De halvledere er elementer som utfører funksjonen til ledere eller isolatorer selektivt, avhengig av de ytre forholdene de er utsatt for, for eksempel temperatur, trykk, stråling og magnetiske eller elektriske felt.
I det periodiske systemet er 14 halvlederelementer til stede, blant annet silisium, germanium, selen, kadmium, aluminium, gallium, bor, indium og karbon. Halvledere er krystallinske faste stoffer med middels elektrisk ledningsevne, slik at de kan brukes dobbelt som en leder og en isolator.
Hvis de brukes som ledere, tillater de under visse forhold sirkulasjon av elektrisk strøm, men bare i en retning. I tillegg har de ikke en ledningsevne så høy som ledende metaller..
Halvledere brukes i elektroniske applikasjoner, spesielt for produksjon av komponenter som transistorer, dioder og integrerte kretser. De brukes også som tilbehør eller komplement til optiske sensorer, for eksempel solid state-lasere, og noen kraftenheter for elektriske kraftoverføringssystemer..
For tiden brukes denne typen element for teknologisk utvikling innen telekommunikasjon, styringssystemer og signalbehandling, både i innenlandske og industrielle applikasjoner..
Artikkelindeks
Det finnes forskjellige typer halvledermaterialer, avhengig av urenheter de presenterer og deres fysiske respons på forskjellige miljømessige stimuli..
De er de elementene hvis molekylære struktur består av en enkelt type atom. Blant denne typen indre halvledere er silico og germanium.
Den molekylære strukturen til indre halvledere er tetrahedral; det vil si at den har kovalente bindinger mellom fire atomer rundt, som vist på bildet nedenfor.
Hvert atom i en egen halvleder har 4 valenselektroner; det vil si 4 elektroner som kretser i det ytterste skallet av hvert atom. I sin tur danner hver av disse elektronene bindinger med de tilstøtende elektronene..
På denne måten har hvert atom 8 elektroner i sitt mest overfladiske lag, og danner derved en solid binding mellom elektronene og atomene som utgjør krystallgitteret..
På grunn av denne konfigurasjonen beveger elektronene seg ikke lett i strukturen. Dermed oppfører egenskapene til halvledere seg som en isolator under standardforhold.
Ledningsevnen til den indre halvlederen stiger imidlertid når temperaturen øker, siden noen valenselektroner absorberer varmeenergi og skiller seg fra bindingene..
Disse elektronene blir frie elektroner, og hvis de rettes av en elektrisk potensialforskjell, kan de bidra til strømmen i krystallgitteret..
I dette tilfellet hopper de frie elektronene inn i ledningsbåndet og går til den positive polen til den potensielle kilden (for eksempel et batteri).
Bevegelsen til valenselektronene induserer et vakuum i den molekylære strukturen, som oversettes til en lignende effekt som den som produseres av en positiv ladning i systemet, og det er derfor de betraktes som bærere av positiv ladning..
Deretter oppstår en omvendt effekt, siden noen elektroner kan falle fra ledningsbåndet til valensskallet som frigjør energi i prosessen, som kalles rekombinasjon.
De samsvarer med å inkludere urenheter i de indre lederne; det vil si ved å inkorporere treverdige eller pentavalente elementer.
Denne prosessen er kjent som doping og formålet er å øke ledningsevnen til materialer, for å forbedre deres fysiske og elektriske egenskaper..
Ved å erstatte et atom av en annen komponent med et indre halvlederatom, kan to typer ekstrinside halvledere oppnås, som er beskrevet nedenfor.
I dette tilfellet er urenheten et treverdig halvlederelement; det vil si med tre (3) elektroner i valensskallet.
De påtrengende elementene i strukturen kalles dopingelementer. Eksempler på disse elementene for P-type halvledere er bor (B), gallium (Ga) eller indium (In).
Mangler et valenselektron for å danne de fire kovalente bindingene til en egen halvleder, har halvleder av P-type et gap i den manglende bindingen.
Dette gjør passasjen av elektroner som ikke tilhører det krystallinske gitteret gunstig gjennom dette hullet som bærer en positiv ladning..
På grunn av den positive ladningen av bindingshullet kalles disse typer ledere med bokstaven "P", og følgelig blir de anerkjent som elektronakseptorer.
Strømmen av elektroner gjennom hullene i bindingen produserer en elektrisk strøm som sirkulerer i motsatt retning av strømmen avledet fra de frie elektronene.
Det påtrengende elementet i konfigurasjonen er gitt av pentavalente elementer; det vil si de som har fem (5) elektroner i valensbåndet.
I dette tilfellet er urenhetene som er innlemmet i den indre halvlederen elementer som fosfor (P), antimon (Sb) eller arsen (As).
Dopanter har et ekstra valenselektron som, uten å ha en kovalent binding å binde seg til, automatisk er fri til å bevege seg gjennom krystallgitteret.
Her sirkulerer den elektriske strømmen gjennom materialet takket være overskuddet av frie elektroner levert av dopemidlet. Derfor regnes halvledere av N-typen som elektrondonorer..
Halvledere er preget av sin doble funksjonalitet, energieffektivitet, mangfold av applikasjoner og lave kostnader. De fremtredende egenskapene til halvledere er beskrevet nedenfor.
- Dens respons (ledende eller isolerende) kan variere avhengig av følsomheten til elementet for belysning, elektriske felt og magnetfelt i miljøet..
- Hvis halvlederen utsettes for en lav temperatur, vil elektronene forbli forenet i valensbåndet, og derfor vil ingen frie elektroner oppstå for sirkulasjon av elektrisk strøm.
På den annen side, hvis halvlederen utsettes for høye temperaturer, kan termisk vibrasjon påvirke styrken til de kovalente bindingene til elementets atomer, og etterlate frie elektroner for elektrisk ledning..
- Ledningsevnen til halvledere varierer avhengig av andelen urenheter eller dopingelementer i en egen halvleder..
For eksempel, hvis 10 boratomer er inkludert i en million silisiumatomer, øker dette forholdet ledningsevnen til forbindelsen tusen ganger, sammenlignet med ledningsevnen til rent silisium..
- Ledningsevnen til halvledere varierer i området mellom 1 og 10-6 S.cm-1, avhengig av hvilken type kjemisk element som brukes.
- Sammensatte eller eksterne halvledere kan utvise optiske og elektriske egenskaper som er betydelig bedre enn egenskapene til indre halvledere. Et eksempel på dette er galliumarsenid (GaAs), hovedsakelig brukt i radiofrekvens og andre optoelektroniske applikasjoner..
Halvledere brukes mye som råstoff i samlingen av elektroniske elementer som er en del av vårt daglige liv, for eksempel integrerte kretser..
Et av hovedelementene i en integrert krets er transistorer. Disse enhetene oppfyller funksjonen til å gi et utgangssignal (oscillerende, forsterket eller rettet) i henhold til et spesifikt inngangssignal.
I tillegg er halvledere også det primære materialet til dioder som brukes i elektroniske kretser for å tillate passering av elektrisk strøm i bare en retning..
For diodedesign dannes P-type og N-type ekstrinside halvlederkryss. Ved vekslende elektrondonor- og bærerelementer aktiveres en balanseringsmekanisme mellom begge soner..
Dermed krysses elektronene og hullene i begge soner og utfyller hverandre der det er nødvendig. Dette skjer på to måter:
- Overføringen av elektroner fra N-typen sone til P-sonen skjer. N-typen sone oppnår en overveiende positiv ladningssone.
- Det er en passasje av elektronbærende hull fra P-typen sone til N-typen sone. P-typen sone får en overveiende negativ ladning.
Til slutt dannes et elektrisk felt som induserer sirkulasjonen av strømmen i bare én retning; det vil si fra sone N til sone P.
I tillegg kan bruk av kombinasjoner av indre og eksterne halvledere produsere enheter som utfører lignende funksjoner som et vakuumrør som inneholder hundrevis av ganger volumet..
Denne typen applikasjoner gjelder integrerte kretser, for eksempel mikroprosessorbrikker som dekker en betydelig mengde elektrisk energi..
Halvledere er tilstede i elektroniske enheter som vi bruker i vårt daglige liv, for eksempel utstyr med brune linjer som TV-apparater, videospillere, lydutstyr; datamaskiner og mobiltelefoner.
Den mest brukte halvlederen i elektronikkindustrien er silisium (Si). Dette materialet er tilstede i enhetene som utgjør de integrerte kretsene som er en del av vår dag til dag.
Silicium germanium legeringer (SiGe) brukes i høyhastighets integrerte kretser for radarer og forsterkere av elektriske instrumenter, for eksempel elektriske gitarer..
Et annet eksempel på en halvleder er galliumarsenid (GaAs), mye brukt i signalforsterkere, spesielt for signaler med høy forsterkning og lavt støynivå..
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.