Halvledere er stoffer som har deres elektriske ledningsevne mellom gode ledere og isolatorer. Halvledere, uten urenhet, kalles indre halvledere. Germanium og silisium er de mest brukte indre halvledere. Både Ge (atomnummer 32) og silisium (atomnummer 14) tilhører den fjerde gruppen i det periodiske systemet, og de er tetravalente.
Hva kjennetegner halvledere?
Ved temperaturer nær absolutt null oppfører ren Ge og Si seg som perfekte isolatorer. Men ledningsevnen deres øker med temperaturøkning. For Ge er bindingsenergien til et elektron i den kovalente bindingen 0,7 eV. Hvis denne energien tilføres i form av varme, brytes noen av bindingene, og elektronene frigjøres.
Ved vanlige temperaturer blir noen av elektronene satt fri fra atomene til Ge- eller Si-krystall, og de vandrer i krystallen. Fraværet av et elektron på et tidligere okkupert sted innebærer en positiv ladning på det stedet. Et "hull" sies å være opprettet på stedet der elektronet frigjøres. Et (ledig) hull tilsvarer positiv ladning, og det har en tendens til å akseptere et elektron.
Når et elektron hopper til et hull, blir det produsert et nytt hull på stedet der elektronet tidligere var. Bevegelsen til elektroner i en retning tilsvarer bevegelsen av hull i motsatt retning. Således produseres hull og elektroner i indre halvledere samtidig, og begge fungerer som ladningsbærere.
Typer halvledere og deres bruk
Det er to typer ekstrinside halvledere: n-type og p-type.
halvleder av n-type: Elementer som arsen (As), antimon (Sb) og fosfor (P) er pentavalente, mens Ge og Si er tetravalente. Hvis en liten mengde antimon tilsettes Ge- eller Si-krystallet, som en urenhet, vil fire av de fem valente elektronene danne kovalente bindinger med nærliggende Ge-atomer. Men det femte elektronet av antimon blir nesten fritt til å bevege seg i krystallen.
Hvis en potensiell spenning påføres den dopede Ge-krystallet, vil de frie elektronene i dopet Ge bevege seg mot den positive terminalen, og ledningsevnen øker. Siden de negativt ladede frie elektronene øker ledningsevnen til dopet Ge-krystall, kalles det en n-type halvleder.
halvleder av p-type: Hvis en treverdig urenhet som indium, aluminium eller bor (med tre valenselektroner) tilsettes i a veldig liten andel av tetravalent Ge eller Si, da dannes tre kovalente bindinger med tre Ge-atomer. Men det fjerde valenselektronet til Ge kan ikke danne en kovalent binding med indium fordi det ikke er noe elektron igjen for paring.
Fraværet eller mangelen på et elektron kalles et hull. Hvert hull betraktes som en region med positiv ladning på det tidspunktet. Ettersom ledningsevnen til Ge dopet med indium skyldes hull, kalles den en halvleder av typen p.
Dermed er n-type og p-type de to typene halvledere, og bruken av dem blir forklart som følger: A p-type halvleder og en n-type halvleder er koblet sammen, og det felles grensesnittet kalles et p-n-kryss diode.
En p-n-kryssdiode brukes som likeretter i elektroniske kretser. En transistor er en tre-terminal halvlederanordning, som er laget ved å klemme en tynn skive av n-type materiale mellom to større biter av p-type materiale, eller en tynn skive p-type halvleder mellom to større biter av n-typen halvleder. Dermed er det to typer transistorer: p-n-p og n-p-n. En transistor brukes som forsterker i elektroniske kretser.
Hva er fordelene med halvledere?
En sammenligning mellom en halvlederdiode og et vakuum vil gi et mer levende innblikk i fordelene med halvledere.
- I motsetning til vakuumdioder er det ingen filamenter i halvlederinnretninger. Derfor er ingen oppvarming nødvendig for å avgi elektroner i en halvleder.
- Halvledere kan brukes umiddelbart etter at kretsenheten er slått på.
- I motsetning til vakuumdioder produseres ingen brummende lyd av halvledere på tidspunktet for drift.
- Sammenlignet med vakuumrør trenger halvledere alltid lav driftsspenning.
- Fordi halvledere er små i størrelse, er kretsene som involverer dem også veldig kompakte.
- I motsetning til vakuumrør er halvledere støtsikre. Videre er de mindre i størrelse og tar mindre plass og bruker mindre strøm.
- Sammenlignet med vakuumrør er halvledere ekstremt følsomme for temperatur og stråling.
- Halvledere er billigere enn vakuumdioder og har ubegrenset holdbarhet.
- Halvledere trenger ikke vakuum for drift.
Oppsummert er fordelene med halvlederanordninger langt større enn fordelene ved vakuumrør. Med fremkomsten av halvledermateriale ble det mulig å utvikle små elektroniske enheter som var mer sofistikerte, holdbare og kompatible.
Hva er anvendelsene av halvlederutstyr?
Den vanligste halvlederenheten er transistoren, som brukes til å produsere logiske porter og digitale kretser. Anvendelsene av halvlederanordninger strekker seg også til analoge kretser, som brukes i oscillatorer og forsterkere.
Halvlederenheter brukes også i integrerte kretser, som fungerer med veldig høy spenning og strøm. Bruken av halvlederinnretninger sees også i det daglige. For eksempel er høyhastighets datamaskinbrikker laget av halvledere. Telefoner, medisinsk utstyr og robotikk benytter seg også av halvledermaterialer.
