Vrste polprevodnikov, aplikacije in primeri



The polprevodniki to so elementi, ki selektivno opravljajo funkcijo prevodnikov ali izolatorjev, odvisno od zunanjih pogojev, ki so jim izpostavljeni, kot so temperatura, tlak, sevanje in magnetna ali električna polja..

V periodni tabeli je 14 polprevodniških elementov, med katerimi so silicij, germanij, selen, kadmij, aluminij, galij, bor, indij in ogljik. Polprevodniki so kristalne trdne snovi s srednjo električno prevodnostjo, tako da se lahko uporabljajo kot dvojni vodnik in izolator..

Če se uporabljajo kot vodniki, pod določenimi pogoji omogočajo kroženje električnega toka, vendar le v eni smeri. Prav tako nimajo tako visoke prevodnosti kot prevodne kovine.

Polprevodniki se uporabljajo v elektronskih aplikacijah, zlasti za izdelavo komponent, kot so tranzistorji, diode in integrirana vezja. Uporabljajo se tudi kot dodatki ali dodatki za optične senzorje, kot so polprevodniški laserji in nekateri električni aparati za prenos električne energije..

Trenutno se ta vrsta elementov uporablja za tehnološki razvoj na področju telekomunikacij, kontrolnih sistemov in obdelave signalov, tako v domačih kot industrijskih aplikacijah..

Indeks

  • 1 Vrste
    • 1.1 Lastni polprevodniki
    • 1.2 Zunanji polprevodniki
  • 2 Značilnosti
  • 3 Aplikacije
  • 4 Primeri
  • 5 Reference

Vrste

Obstajajo različne vrste polprevodniških materialov, odvisno od nečistoč, ki jih predstavljajo in njihovega fizičnega odziva na različne okoljske dražljaje.

Lastni polprevodniki

So tisti elementi, katerih molekularna struktura je sestavljena iz ene same vrste atoma. Med to vrsto lastnih polprevodnikov je silico in germanij.

Molekularna struktura notranjih polprevodnikov je tetraedrska; to pomeni, da ima kovalentne vezi med štirimi okoliškimi atomi, kot je prikazano na spodnji sliki.

Vsak atom intrinzičnega polprevodnika ima 4 valenčne elektrone; to je 4 elektrona, ki krožijo okoli najbolj oddaljene plasti vsakega atoma. Po drugi strani pa vsak od teh elektronov tvori vezi s sosednjimi elektroni.

Na ta način ima vsak atom v svoji najbolj površinski plasti 8 elektronov, ki tvorijo trdno zvezo med elektroni in atomi, ki tvorijo kristalno mrežo..

Zaradi te konfiguracije se elektroni v strukturi ne premikajo zlahka. Tako se pri standardnih pogojih notranji polprevodniki obnašajo kot izolator.

Vendar pa se prevodnost notranjega polprevodnika vedno poveča, ko se temperatura zviša, saj nekateri valenčni elektroni absorbirajo toplotno energijo in se ločijo od vezi..

Ti elektroni postanejo prosti elektroni in, če jih ustrezno obravnavajo razlike v električnem potencialu, lahko prispevajo k kroženju toka v kristalni rešetki..

V tem primeru prosti elektroni skočijo na prevodni pas in se premaknejo na pozitivni pol potencialnega vira (na primer baterije)..

Gibanje valentnih elektronov inducira vakuum v molekulski strukturi, kar pomeni, da je učinek podoben tistemu, ki bi povzročil pozitiven naboj v sistemu, zato se obravnavajo kot nosilci pozitivnega naboja..

Potem pride do inverznega učinka, saj lahko nekateri elektroni padejo iz pasu prevodnosti, dokler valenčna plast ne sprošča energije v procesu, ki prejme ime rekombinacije..

Zunanji polprevodniki

Ustrezajo tako, da vsebujejo nečistoče znotraj notranjih prevodnikov; to je z vključitvijo trivalentnih ali pentavalentnih elementov.

Ta postopek je znan kot doping in ima za cilj povečanje prevodnosti materialov, izboljšanje fizikalnih in električnih lastnosti teh snovi.

Z nadomestitvijo intrinzičnega polprevodniškega atoma za atom druge komponente lahko dobimo dva tipa zunanjih polprevodnikov, ki sta podrobno opisana spodaj..

Polprevodniki tipa P

V tem primeru je nečistota trivalentni polprevodniški element; to je s tremi (3) elektroni v svoji valenčni lupini.

Intruzivni elementi v strukturi se imenujejo elementi dopinga. Primeri teh elementov za polprevodnike tipa P so bor (B), galij (Ga) ali indij (In)..

Če nimamo valentnega elektrona za tvorbo štirih kovalentnih vezi intrinzičnega polprevodnika, ima polprevodnik P-tipa vrzel v manjkajoči vezi.

Zaradi tega prehod elektronov, ki ne sodijo v kristalno mrežo, skozi to odprtino nosilca pozitivnega naboja.

Zaradi pozitivnega naboja vrzeli povezave se ta vrsta prevodnikov imenuje s črko "P", zato so prepoznani kot sprejemniki elektronov..

Pretok elektronov skozi vrzeli vezi tvori električni tok, ki teče v nasprotni smeri od toka, ki izhaja iz prostih elektronov..

Polprevodnik tipa N

Intruzivni element v konfiguraciji je podan z petvalentnimi elementi; to so tisti, ki imajo v valenčnem pasu pet (5) elektronov.

V tem primeru so nečistoče, ki so vključene v notranji polprevodnik, elementi, kot so fosfor (P), antimon (Sb) ali arzen (As).

Dodatki imajo dodaten valenčni elektron, ki se s tem, da nima kovalentne povezave, samodejno premika po kristalni mreži..

Tukaj električni tok kroži skozi material zaradi presežka prostih elektronov, ki ga zagotavlja dopant. Zato so polprevodniki tipa N obravnavani kot darovalci elektronov.

Funkcije

Za polprevodnike je značilna dvojna funkcionalnost, energetska učinkovitost, raznolikost aplikacij in nizki stroški. V nadaljevanju so podrobneje opisane najbolj izrazite lastnosti polprevodnikov.

- Njen odziv (prevodnik ali izolator) se lahko spreminja glede na občutljivost elementa na osvetlitev, električna polja in magnetna polja okolja..

- Če je polprevodnik izpostavljen nizki temperaturi, se bodo elektroni držali skupaj v valenčnem pasu, zato se prosti elektroni ne bodo pojavili za kroženje električnega toka.. 

Nasprotno pa, če je polprevodnik izpostavljen visokim temperaturam, lahko toplotne vibracije vplivajo na moč kovalentnih vezi atomov elementov, pri čemer ostanejo prosti elektroni za električno prevodnost..

- Elektroprevodnost polprevodnikov je odvisna od deleža nečistoč ali elementov dopinga v notranjem polprevodniku..

Na primer, če je v milijon atomov silicija vključenih 10 atomov bora, to razmerje poveča prevodnost spojine tisočkrat, v primerjavi s prevodnostjo čistega silicija..

- Elektroprevodnost polprevodnikov se giblje med 1 in 10-6 S.cm-1, odvisno od vrste uporabljenega kemičnega elementa.

- Sestavljeni ali zunanji polprevodniki imajo lahko optične in električne lastnosti, ki so precej boljše od lastnosti intrinzičnih polprevodnikov, na primer galijev arzenid (GaAs), ki se uporablja predvsem v radiofrekvenčnih in drugih uporabah optoelektronskih aplikacij..

Aplikacije

Polprevodniki se pogosto uporabljajo kot surovina pri sestavljanju elektronskih elementov, ki so del našega vsakdanjega življenja, kot so integrirana vezja.

Eden glavnih elementov integriranega vezja so tranzistorji. Te naprave izpolnjujejo funkcijo zagotavljanja izhodnega signala (nihajnega, ojačanega ali popravljenega) glede na določen vhodni signal.

Poleg tega so polprevodniki tudi primarni material diod, ki se uporabljajo v elektronskih vezjih, da se omogoči prehod električnega toka samo v eni smeri.

Za načrtovanje diod nastajajo zunanji polprevodniški spoji tipa P in tipa N. Z izmeničnimi nosilnimi elementi in elektronskimi donatorji se aktivira mehanizem uravnoteženja med obema območjema..

Tako se elektroni in luknje v obeh območjih sekajo in se po potrebi medsebojno dopolnjujejo. To se zgodi na dva načina:

- Prihaja do prenosa elektronov iz cone tipa N v cono P. N-tip cone pridobi pretežno pozitivno nakladalno cono..

- Predstavljen je prehod lukenj za prenos elektrona iz cone tipa P v cono tipa N. P-tip cone pridobi pretežno negativni naboj.

Končno se ustvari električno polje, ki inducira kroženje toka samo v eni smeri; to je od območja N do območja P.

Poleg tega lahko z uporabo kombinacij notranjih in zunanjih polprevodnikov izdelamo naprave, ki opravljajo funkcije, podobne vakuumski cevi, ki vsebuje stotine prostornin.

Ta vrsta aplikacij se nanaša na integrirana vezja, kot so mikroprocesorski čipi, ki pokrivajo veliko količino električne energije.

Polprevodniki so prisotni v elektronskih napravah, ki jih uporabljamo v našem vsakdanjem življenju, kot je oprema za rjavo linijo, kot so televizorji, video predvajalniki, zvočna oprema; računalniki in mobilni telefoni.

Primeri

Najpogosteje uporabljen polprevodnik v elektronski industriji je silicij (Si). Ta material je prisoten v napravah, ki sestavljajo integrirana vezja, ki so del našega dneva v dan.

Germanije in silicijeve zlitine (SiGe) se uporabljajo v hitrih integriranih vezjih za radarje in ojačevalnike električnih instrumentov, kot so električne kitare.

Drug primer polprevodnika je galijev arzenid (GaAs), ki se pogosto uporablja v signalnih ojačevalnikih, posebej signale z visokim izkoristkom in nizko raven hrupa..

Reference

  1. Brian, M. (s.f.) Kako delujejo polprevodniki. Vzpostavljeno iz: electronics.howstuffworks.com
  2. Landin, P. (2014). Lastni in zunanji polprevodniki. Vzpostavljeno iz: pelandintecno.blogspot.com
  3. Rouse, M. (s.f.). Polprevodnik. Vzpostavljeno iz: whatis.techtarget.com
  4. Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. London, Združeno kraljestvo. Vzpostavljeno iz: britannica.com
  5. Kaj so polprevodniki? (s.f.). © Hitachi High-Technologies Corporation. Vzpostavljeno iz: hitachi-hightech.com
  6. Wikipedija, svobodna enciklopedija (2018). Polprevodnik. Vzpostavljeno iz: en.wikipedia.org