Prednosti polprevodnikov

Polprevodniki so snovi, katerih električna prevodnost se nahaja med dobro vodniki in izolatorji. Polprevodniki brez nečistoč se imenujejo lastni polprevodniki. Germanij in silicij sta najpogosteje uporabljena notranja polprevodnika. Tako Ge (atomsko število 32) kot silicij (atomsko število 14) spadata v četrto skupino periodnega sistema in sta tetravalentna.

Pri temperaturah blizu absolutne ničle se čisti Ge in Si obnašata kot popolna izolatorja. Toda njihove prevodnosti se povečujejo s povečanjem temperature. Za Ge je vezavna energija elektrona v kovalentni vezi 0,7 eV. Če se ta energija dovaja v obliki toplote, se nekatere vezi pretrgajo in elektroni se sprostijo.

Pri običajnih temperaturah se nekateri elektroni sprostijo iz atomov kristala Ge ali Si in tavajo v kristalu. Odsotnost elektrona na prej zasedenem mestu pomeni pozitiven naboj na tem mestu. Na mestu, kjer se sprosti elektron, naj bi nastala "luknja". (Prosta) luknja je enakovredna pozitivnemu naboju in ima tendenco, da sprejme elektron.

Ko elektron skoči v luknjo, nastane nova luknja na mestu, kjer je bil prej elektron. Gibanje elektronov v eno smer je enakovredno gibanju lukenj v nasprotni smeri. Tako se v notranjih polprevodnikih istočasno proizvajajo luknje in elektroni, ki delujejo kot nosilca naboja.

Obstajata dve vrsti zunanjih polprevodnikov: n-tip in p-tip.

polprevodnik n-tipa: Elementi, kot so arzen (As), antimon (Sb) in fosfor (P), so peterovalentni, Ge in Si pa četverovalentni. Če kristalu Ge ali Si dodamo majhno količino antimona kot nečistočo, potem bodo štirje izmed pet valentnih elektronov tvorili kovalentne vezi s sosednjimi atomi Ge. Toda peti elektron antimona postane skoraj prost za gibanje v kristalu.

Če na dopirani Ge-kristal uporabimo potencialno napetost, se bodo prosti elektroni v dopirani Ge premaknili proti pozitivnemu koncu in prevodnost se bo povečala. Ker negativno nabiti prosti elektroni povečajo prevodnost dopiranega Ge kristala, se imenuje polprevodnik n-tipa.

polprevodnik tipa p: Če se v a doda trivalentna nečistoča, kot je indij, aluminij ali bor (s tremi valenčnimi elektroni) zelo majhen delež do četverovalentnega Ge ali Si, potem nastanejo tri kovalentne vezi s tremi atomi Ge. Toda četrti valentni elektron Ge ne more tvoriti kovalentne vezi z indijem, ker noben elektron ne ostane za seznanjanje.

Odsotnost ali pomanjkanje elektrona imenujemo luknja. Vsaka luknja se v tem trenutku obravnava kot območje pozitivnega naboja. Ker je prevodnost Ge, dopirane z indijem, posledica lukenj, se imenuje polprevodnik tipa p.

N-tip in p-tip sta torej dve vrsti polprevodnikov, njihova uporaba pa je razložena na naslednji način: P-tip polprevodnik in n-tip polprevodnika sta združena, skupni vmesnik pa se imenuje p-n spoj dioda.

P-n spojna dioda se uporablja kot usmernik v elektronskih vezjih. Tranzistor je polprevodniška naprava s tremi priključki, ki je narejena s stiskanjem tanke rezine materiala tipa n med dva večja kosa materiala tipa p ali tanka rezina polprevodnika tipa p med dvema večjima koščkoma tipa n polprevodnik. Tako obstajata dve vrsti tranzistorjev: p-n-p in n-p-n. Tranzistor se uporablja kot ojačevalnik v elektronskih vezjih.

Primerjava med polprevodniško diodo in vakuumom bi dala bolj živahen vpogled v prednosti polprevodnikov.

• Za razliko od vakuumskih diod v polprevodniških napravah ni filamentov. Zato za oddajanje elektronov v polprevodniku ni potrebno ogrevanje.
• Polprevodniške naprave je mogoče upravljati takoj po vklopu vezja.
• Za razliko od vakuumskih diod polprevodniki med delovanjem ne proizvajajo zvoka.
• V primerjavi z vakuumskimi cevmi polprevodniške naprave vedno potrebujejo nizko delovno napetost.
• Ker so polprevodniki majhne velikosti, so vezja z njimi tudi zelo kompaktna.
• Za razliko od vakuumskih cevi so polprevodniki odporni na udarce. Poleg tega so manjše velikosti, zasedejo manj prostora in porabijo manj energije.
• V primerjavi z vakuumskimi cevmi so polprevodniki izjemno občutljivi na temperaturo in sevanje.
• Polprevodniki so cenejši od vakuumskih diod in imajo neomejen rok trajanja.
• Polprevodniške naprave za delovanje ne potrebujejo podtlaka.

Če povzamemo, prednosti polprevodniških naprav močno presegajo prednosti vakuumskih cevi. S pojavom polprevodniškega materiala je bilo mogoče razviti majhne elektronske naprave, ki so bile bolj dovršene, trajne in združljive.

Najpogostejša polprevodniška naprava je tranzistor, ki se uporablja za izdelavo logičnih vrat in digitalnih vezij. Uporaba polprevodniških naprav se razširi tudi na analogna vezja, ki se uporabljajo v oscilatorjih in ojačevalnikih.

Polprevodniške naprave se uporabljajo tudi v integriranih vezjih, ki delujejo pri zelo visoki napetosti in toku. Uporabe polprevodniških naprav opazimo tudi v vsakdanjem življenju. Na primer, hitri računalniški čipi so narejeni iz polprevodnikov. Tudi telefoni, medicinska oprema in robotika uporabljajo polprevodniške materiale.