Fördelarna med halvledare

Halvledare är ämnen som har sin elektriska ledningsförmåga mellan goda ledare och isolatorer. Halvledare, utan någon orenhet, kallas inneboende halvledare. Germanium och kisel är de vanligaste inneboende halvledarna. Både Ge (atomnummer 32) och kisel (atomnummer 14) tillhör den fjärde gruppen i det periodiska systemet, och de är fyrvärda.

Vid temperaturer nära absolut noll beter sig ren Ge och Si som perfekta isolatorer. Men deras konduktivitet ökar med ökad temperatur. För Ge är bindningsenergin för en elektron i den kovalenta bindningen 0,7 eV. Om denna energi tillförs i form av värme bryts några av bindningarna och elektronerna frigörs.

Vid vanliga temperaturer frigörs några av elektronerna från atomerna i Ge- eller Si-kristall, och de vandrar i kristallen. Frånvaron av en elektron på en tidigare ockuperad plats innebär en positiv laddning på den platsen. Ett "hål" sägs skapas på den plats där elektronen frigörs. Ett (ledigt) hål motsvarar positiv laddning och det har en tendens att acceptera en elektron.

När en elektron hoppar till ett hål produceras ett nytt hål på den plats där elektronen tidigare var. Elektronernas rörelse i en riktning motsvarar rörelsen av hål i motsatt riktning. Således produceras hål och elektroner samtidigt i inneboende halvledare, och båda fungerar som laddningsbärare.

Det finns två typer av yttre halvledare: n-typ och p-typ.

halvledar av n-typ: Element som arsenik (As), antimon (Sb) och fosfor (P) är pentavalenta, medan Ge och Si är fyrvärda. Om en liten mängd antimon tillsätts till Ge- eller Si-kristallen, som en orenhet, kommer fyra av de fem valenta elektronerna att bilda kovalenta bindningar med närliggande Ge-atomer. Men den femte elektronen av antimon blir nästan fri att röra sig i kristallen.

Om en potentiell spänning appliceras på den dopade Ge-kristallen kommer de fria elektronerna i dopad Ge att röra sig mot den positiva terminalen och konduktiviteten ökar. Eftersom de negativt laddade fria elektronerna ökar konduktiviteten hos dopad Ge-kristall kallas den en halvledare av n-typ.

halvledar av p-typ: Om en trivalent förorening som indium, aluminium eller bor (med tre valenselektroner) tillsätts i a mycket liten andel av tetravalent Ge eller Si, då bildas tre kovalenta bindningar med tre Ge-atomer. Men Ge: s fjärde valenselektron kan inte bilda en kovalent bindning med indium eftersom ingen elektron är kvar för parning.

Frånvaron eller bristen hos en elektron kallas ett hål. Varje hål betraktas som en region med positiv laddning vid den punkten. Eftersom konduktiviteten hos Ge-dopad med indium beror på hål kallas den en halvledare av p-typ.

Således är n-typ och p-typ de två typerna av halvledare, och deras användning förklaras enligt följande: A p-typ halvledare och en halvledare av n-typ är sammanfogade, och det gemensamma gränssnittet kallas en p-n-korsning diod.

En p-n-korsningsdiod används som likriktare i elektroniska kretsar. En transistor är en treterminal halvledaranordning, som är gjord genom att klistra in en tunn skiva av n-typmaterial mellan två större bitar av p-typmaterial, eller en tunn bit p-typ halvledare mellan två större bitar av n-typ halvledare. Det finns alltså två typer av transistorer: p-n-p och n-p-n. En transistor används som förstärkare i elektroniska kretsar.

En jämförelse mellan en halvledardiod och ett vakuum skulle ge en mer levande inblick i fördelarna med halvledare.

• Till skillnad från vakuumdioder finns det inga trådar i halvledaranordningar. Därför krävs ingen uppvärmning för att avge elektroner i en halvledare.
• Halvledaranordningar kan manövreras omedelbart efter att kretsenheten slås på.
• Till skillnad från vakuumdioder produceras inget surrande ljud av halvledare vid driftstillfället.
• Jämfört med vakuumrör behöver halvledarenheter alltid låg driftspänning.
• Eftersom halvledare är små i storlek är kretsarna som involverar dem också mycket kompakta.
• Till skillnad från vakuumrör är halvledare stötsäkra. Dessutom är de mindre i storlek och tar mindre plats och förbrukar mindre ström.
• Jämfört med vakuumrör är halvledare extremt känsliga för temperatur och strålning.
• Halvledare är billigare än vakuumdioder och har obegränsad hållbarhet.
• Halvledaranordningar behöver inte vakuum för drift.

Sammanfattningsvis överväger fördelarna med halvledaranordningar långt de som vakuumrör. Med tillkomsten av halvledarmaterial blev det möjligt att utveckla små elektroniska enheter som var mer sofistikerade, hållbara och kompatibla.

Den vanligaste halvledaranordningen är transistorn, som används för att tillverka logiska grindar och digitala kretsar. Tillämpningarna av halvledaranordningar sträcker sig också till analoga kretsar, som används i oscillatorer och förstärkare.

Halvledaranordningar används också i integrerade kretsar, som arbetar med mycket hög spänning och ström. Tillämpningarna av halvledaranordningar syns också i det dagliga livet. Till exempel är höghastighetsdatorchips tillverkade av halvledare. Telefoner, medicinsk utrustning och robotik använder också halvledarmaterial.