PÓŁPRZEWODNIKI: RODZAJE, ZASTOSOWANIA I PRZYKŁADY - DUDAS - 2026

Te półprzewodniki są elementy, które wykonują funkcje lub przewodzącej selektywnie izolacyjnych, w zależności od warunków zewnętrznych, którym są poddane, jak temperatury, ciśnienia, promieniowania i pól elektrycznych lub magnetycznych.

W układzie okresowym występuje 14 pierwiastków półprzewodnikowych, wśród których są krzem, german, selen, kadm, glin, gal, bor, ind i węgiel. Półprzewodniki to krystaliczne ciała stałe o średnim przewodnictwie elektrycznym, dzięki czemu mogą być używane jednocześnie jako przewodnik i izolator.

Jeśli są używane jako przewodniki, w określonych warunkach umożliwiają przepływ prądu elektrycznego, ale tylko w jednym kierunku. Ponadto nie mają tak wysokiej przewodności jak metale przewodzące.

Półprzewodniki są wykorzystywane w zastosowaniach elektronicznych, zwłaszcza do produkcji elementów, takich jak tranzystory, diody i układy scalone. Są również używane jako akcesoria lub uzupełnienia do czujników optycznych, takich jak lasery na ciele stałym oraz niektóre urządzenia zasilające do systemów przesyłu energii elektrycznej.

Obecnie tego typu elementy są wykorzystywane do rozwoju technologicznego w dziedzinie telekomunikacji, systemów sterowania i przetwarzania sygnałów, zarówno w zastosowaniach domowych, jak i przemysłowych.

Rodzaje

Istnieją różne rodzaje materiałów półprzewodnikowych, w zależności od występujących w nich zanieczyszczeń i ich fizycznej odpowiedzi na różne bodźce środowiskowe.

Półprzewodniki samoistne

Są to pierwiastki, których struktura molekularna składa się z jednego typu atomu. Do tego typu wewnętrznych półprzewodników należą krzemowe i germanowe.

Struktura molekularna wewnętrznych półprzewodników jest tetraedryczna; to znaczy, ma wiązania kowalencyjne między czterema otaczającymi atomami, jak pokazano na poniższym obrazku.

Każdy atom wewnętrznego półprzewodnika ma 4 elektrony walencyjne; to znaczy 4 elektrony krążące w najbardziej zewnętrznej powłoce każdego atomu. Z kolei każdy z tych elektronów tworzy wiązania z sąsiednimi elektronami.

W ten sposób każdy atom ma 8 elektronów w swojej najbardziej powierzchownej warstwie, tworząc w ten sposób solidne wiązanie między elektronami i atomami tworzącymi sieć krystaliczną.

Z powodu tej konfiguracji elektrony nie poruszają się łatwo w strukturze. W związku z tym w standardowych warunkach wewnętrzne półprzewodniki zachowują się jak izolator.

Jednak przewodnictwo samoistnego półprzewodnika rośnie wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ niektóre elektrony walencyjne absorbują energię cieplną i oddzielają się od wiązań.

Elektrony te stają się swobodnymi elektronami i, jeśli są odpowiednio kierowane przez różnicę potencjałów elektrycznych, mogą przyczyniać się do przepływu prądu w sieci krystalicznej.

W tym przypadku wolne elektrony wskakują w pasmo przewodnictwa i przechodzą do bieguna dodatniego źródła potencjału (na przykład baterii).

Ruch elektronów walencyjnych indukuje podciśnienie w strukturze molekularnej, co przekłada się na efekt podobny do tego, jaki daje ładunek dodatni w układzie, przez co uważa się je za nośniki ładunku dodatniego.

Następnie występuje efekt odwrotny, ponieważ niektóre elektrony mogą spaść z pasma przewodnictwa do powłoki walencyjnej, uwalniając w tym procesie energię, która jest nazywana rekombinacją.

Zewnętrzne półprzewodniki

Są zgodne poprzez włączenie zanieczyszczeń do wewnętrznych przewodników; to znaczy przez włączenie elementów trójwartościowych lub pięciowalentnych.

Proces ten nazywany jest domieszkowaniem i ma na celu zwiększenie przewodności materiałów, poprawę ich właściwości fizycznych i elektrycznych.

Zastępując wewnętrzny atom półprzewodnika atomem innego składnika, można otrzymać dwa typy zewnętrznych półprzewodników, które opisano szczegółowo poniżej.

Półprzewodnik typu P.

W tym przypadku zanieczyszczeniem jest trójwartościowy element półprzewodnikowy; to znaczy z trzema (3) elektronami w powłoce walencyjnej.

Elementy natrętne w strukturze nazywane są elementami dopingującymi. Przykładami tych pierwiastków w półprzewodnikach typu P są bor (B), gal (Ga) lub ind (In).

Brak elektronu walencyjnego do utworzenia czterech wiązań kowalencyjnych wewnętrznego półprzewodnika, półprzewodnik typu P ma przerwę w brakującym wiązaniu.

To powoduje przejście elektronów, które nie należą do sieci krystalicznej, przez tę dziurę, która ma ładunek dodatni.

Ze względu na dodatni ładunek przerwy między wiązaniami, tego typu przewodniki są oznaczone literą „P”, dzięki czemu są uznawane za akceptory elektronów.

Przepływ elektronów przez dziury w wiązaniu wytwarza prąd elektryczny, który krąży w kierunku przeciwnym do prądu pochodzącego z wolnych elektronów.

Półprzewodnik typu N.

Element inwazyjny w konfiguracji jest określony przez elementy pięciowartościowe; to znaczy te, które mają pięć (5) elektronów w paśmie walencyjnym.

W tym przypadku zanieczyszczenia, które są wbudowane w wewnętrzny półprzewodnik, to pierwiastki takie jak fosfor (P), antymon (Sb) lub arsen (As).

Domieszki mają dodatkowy elektron walencyjny, który nie mając wiązania kowalencyjnego, z którym mógłby się wiązać, automatycznie przemieszcza się w sieci krystalicznej.

Tutaj prąd elektryczny przepływa przez materiał dzięki nadwyżce wolnych elektronów dostarczonej przez domieszkę. Stąd półprzewodniki typu N są uważane za donory elektronów.

cechy

Półprzewodniki charakteryzują się podwójną funkcjonalnością, energooszczędnością, różnorodnością zastosowań i niskim kosztem. Najważniejsze cechy półprzewodników opisano szczegółowo poniżej.

- Jego odpowiedź (przewodząca lub izolująca) może się różnić w zależności od wrażliwości elementu na oświetlenie, pola elektryczne i pola magnetyczne otoczenia.

- Jeśli półprzewodnik zostanie poddany działaniu niskiej temperatury, elektrony pozostaną zjednoczone w paśmie walencyjnym, a zatem żadne wolne elektrony nie pojawią się w obiegu prądu elektrycznego.

Z drugiej strony, jeśli półprzewodnik jest wystawiony na działanie wysokich temperatur, wibracje termiczne mogą wpływać na wytrzymałość wiązań kowalencyjnych atomów elementu, pozostawiając wolne elektrony do przewodzenia elektrycznego.

- Przewodność półprzewodników zmienia się w zależności od proporcji zanieczyszczeń lub pierwiastków domieszkowych w wewnętrznym półprzewodniku.

Na przykład, jeśli 10 atomów boru jest zawartych w milionie atomów krzemu, stosunek ten tysiąckrotnie zwiększa przewodnictwo związku w porównaniu z przewodnictwem czystego krzemu.

- Przewodność półprzewodników zmienia się w przedziale od 1 do 10 ^-6 S.cm ^-1 , w zależności od rodzaju zastosowanego pierwiastka chemicznego.

- Półprzewodniki kompozytowe lub zewnętrzne mogą mieć właściwości optyczne i elektryczne znacznie lepsze od właściwości wewnętrznych półprzewodników, czego przykładem jest arsenek galu (GaAs), używany głównie w częstotliwościach radiowych i innych zastosowaniach optoelektronicznych.

Aplikacje

Półprzewodniki są szeroko stosowane jako surowiec do montażu elementów elektronicznych, które są częścią naszego codziennego życia, takich jak układy scalone.

Jednym z głównych elementów układu scalonego są tranzystory. Urządzenia te pełnią funkcję dostarczania sygnału wyjściowego (oscylacyjnego, wzmocnionego lub prostowanego) zgodnie z określonym sygnałem wejściowym.

Ponadto półprzewodniki są również podstawowym materiałem dla diod stosowanych w obwodach elektronicznych, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego tylko w jednym kierunku.

W przypadku konstrukcji diod tworzone są zewnętrzne złącza półprzewodnikowe typu P i typu N. Poprzez naprzemienne elementy donora elektronów i nośnika aktywowany jest mechanizm równoważący pomiędzy obiema strefami.

W ten sposób elektrony i dziury w obu strefach przecinają się i uzupełniają się w razie potrzeby. Dzieje się to na dwa sposoby:

- Następuje przeniesienie elektronów ze strefy typu N do strefy P. Strefa typu N uzyskuje głównie strefę ładunku dodatniego.

- Następuje przejście przez dziury elektronowe ze strefy typu P do strefy typu N. Strefa typu P nabiera przeważającego ładunku ujemnego.

Wreszcie powstaje pole elektryczne, które indukuje krążenie prądu tylko w jednym kierunku; to znaczy od strefy N do strefy P.

Ponadto, użycie kombinacji wewnętrznych i zewnętrznych półprzewodników może wytworzyć urządzenia, które pełnią funkcje podobne do lampy próżniowej, która ma setki razy większą objętość.

Ten rodzaj aplikacji dotyczy układów scalonych, takich jak chipy mikroprocesorowe, które pokrywają znaczną ilość energii elektrycznej.

Półprzewodniki są obecne w urządzeniach elektronicznych, których używamy na co dzień, takich jak urządzenia brązowej linii, takie jak telewizory, odtwarzacze wideo, sprzęt dźwiękowy; komputery i telefony komórkowe.

Przykłady

Najczęściej stosowanym półprzewodnikiem w przemyśle elektronicznym jest krzem (Si). Ten materiał jest obecny w urządzeniach tworzących układy scalone, które są częścią naszego codziennego życia.

Krzemowe stopy germanu (SiGe) są używane w układach scalonych o dużej prędkości do radarów i wzmacniaczy instrumentów elektrycznych, takich jak gitary elektryczne.

Innym przykładem półprzewodnika jest arsenek galu (GaAs), szeroko stosowany we wzmacniaczach sygnału, szczególnie w przypadku sygnałów o dużym wzmocnieniu i niskim poziomie szumów.

Bibliografia

1. Brian, M. (nd). Jak działają półprzewodniki. Odzyskany z: electronics.howstuffworks.com
2. Landin, P. (2014). Półprzewodniki wewnętrzne i zewnętrzne. Odzyskany z: pelandintecno.blogspot.com
3. Rouse, M. (nd). Półprzewodnik. Odzyskany z: whatis.techtarget.com
4. Półprzewodnik (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londyn, Wielka Brytania. Odzyskany z: britannica.com
5. Co to są półprzewodniki? (sf). © Hitachi High-Technologies Corporation. Odzyskany z: hitachi-hightech.com
6. Wikipedia, wolna encyklopedia (2018). Półprzewodnik. Odzyskane z: es.wikipedia.org