Výhody polovodičov

Polovodiče sú látky, ktorých elektrická vodivosť leží medzi vodivosťou dobrých vodičov a izolátorov. Polovodiče bez akejkoľvek nečistoty sa nazývajú vnútorné polovodiče. Germánium a kremík sú najbežnejšie používanými vnútornými polovodičmi. Ge (atómové číslo 32) aj kremík (atómové číslo 14) patria do štvrtej skupiny periodickej tabuľky a sú štvormocné.

Pri teplotách blízkych absolútnej nule sa čisté Ge a Si správajú ako dokonalé izolátory. Ale ich vodivosť rastie so zvyšovaním teploty. Pre Ge je väzbová energia elektrónu v kovalentnej väzbe 0,7 eV. Ak je táto energia dodávaná vo forme tepla, niektoré z väzieb sa prerušia a elektróny sa uvoľnia.

Za bežných teplôt sa časť elektrónov uvoľní z atómov ge alebo Si kryštálu a v kryštáli blúdia. Absencia elektrónu na predtým obsadenom mieste znamená kladný náboj na tomto mieste. Na mieste, kde sa uvoľňuje elektrón, sa údajne vytvorí „diera“. (Prázdny) otvor je ekvivalentom kladného náboja a má tendenciu prijímať elektrón.

Keď elektrón skočí do otvoru, v mieste, kde bol predtým elektrón, sa vytvorí nový otvor. Pohyb elektrónov v jednom smere je ekvivalentný pohybu dier v opačnom smere. Vo vnútorných polovodičoch teda vznikajú otvory a elektróny súčasne a oba pôsobia ako nosiče náboja.

Existujú dva typy vonkajších polovodičov: typ n a typ p.

polovodič typu n: Prvky ako arzén (As), antimón (Sb) a fosfor (P) sú päťmocné, zatiaľ čo Ge a Si sú štvormocné. Ak sa do kryštálu Ge alebo Si pridá malé množstvo antimónu ako nečistota, potom z jeho piatich valentných elektrónov budú štyri vytvárať kovalentné väzby so susednými atómami Ge. Ale piaty elektrón antimónu sa stáva takmer voľným pre pohyb v kryštáli.

Ak sa na dotovaný Ge-kryštál aplikuje potenciálne napätie, voľné elektróny v dopovanom Ge sa budú pohybovať smerom ku kladnému pólu a vodivosť sa zvýši. Pretože záporne nabité voľné elektróny zvyšujú vodivosť dopovaného kryštálu Ge, nazýva sa to polovodič typu n.

polovodič typu p: Ak sa pridá trojmocná nečistota ako indium, hliník alebo bór (majúci tri valenčné elektróny) v a veľmi malý podiel k štvormocnému Ge alebo Si, potom sa vytvoria tri kovalentné väzby s tromi atómami Ge. Ale štvrtý valenčný elektrón Ge nemôže vytvárať kovalentnú väzbu s indiom, pretože na párovanie nezostáva žiadny elektrón.

Absencia alebo nedostatok elektrónu sa nazýva diera. Každá diera sa v tomto bode považuje za oblasť kladného náboja. Pretože vodivosť Ge dopovaného indiom je spôsobená otvormi, nazýva sa to polovodič typu p.

Teda typy n a p sú dva typy polovodičov a ich použitie je vysvetlené takto: Typ p polovodič a polovodič typu n sú spojené a spoločné rozhranie sa nazýva prechod p-n dióda.

Spojovacia dióda p-n sa používa ako usmerňovač v elektronických obvodoch. Tranzistor je trojvodičové polovodičové zariadenie, ktoré sa vyrába sendvičovaním tenkého plátku materiálu typu n medzi dva väčšie kusy materiálu typu p alebo tenký plátok polovodiča typu p medzi dvoma väčšími kusmi typu n polovodič. Existujú teda dva typy tranzistorov: p-n-p a n-p-n. Tranzistor sa používa ako zosilňovač v elektronických obvodoch.

Porovnanie polovodičovej diódy a vákua by poskytlo živší pohľad na výhody polovodičov.

• Na rozdiel od vákuových diód nie sú v polovodičových zariadeniach žiadne vlákna. Preto nie je potrebné žiadne vykurovanie, aby sa emitovali elektróny v polovodiči.
• Polovodičové prístroje je možné prevádzkovať ihneď po zapnutí obvodového prístroja.
• Na rozdiel od vákuových diód polovodiče v čase prevádzky polovodiče nevydávajú žiadny zvuk.
• V porovnaní s elektrónkami potrebujú polovodičové zariadenia vždy nízke prevádzkové napätie.
• Pretože sú polovodiče malé, sú zapojené aj veľmi kompaktné.
• Na rozdiel od elektrónok sú polovodiče odolné proti nárazom. Navyše majú menšie rozmery, zaberajú menej miesta a spotrebujú menej energie.
• V porovnaní s elektrónkami sú polovodiče mimoriadne citlivé na teplotu a žiarenie.
• Polovodiče sú lacnejšie ako vákuové diódy a majú neobmedzenú životnosť.
• Polovodičové zariadenia nepotrebujú pre svoju činnosť vákuum.

Stručne povedané, výhody polovodičových zariadení vysoko prevyšujú výhody vákuových elektrónok. S príchodom polovodičového materiálu bolo možné vyvinúť malé elektronické zariadenia, ktoré boli sofistikovanejšie, odolnejšie a kompatibilnejšie.

Najbežnejším polovodičovým zariadením je tranzistor, ktorý sa používa na výrobu logických brán a digitálnych obvodov. Aplikácie polovodičových zariadení sa tiež rozširujú na analógové obvody, ktoré sa používajú v oscilátoroch a zosilňovačoch.

Polovodičové prvky sa používajú aj v integrovaných obvodoch, ktoré pracujú pri veľmi vysokom napätí a prúde. Aplikácie polovodičových zariadení možno vidieť aj v každodennom živote. Napríklad vysokorýchlostné počítačové čipy sú vyrobené z polovodičov. Polovodičové materiály využívajú aj telefóny, lekárske prístroje a robotika.