Semiconductorii sunt substanțe care au conductivitățile electrice situate între cea a conductorilor buni și a izolatorilor. Semiconductorii, fără nici o impuritate, sunt numiți semiconductori intrinseci. Germaniul și siliciul sunt cele mai utilizate semiconductoare intrinseci. Atât Ge (numărul atomic 32), cât și siliciu (numărul atomic 14) aparțin celui de-al patrulea grup al tabelului periodic și sunt tetravalente.
Care sunt caracteristicile semiconductorilor?
La temperaturi aproape de zero absolut, Ge și Si pur se comportă ca niște izolatori perfecti. Dar conductivitățile lor cresc odată cu creșterea temperaturii. Pentru Ge, energia de legare a unui electron din legătura covalentă este de 0,7 eV. Dacă această energie este furnizată sub formă de căldură, unele dintre legături sunt rupte, iar electronii sunt eliberați.
La temperaturi obișnuite, unii dintre electroni sunt eliberați de atomii cristalului Ge sau Si și rătăcesc în cristal. Absența unui electron într-un loc ocupat anterior implică o încărcare pozitivă în acel loc. Se spune că se creează o „gaură” în locul în care electronul este eliberat. O gaură (vacantă) este echivalentă cu sarcina pozitivă și are tendința de a accepta un electron.
Când un electron sare într-o gaură, se produce o nouă gaură în locul în care electronul a fost anterior. Mișcarea electronilor într-o direcție este echivalentă cu mișcarea găurilor în direcția opusă. Astfel, în semiconductorii intrinseci, găurile și electronii sunt produși simultan și ambii acționează ca purtători de sarcină.
Tipurile de semiconductori și utilizările lor
Există două tipuri de semiconductori extrinseci: de tip n și de tip p.
semiconductor de tip n: Elemente precum arsenicul (As), antimoniul (Sb) și fosforul (P) sunt pentavalente, în timp ce Ge și Si sunt tetravalente. Dacă se adaugă o cantitate mică de antimoniu la cristalul Ge sau Si, ca impuritate, atunci din cei cinci electroni valenți ai săi, patru vor forma legături covalente cu atomii Ge învecinați. Dar al cincilea electron al antimoniului devine aproape liber să se miște în cristal.
Dacă se aplică o tensiune potențială cristalului Ge dopat, electronii liberi din Ge dopat se vor deplasa către terminalul pozitiv, iar conductivitatea crește. Deoarece electronii liberi încărcați negativ cresc conductivitatea cristalului Ge dopat, se numește semiconductor de tip n.
semiconductor de tip p: Dacă se adaugă o impuritate trivalentă precum indiu, aluminiu sau bor (având trei electroni de valență) într-un proporție foarte mică față de Ge sau Si tetravalent, atunci se formează trei legături covalente cu trei atomi Ge. Dar cel de-al patrulea electron de valență al lui Ge nu poate forma o legătură covalentă cu indiu deoarece nu mai rămâne nici un electron pentru împerechere.
Absența sau deficiența unui electron se numește gaură. Fiecare gaură este privită ca o regiune de sarcină pozitivă în acel moment. Deoarece conductivitatea Ge dopată cu indiu se datorează găurilor, se numește semiconductor de tip p.
Astfel, tipul n și tipul p sunt cele două tipuri de semiconductori, iar utilizările lor sunt explicate după cum urmează: Un tip p semiconductorul și un semiconductor de tip n sunt unite împreună, iar interfața comună se numește joncțiune p-n diodă.
O diodă de joncțiune p-n este utilizată ca redresor în circuitele electronice. Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor cu trei terminale, care este realizat prin intercalarea unei felii subțiri de material de tip n între două bucăți mai mari de material de tip p sau o felie subțire de semiconductor de tip p între două bucăți mai mari de tip n semiconductor. Astfel, există două tipuri de tranzistoare: p-n-p și n-p-n. Un tranzistor este utilizat ca amplificator în circuitele electronice.
Care sunt avantajele semiconductoarelor?
O comparație între o diodă semiconductoare și un vid ar oferi o privire mai vie despre avantajele semiconductoarelor.
- Spre deosebire de diodele de vid, nu există filamente în dispozitivele semiconductoare. Prin urmare, nu este necesară încălzirea pentru a emite electroni într-un semiconductor.
- Dispozitivele semiconductoare pot fi operate imediat după pornirea dispozitivului de circuit.
- Spre deosebire de diodele de vid, semiconductorii nu produc sunete de zumzet în momentul funcționării.
- Comparativ cu tuburile de vid, dispozitivele semiconductoare au nevoie întotdeauna de o tensiune de funcționare scăzută.
- Deoarece semiconductorii au dimensiuni mici, circuitele care le implică sunt, de asemenea, foarte compacte.
- Spre deosebire de tuburile de vid, semiconductorii sunt rezistente la șocuri. Mai mult, au dimensiuni mai mici și ocupă mai puțin spațiu și consumă mai puțină energie.
- Comparativ cu tuburile de vid, semiconductorii sunt extrem de sensibili la temperatură și radiații.
- Semiconductorii sunt mai ieftini decât diodele de vid și au o durată de valabilitate nelimitată.
- Dispozitivele semiconductoare nu au nevoie de vid pentru funcționare.
Pe scurt, avantajele dispozitivelor semiconductoare depășesc cu mult pe cele ale tuburilor de vid. Odată cu apariția materialului semiconductor, a devenit posibil să se dezvolte mici dispozitive electronice mai sofisticate, durabile și compatibile.
Care sunt aplicațiile dispozitivelor semiconductoare?
Cel mai comun dispozitiv semiconductor este tranzistorul, care este utilizat pentru fabricarea porților logice și a circuitelor digitale. Aplicațiile dispozitivelor semiconductoare se extind și la circuitele analogice, care sunt utilizate în oscilatoare și amplificatoare.
Dispozitivele semiconductoare sunt utilizate și în circuitele integrate, care funcționează la o tensiune și curent foarte ridicate. Aplicațiile dispozitivelor semiconductoare sunt văzute și în viața de zi cu zi. De exemplu, cipurile de computer de mare viteză sunt fabricate din semiconductori. Telefoanele, echipamentele medicale și robotica folosesc, de asemenea, materiale semiconductoare.