POLOVODIČE: TYPY, APLIKÁCIE A PRÍKLADY - DUDAS

Tieto polovodiče sú prvky, ktoré vykonávajú funkciu selektívne vodivý alebo izolačné, v závislosti od vonkajších podmienok, ktorým sú vystavené, ako je teplota, tlak, žiarenie a elektrického alebo magnetického poľa.

V periodickej tabuľke je prítomných 14 polovodičových prvkov, medzi ktorými vyniká kremík, germánium, selén, kadmium, hliník, gálium, bór, indium a uhlík. Polovodiče sú kryštalické tuhé látky so strednou elektrickou vodivosťou, takže ich možno použiť dvojmo ako vodič a izolátor.

Ak sa používajú ako vodiče, umožňujú za určitých podmienok cirkuláciu elektrického prúdu, ale iba v jednom smere. Okrem toho nemajú takú vodivosť ako vodivé kovy.

Polovodiče sa používajú v elektronických aplikáciách, najmä na výrobu komponentov, ako sú tranzistory, diódy a integrované obvody. Používajú sa tiež ako príslušenstvo alebo doplnky pre optické senzory, ako sú lasery v pevnej fáze a niektoré výkonové zariadenia pre systémy prenosu elektrickej energie.

V súčasnosti sa tento typ prvku používa na technologický vývoj v oblasti telekomunikácií, riadiacich systémov a spracovania signálu v domácich aj priemyselných aplikáciách.

druhy

Existujú rôzne typy polovodičových materiálov v závislosti od nečistôt, ktoré sa vyskytujú, a od ich fyzickej reakcie na rôzne stimuly prostredia.

Vnútorné polovodiče

Sú to tie prvky, ktorých molekulárna štruktúra je tvorená jedným typom atómu. Medzi tieto typy vnútorných polovodičov patria kremík a germánium.

Molekulárna štruktúra vnútorných polovodičov je tetraedrická; to znamená, že má kovalentné väzby medzi štyrmi okolitými atómami, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Každý atóm vnútorného polovodiča má 4 valenčné elektróny; to znamená 4 elektróny obiehajúce v najvzdialenejšom obale každého atómu. Na druhej strane každý z týchto elektrónov vytvára väzby so susednými elektrónmi.

Týmto spôsobom má každý atóm vo svojej naj povrchnejšej vrstve 8 elektrónov, čím vytvára pevnú väzbu medzi elektrónmi a atómami, ktoré tvoria kryštálovú mriežku.

Vďaka tejto konfigurácii sa elektróny v rámci štruktúry nepohybujú ľahko. Takže za štandardných podmienok sa vnútorné polovodiče správajú ako izolátor.

Vodivosť vnútorného polovodiča sa však zvyšuje vždy, keď sa teplota zvyšuje, pretože niektoré valenčné elektróny absorbujú tepelnú energiu a oddelia sa od väzieb.

Tieto elektróny sa stanú voľnými elektrónmi a ak sú správne nasmerované rozdielom v elektrickom potenciáli, môžu prispievať k toku prúdu v kryštálovej mriežke.

V tomto prípade voľné elektróny skočia do vodivého pásma a idú na kladný pól potenciálneho zdroja (napríklad na batériu).

Pohyb valenčných elektrónov indukuje vákuum v molekulárnej štruktúre, ktoré sa premieta do podobného účinku, aký vytvára pozitívny náboj v systéme, a preto sa považujú za nosiče pozitívneho náboja.

Potom je tu opačný efekt, pretože niektoré elektróny môžu padať z vodivého pásma na valenčné puzdro a uvoľňovať energiu v procese, ktorý sa nazýva rekombinácia.

Vonkajšie polovodiče

Vyhovujú zahrnutím nečistôt do vnútorných vodičov; to znamená začlenením trojmocných alebo päťmocných prvkov.

Tento proces je známy ako doping a jeho účelom je zvýšiť vodivosť materiálov, zlepšiť ich fyzikálne a elektrické vlastnosti.

Nahradením vlastného polovodičového atómu atómom inej zložky sa dajú získať dva typy vonkajších polovodičov, ktoré sú podrobne opísané ďalej.

Polovodič typu P

V tomto prípade je nečistota trojmocným polovodičovým prvkom; to znamená s tromi (3) elektrónmi v jeho valenčnom obale.

Rušivé prvky v štruktúre sa nazývajú dopingové prvky. Príklady týchto prvkov pre polovodiče typu P sú bór (B), gálium (Ga) alebo indium (In).

Keďže chýba valenčný elektrón na vytvorenie štyroch kovalentných väzieb vnútorného polovodiča, polovodič typu P má medzeru v chýbajúcej väzbe.

To spôsobuje priechod elektrónov, ktoré nepatria do kryštalickej mriežky, cez túto dieru, ktorá nesie kladný náboj.

Z dôvodu kladného náboja spojovacej diery sú tieto typy vodičov označené písmenom „P“, a preto sa uznávajú ako akceptory elektrónov.

Tok elektrónov cez diery vo väzbe vytvára elektrický prúd, ktorý cirkuluje v opačnom smere ako prúd pochádzajúci z voľných elektrónov.

Polovodič typu N

Rušivý prvok v konfigurácii je daný pentavalentnými prvkami; to znamená tie, ktoré majú päť (5) elektrónov vo valenčnom pásme.

V tomto prípade sú nečistoty začlenené do vnútorného polovodiča prvky, ako napríklad fosfor (P), antimón (Sb) alebo arzén (As).

Dopanty majú ďalší valenčný elektrón, ktorý bez väzby na kovalentnú väzbu je automaticky voľný na pohyb cez kryštálovú mriežku.

Elektrický prúd tu cirkuluje materiálom vďaka prebytku voľných elektrónov poskytnutých dopantom. Preto sa polovodiče typu N považujú za donory elektrónov.

vlastnosti

Polovodiče sa vyznačujú dvojakou funkčnosťou, energetickou účinnosťou, rozmanitosťou aplikácií a nízkymi nákladmi. Hlavné charakteristiky polovodičov sú podrobne opísané nižšie.

- Jeho odozva (vodivá alebo izolačná) sa môže líšiť v závislosti od citlivosti prvku na osvetlenie, elektrické polia a magnetické polia v prostredí.

- Ak je polovodič vystavený nízkej teplote, elektróny zostanú vo valenčnom pásme zjednotené, a preto nevznikajú pri cirkulácii elektrického prúdu žiadne voľné elektróny.

Na druhej strane, ak je polovodič vystavený vysokým teplotám, tepelné vibrácie môžu ovplyvniť silu kovalentných väzieb atómov prvku, pričom voľné elektróny zostanú pre elektrické vedenie.

- Vodivosť polovodičov sa líši v závislosti od podielu nečistôt alebo dopingových prvkov vo vnútornom polovodiči.

Napríklad, ak je na milión atómov kremíka obsiahnutých 10 atómov bóru, tento pomer zvyšuje vodivosť zlúčeniny tisíckrát v porovnaní s vodivosťou čistého kremíka.

- Vodivosť polovodičov sa mení v intervale medzi 1 a 10 - ⁶ S.cm ^-1 , v závislosti od typu použitého chemického prvku.

- Kompozitné alebo vonkajšie polovodiče môžu mať optické a elektrické vlastnosti značne lepšie ako vlastnosti vnútorných polovodičov.Príkladom je arzenid gália (GaAs), ktorý sa používa najmä pri vysokofrekvenčných a iných použitiach optoelektronických aplikácií.

aplikácia

Polovodiče sa široko používajú ako surovina pri montáži elektronických prvkov, ktoré sú súčasťou nášho každodenného života, ako sú integrované obvody.

Jedným z hlavných prvkov integrovaného obvodu sú tranzistory. Tieto zariadenia plnia funkciu poskytovania výstupného signálu (oscilačného, zosilneného alebo usmerneného) podľa špecifického vstupného signálu.

Okrem toho sú polovodiče tiež primárnym materiálom pre diódy používané v elektronických obvodoch, ktoré umožňujú elektrický prúd prechádzať iba jedným smerom.

Pri návrhu diód sa vytvárajú vonkajšie polovodičové spoje typu P a N. Pri striedaní donorových a nosných prvkov elektrónov sa medzi obidvomi zónami aktivuje vyvažovací mechanizmus.

Elektróny a diery v oboch zónach sa teda v prípade potreby pretínajú a vzájomne sa dopĺňajú. K tomu dochádza dvoma spôsobmi:

- Dochádza k prenosu elektrónov zo zóny typu N. do zóny P. Zóna typu N. má prevažne kladnú nábojovú zónu.

- Dochádza k priechodu elektrón nesúcich dier zo zóny typu P do zóny typu N. Zóna typu P získava prevažne záporný náboj.

Nakoniec sa vytvorí elektrické pole, ktoré indukuje cirkuláciu prúdu iba v jednom smere; to znamená od zóny N do zóny P.

Okrem toho použitie kombinácií vnútorných a vonkajších polovodičov môže vytvoriť zariadenia, ktoré vykonávajú funkcie podobné vákuovej trubici, ktorá obsahuje stokrát jej objem.

Tento typ aplikácie sa vzťahuje na integrované obvody, ako sú mikroprocesorové čipy, ktoré pokrývajú značné množstvo elektrickej energie.

Polovodiče sa nachádzajú v elektronických zariadeniach, ktoré používame v našom každodennom živote, napríklad v zariadeniach s hnedou linkou, ako sú televízory, prehrávače videa, zvukové zariadenia; počítače a mobilné telefóny.

Príklady

Najpoužívanejším polovodičom v elektronickom priemysle je kremík (Si). Tento materiál je prítomný v zariadeniach, ktoré tvoria integrované obvody, ktoré sú súčasťou nášho každodenného života.

Kremíkové germániové zliatiny (SiGe) sa používajú vo vysokorýchlostných integrovaných obvodoch pre radary a zosilňovače elektrických nástrojov, ako sú elektrické gitary.

Ďalším príkladom polovodiča je arzenid gália (GaAs), ktorý sa široko používa v zosilňovačoch signálu, konkrétne pre signály s vysokým ziskom a nízkou úrovňou šumu.

Referencie

Brian, M. (nd). Ako fungujú polovodiče. Obnovené z: electronics.howstuffworks.com
Landin, P. (2014). Vnútorné a vonkajšie polovodiče. Obnovené z: pelandintecno.blogspot.com
Rouse, M. (nd). Semiconductor. Obnovené z: whatis.techtarget.com
Polovodič (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. London, UK. Získané z: britannica.com
Wikipedia, bezplatná encyklopédia (2018). Semiconductor. Obnovené z: es.wikipedia.org

POLOVODIČE: TYPY, APLIKÁCIE A PRÍKLADY - DUDAS - 2026