Półprzewodniki to substancje, których przewodnictwo elektryczne znajduje się pomiędzy dobrymi przewodnikami a izolatorami. Półprzewodniki bez zanieczyszczeń nazywane są półprzewodnikami samoistnymi. Najczęściej stosowanymi półprzewodnikami samoistnymi są german i krzem. Zarówno Ge (liczba atomowa 32), jak i krzem (liczba atomowa 14) należą do czwartej grupy układu okresowego i są czterowartościowe.
Jakie są cechy półprzewodników?
W temperaturach bliskich zeru absolutnego czyste Ge i Si zachowują się jak doskonałe izolatory. Ale ich przewodnictwo wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Dla Ge energia wiązania elektronu w wiązaniu kowalencyjnym wynosi 0,7 eV. Jeśli ta energia jest dostarczana w postaci ciepła, część wiązań zostaje zerwana, a elektrony zostają uwolnione.
W zwykłych temperaturach niektóre elektrony są uwalniane z atomów kryształu Ge lub Si i wędrują w krysztale. Brak elektronu w wcześniej zajmowanym miejscu oznacza dodatni ładunek w tym miejscu. Mówi się, że w miejscu uwolnienia elektronu powstaje „dziura”. Dziura (pusta) jest równoważna ładunkowi dodatniemu i ma tendencję do przyjmowania elektronu.
Kiedy elektron przeskakuje do dziury, w miejscu, w którym wcześniej znajdował się elektron, powstaje nowa dziura. Ruch elektronów w jednym kierunku jest równoważny ruchowi dziur w przeciwnym kierunku. Tak więc w półprzewodnikach samoistnych dziury i elektrony powstają jednocześnie i oba pełnią funkcję nośników ładunku.
Rodzaje półprzewodników i ich zastosowania
Istnieją dwa rodzaje zewnętrznych półprzewodników: typu n i typu p.
półprzewodnik typu n: Pierwiastki takie jak arsen (As), antymon (Sb) i fosfor (P) są pięciowartościowe, natomiast Ge i Si są czterowartościowe. Jeśli niewielka ilość antymonu zostanie dodana do kryształu Ge lub Si jako zanieczyszczenie, to cztery z pięciu elektronów o wartościowości utworzą wiązania kowalencyjne z sąsiednimi atomami Ge. Ale piąty elektron antymonu prawie swobodnie porusza się w krysztale.
Jeśli do domieszkowanego kryształu Ge zostanie przyłożone potencjalne napięcie, swobodne elektrony w domieszkowanym Ge przesuną się w kierunku dodatniego zacisku, a przewodnictwo wzrośnie. Ponieważ ujemnie naładowane swobodne elektrony zwiększają przewodność domieszkowanego kryształu Ge, nazywa się go półprzewodnikiem typu n.
półprzewodnik typu p: Jeśli trójwartościowe zanieczyszczenie, takie jak ind, glin lub bor (mające trzy elektrony walencyjne) jest dodawane w bardzo mała proporcja do czterowartościowego Ge lub Si, wtedy powstają trzy wiązania kowalencyjne z trzema atomami Ge. Ale czwarty elektron walencyjny Ge nie może utworzyć wiązania kowalencyjnego z indem, ponieważ nie ma elektronu do parowania.
Brak lub niedobór elektronu nazywa się dziurą. Każdy otwór jest w tym miejscu traktowany jako obszar o ładunku dodatnim. Ponieważ przewodność Ge domieszkowanego indem wynika z dziur, nazywa się to półprzewodnikiem typu p.
Zatem typ n i typ p są dwoma typami półprzewodników, a ich zastosowania wyjaśniono w następujący sposób: półprzewodnik i półprzewodnik typu n są połączone razem, a wspólny interfejs nazywa się złączem p-n dioda.
Dioda złącza p-n jest używana jako prostownik w obwodach elektronicznych. Tranzystor to trójzaciskowe urządzenie półprzewodnikowe, które jest wykonane przez włożenie cienkiego kawałka materiału typu n pomiędzy dwa większe kawałki materiału typu p lub cienki kawałek półprzewodnika typu p pomiędzy dwoma większymi kawałkami typu n półprzewodnik. Tak więc istnieją dwa rodzaje tranzystorów: p-n-p i n-p-n. Tranzystor jest używany jako wzmacniacz w obwodach elektronicznych.
Jakie są zalety półprzewodników?
Porównanie diody półprzewodnikowej z próżnią dałoby żywsze spojrzenie na zalety półprzewodników.
- W przeciwieństwie do diod próżniowych w urządzeniach półprzewodnikowych nie ma żarników. W związku z tym nie jest wymagane ogrzewanie, aby emitować elektrony w półprzewodniku.
- Urządzenia półprzewodnikowe mogą być obsługiwane natychmiast po włączeniu urządzenia obwodu.
- W przeciwieństwie do diod próżniowych półprzewodniki nie wytwarzają brzęczenia podczas pracy.
- W porównaniu z lampami próżniowymi urządzenia półprzewodnikowe zawsze wymagają niskiego napięcia roboczego.
- Ponieważ półprzewodniki mają niewielkie rozmiary, obwody z nimi związane są również bardzo zwarte.
- W przeciwieństwie do lamp próżniowych półprzewodniki są odporne na wstrząsy. Ponadto są mniejsze, zajmują mniej miejsca i zużywają mniej energii.
- W porównaniu z lampami próżniowymi półprzewodniki są niezwykle wrażliwe na temperaturę i promieniowanie.
- Półprzewodniki są tańsze niż diody próżniowe i mają nieograniczony okres trwałości.
- Urządzenia półprzewodnikowe nie potrzebują próżni do działania.
Podsumowując, zalety urządzeń półprzewodnikowych znacznie przewyższają zalety lamp próżniowych. Wraz z pojawieniem się materiałów półprzewodnikowych stało się możliwe opracowanie małych urządzeń elektronicznych, które byłyby bardziej wyrafinowane, trwałe i kompatybilne.
Jakie są zastosowania urządzeń półprzewodnikowych?
Najpopularniejszym urządzeniem półprzewodnikowym jest tranzystor, który jest używany do produkcji bramek logicznych i obwodów cyfrowych. Zastosowania urządzeń półprzewodnikowych obejmują również obwody analogowe, które są wykorzystywane w oscylatorach i wzmacniaczach.
Urządzenia półprzewodnikowe są również stosowane w układach scalonych, które działają przy bardzo wysokim napięciu i prądzie. Zastosowania urządzeń półprzewodnikowych widoczne są również w życiu codziennym. Na przykład szybkie chipy komputerowe są wykonane z półprzewodników. Telefony, sprzęt medyczny i robotyka również wykorzystują materiały półprzewodnikowe.