Als we aan elektronische apparaten denken, denken we vaak aan hoe snel deze apparaten werken of hoe lang we het apparaat kunnen laten werken voordat de batterij wordt opgeladen. Waar de meeste mensen niet aan denken, is waar de componenten van hun elektronische apparaten van gemaakt zijn. Hoewel elk apparaat anders is qua constructie, hebben deze apparaten allemaal één ding gemeen: elektronische circuits met componenten die de chemische elementen silicium en germanium bevatten.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Silicium en germanium zijn twee chemische elementen die metalloïden worden genoemd. Zowel silicium als germanium kunnen worden gecombineerd met andere elementen die doteringen worden genoemd om elektronische apparaten in vaste toestand te creëren, zoals diodes, transistors en foto-elektrische cellen. Het belangrijkste verschil tussen silicium- en germaniumdiodes is de spanning die nodig is om de diode in te schakelen (of "voorwaarts vooringenomen" te worden). Siliciumdiodes hebben 0,7 volt nodig om voorwaarts voorgespannen te worden, terwijl germaniumdiodes slechts 0,3 volt nodig hebben om voorwaarts voorgespannen te worden.
Hoe kunnen metalloïden elektrische stromen geleiden?
Germanium en silicium zijn chemische elementen die metalloïden worden genoemd. Beide elementen zijn broos en hebben een metaalglans. Elk van deze elementen heeft een buitenste elektronenschil die vier elektronen bevat; deze eigenschap van silicium en germanium maakt het voor beide elementen in zijn puurste vorm moeilijk om een goede elektrische geleider te zijn. Een manier om een metalloïde elektrische stroom vrij te laten geleiden, is door deze op te warmen. Door warmte toe te voegen, gaan de vrije elektronen in een metalloïde sneller bewegen en vrijer reizen, waardoor ze kunnen worden toegepast elektrische stroom om te vloeien als het verschil in spanning over de metalloïde voldoende is om in de geleiding te springen band.
Introductie van doteerstoffen voor silicium en germanium
Een andere manier om de elektrische eigenschappen van germanium en silicium te veranderen, is het introduceren van chemische elementen die doteringen worden genoemd. Elementen zoals boor, fosfor of arseen zijn te vinden op het periodiek systeem in de buurt van silicium en germanium. Wanneer doteermiddelen in een metalloïde worden geïntroduceerd, levert de doteerstof ofwel een extra elektron aan de buitenste elektronenschil van de metalloïde, of ontneemt de metalloïde een van zijn elektronen.
In het praktijkvoorbeeld van een diode wordt een stuk silicium gedoteerd met twee verschillende doteerstoffen, zoals borium aan de ene kant en arseen aan de andere. Het punt waar de met borium gedoteerde zijde de met arseen gedoteerde zijde ontmoet, wordt een PN-overgang genoemd. Voor een siliciumdiode wordt de met borium gedoteerde zijde "P-type silicium" genoemd omdat de introductie van boor het silicium van een elektron berooft of een elektron "gat" introduceert. Aan aan de andere kant wordt met arseen gedoteerd silicium "N-type silicium" genoemd omdat het een elektron toevoegt, waardoor het gemakkelijker wordt voor elektrische stroom om te vloeien wanneer er spanning op de diode.
Aangezien een diode fungeert als een eenrichtingsklep voor de stroom van elektrische stroom, moet er een spanningsverschil worden aangelegd op de twee helften van de diode, en dit moet in de juiste gebieden worden toegepast. In de praktijk betekent dit dat de positieve pool van een stroombron moet worden aangebracht op de draad die naar de gaat P-type materiaal, terwijl de negatieve pool moet worden toegepast op het N-type materiaal om de diode te laten geleiden; elektriciteit. Wanneer een diode correct wordt gevoed en de diode elektrische stroom geleidt, wordt gezegd dat de diode voorwaarts is voorgespannen. Wanneer de negatieve en positieve polen van een stroombron worden toegepast op de materialen met tegengestelde polariteit van een diode - positieve pool naar N-type materiaal en negatieve pool naar P-type materiaal - een diode geleidt geen elektrische stroom, een toestand die bekend staat als reverse-bias.
Het verschil tussen germanium en silicium
Het belangrijkste verschil tussen germanium- en siliciumdiodes is de spanning waarbij elektrische stroom vrijelijk over de diode begint te stromen. Een germaniumdiode begint typisch elektrische stroom te geleiden wanneer de juiste spanning over de diode 0,3 volt bereikt. Siliciumdiodes hebben meer spanning nodig om stroom te geleiden; er is 0,7 volt nodig om een voorwaartse voorspanning te creëren in een siliciumdiode.