņemtā vietā nozīmē pozitīvu lādiņu šajā vietā. Tiek teikts, ka vietā, kur elektrons tiek atbrīvots, tiek izveidota “bedre”. (Brīva) caurums ir ekvivalents pozitīvajam lādiņam, un tam ir tendence pieņemt elektronu.
Kad elektrons lec uz atveri, vietā, kur iepriekš bija elektrons, rodas jauna caurums. Elektronu kustība vienā virzienā ir līdzvērtīga urbumu kustībai pretējā virzienā. Tādējādi iekšējos pusvadītājos caurumi un elektroni tiek ražoti vienlaicīgi, un abi darbojas kā lādiņa nesēji.
Pusvadītāju veidi un to izmantošana
Pastāv divu veidu ārējie pusvadītāji: n-veida un p-veida.
n tipa pusvadītājs: Tādi elementi kā arsēns (As), antimons (Sb) un fosfors (P) ir piecvērtīgi, savukārt Ge un Si ir četrvērtīgi. Ja Ge vai Si kristālam kā piemaisījumu pievieno nelielu daudzumu antimona, tad no tā pieciem valentajiem elektroniem četri veidos kovalentās saites ar kaimiņu Ge atomiem. Bet piektais antimona elektrons gandrīz brīvi pārvietojas kristālā.
Ja lejamajam Ge-kristālam tiek piemērots potenciālais spriegums, leģētajā Ge brīvie elektroni virzīsies uz pozitīvo spaili un palielinās vadītspēja. Tā kā negatīvi lādētie brīvie elektroni palielina leģēto Ge kristālu vadītspēju, to sauc par n-veida pusvadītāju.
p tipa pusvadītājs: Ja a. Pievieno trīsvērtīgu piemaisījumu, piemēram, indiju, alumīniju vai boru (ar trim valences elektroniem) ļoti maza proporcija pret četrvērtīgo Ge vai Si, tad tiek izveidotas trīs kovalentās saites ar trim Ge atomiem. Bet ceturtais Ge valences elektrons nevar izveidot kovalentu saiti ar indiju, jo pārošanai nav atstāts neviens elektrons.
Elektrona neesamību vai trūkumu sauc par caurumu. Katra bedre šajā brīdī tiek uzskatīta par pozitīva lādiņa reģionu. Tā kā ar indiju leģēta Ge vadītspēja ir caurumu dēļ, to sauc par p tipa pusvadītāju.
Tādējādi n-tips un p-tips ir divi pusvadītāju veidi, un to lietojums tiek skaidrots šādi: pusvadītājs un n-veida pusvadītājs ir savienoti kopā, un kopējo saskarni sauc par p-n krustojumu diode.
P-n savienojuma diodi izmanto kā taisngriezi elektroniskajās ķēdēs. Transistors ir trīs termināļu pusvadītāju ierīce, kas tiek izgatavota, starp starpā iestiprinot plānu n veida materiāla šķēli. divi lielāki p-veida materiāla gabali vai plāna p-veida pusvadītāja šķēle starp diviem lielākiem n-veida gabaliem pusvadītājs. Tādējādi ir divu veidu tranzistori: p-n-p un n-p-n. Transistoru izmanto kā pastiprinātāju elektroniskajās ķēdēs.
Kādas ir pusvadītāju priekšrocības?
Pusvadītāju diode un vakuuma salīdzinājums ļautu spilgtāk ieskatīties pusvadītāju priekšrocībās.
- Atšķirībā no vakuuma diodēm pusvadītāju ierīcēs nav pavedienu. Tādējādi elektronu izstarošanai pusvadītājā nav nepieciešama apkure.
- Pusvadītāju ierīces var darbināt tūlīt pēc ķēdes ierīces ieslēgšanas.
- Atšķirībā no vakuuma diodēm, pusvadītāji darbības laikā nerada skaņu.
- Salīdzinot ar vakuuma caurulēm, pusvadītāju ierīcēm vienmēr ir nepieciešams zems darba spriegums.
- Tā kā pusvadītāji ir maza izmēra, arī ar tiem saistītās shēmas ir ļoti kompaktas.
- Atšķirībā no vakuuma caurulēm pusvadītāji ir izturīgi pret triecieniem. Turklāt tie ir mazāka izmēra, aizņem mazāk vietas un patērē mazāk enerģijas.
- Salīdzinot ar vakuuma caurulēm, pusvadītāji ir ārkārtīgi jutīgi pret temperatūru un starojumu.
- Pusvadītāji ir lētāki nekā vakuuma diodes, un to derīguma termiņš ir neierobežots.
- Pusvadītāju ierīcēm darbībai nav nepieciešams vakuums.
Kopumā pusvadītāju ierīču priekšrocības ir daudz lielākas par vakuuma caurulēm. Līdz ar pusvadītāju materiāla parādīšanos kļuva iespējams izstrādāt mazas elektroniskas ierīces, kas būtu sarežģītākas, izturīgākas un savietojamākas.
Kādi ir pusvadītāju ierīču pielietojumi?
Visizplatītākā pusvadītāju ierīce ir tranzistors, ko izmanto loģisko vārtu un digitālo shēmu ražošanai. Pusvadītāju ierīču pielietojums attiecas arī uz analogajām shēmām, kuras izmanto oscilatoros un pastiprinātājos.
Pusvadītāju ierīces tiek izmantotas arī integrētās shēmās, kas darbojas ar ļoti augstu spriegumu un strāvu. Pusvadītāju ierīču pielietojums ir redzams arī ikdienas dzīvē. Piemēram, ātrgaitas datoru mikroshēmas tiek izgatavotas no pusvadītājiem. Telefoni, medicīnas aprīkojums un robotika izmanto arī pusvadītāju materiālus.