Det halvledere er elementer, der udfører funktionen af ledere eller isolatorer selektivt, afhængigt af de eksterne forhold, som de udsættes for, såsom temperatur, tryk, stråling og magnetiske eller elektriske felter.
I det periodiske system er der 14 halvlederelementer til stede, herunder silicium, germanium, selen, cadmium, aluminium, gallium, bor, indium og kulstof. Halvledere er krystallinske faste stoffer med medium elektrisk ledningsevne, så de kan bruges dobbelt som en leder og en isolator.
Hvis de bruges som ledere, tillader de under visse betingelser cirkulation af elektrisk strøm, men kun i en retning. Derudover har de ikke en ledningsevne så høj som ledende metaller..
Halvledere bruges i elektroniske applikationer, især til fremstilling af komponenter såsom transistorer, dioder og integrerede kredsløb. De bruges også som tilbehør eller komplement til optiske sensorer såsom solid state-lasere og nogle strømforsyningsenheder til elektriske transmissioner..
På nuværende tidspunkt bruges denne type element til teknologisk udvikling inden for telekommunikation, styresystemer og signalbehandling, både indenlandske og industrielle applikationer..
Artikelindeks
Der er forskellige typer halvledermaterialer afhængigt af urenhederne, de præsenterer, og deres fysiske reaktion på forskellige miljømæssige stimuli..
De er de elementer, hvis molekylære struktur består af en enkelt atomart. Blandt denne type iboende halvledere er silico og germanium.
Den molekylære struktur af indre halvledere er tetrahedral; det vil sige, den har kovalente bindinger mellem fire omgivende atomer, som vist i billedet nedenfor.
Hvert atom i en indre halvleder har 4 valenselektroner; 4 elektroner, der kredser i den yderste skal af hvert atom. Til gengæld danner hver af disse elektroner bindinger med de tilstødende elektroner..
På denne måde har hvert atom 8 elektroner i sit mest overfladiske lag og derved danner en solid binding mellem elektronerne og de atomer, der udgør krystalgitteret..
På grund af denne konfiguration bevæger elektroner sig ikke let inden i strukturen. Således opfører sig halvledere under standardbetingelser som en isolator.
Ledningsevnen for den iboende halvleder stiger imidlertid, når temperaturen stiger, da nogle valenselektroner absorberer varmeenergi og adskilles fra bindingerne..
Disse elektroner bliver frie elektroner og kan, hvis de styres korrekt af en elektrisk potentialforskel, bidrage til strømmen i krystalgitteret..
I dette tilfælde springer de frie elektroner ind i ledningsbåndet og går til den positive pol af den potentielle kilde (f.eks. Et batteri).
Valenselektronernes bevægelse fremkalder et vakuum i den molekylære struktur, hvilket oversættes til en effekt svarende til den, der produceres af en positiv ladning i systemet, hvorfor de betragtes som bærere af positiv ladning..
Derefter opstår en omvendt effekt, da nogle elektroner kan falde fra ledningsbåndet til valensskallen, der frigiver energi i processen, hvilket kaldes rekombination.
De overholder ved at inkludere urenheder i de indre ledere; det vil sige ved at inkorporere trivalente eller pentavalente elementer.
Denne proces kaldes doping og dens formål er at øge materialernes ledningsevne for at forbedre deres fysiske og elektriske egenskaber..
Ved at erstatte et atom af en anden komponent med et iboende halvlederatom kan der opnås to typer af eksterne halvledere, som er beskrevet nedenfor.
I dette tilfælde er urenheden et trivalent halvlederelement; det vil sige med tre (3) elektroner i dens valensskal.
De påtrængende elementer i strukturen kaldes dopingelementer. Eksempler på disse grundstoffer til P-type halvledere er bor (B), gallium (Ga) eller indium (In).
Manglende en valenselektron til dannelse af de fire kovalente bindinger af en iboende halvleder har P-typen halvleder et hul i den manglende binding.
Dette gør passagen af elektroner, der ikke hører til det krystallinske gitter, gunstig gennem dette hul, der bærer en positiv ladning..
På grund af den positive ladning af bindingshullet kaldes disse typer ledere med bogstavet "P" og følgelig anerkendes de som elektronacceptorer.
Strømmen af elektroner gennem hullerne i båndet producerer en elektrisk strøm, der cirkulerer i den modsatte retning af strømmen afledt af de frie elektroner.
Det påtrængende element i konfigurationen er givet af pentavalente elementer; det vil sige dem, der har fem (5) elektroner i valensbåndet.
I dette tilfælde er urenhederne, der er inkorporeret i den indre halvleder, elementer som fosfor (P), antimon (Sb) eller arsen (As).
Dopanter har en ekstra valenselektron, der, uden at have nogen kovalent binding at binde til, automatisk er fri til at bevæge sig gennem krystalgitteret.
Her cirkulerer den elektriske strøm gennem materialet takket være overskuddet af frie elektroner fra dopemidlet. Derfor betragtes halvledere af N-typen som elektrondonorer..
Halvledere er kendetegnet ved deres dobbelte funktionalitet, energieffektivitet, mangfoldighed af applikationer og lave omkostninger. De fremtrædende egenskaber ved halvledere er beskrevet nedenfor.
- Dets respons (ledende eller isolerende) kan variere afhængigt af elementets følsomhed over for belysning, elektriske felter og magnetfelter i miljøet..
- Hvis halvlederen udsættes for en lav temperatur, vil elektronerne forblive forenede i valensbåndet, og der vil derfor ikke opstå nogen frie elektroner til cirkulation af elektrisk strøm.
På den anden side, hvis halvlederen udsættes for høje temperaturer, kan termisk vibration påvirke styrken af de kovalente bindinger af elementets atomer og efterlade frie elektroner til elektrisk ledning..
- Ledningsevnen af halvledere varierer afhængigt af andelen af urenheder eller dopingelementer inden i en indre halvleder.
For eksempel, hvis 10 boratomer er inkluderet i en million siliciumatomer, øger dette forhold forbindelsens ledningsevne tusind gange sammenlignet med ledningsevnen for rent silicium..
- Ledningsevnen for halvledere varierer i et område mellem 1 og 10-6 S.cm-1, afhængigt af den anvendte type kemiske grundstoffer.
- Komposit eller ekstrinside halvledere kan udvise optiske og elektriske egenskaber, der er betydeligt bedre end egenskaberne ved indre halvledere. Et eksempel på dette er galliumarsenid (GaAs), der overvejende anvendes i radiofrekvens og andre optoelektroniske applikationer..
Halvledere bruges i vid udstrækning som råmateriale i samlingen af elektroniske elementer, der er en del af vores daglige liv, såsom integrerede kredsløb..
Et af hovedelementerne i et integreret kredsløb er transistorer. Disse enheder opfylder funktionen til at levere et udgangssignal (oscillerende, forstærket eller rettet) i henhold til et specifikt indgangssignal.
Derudover er halvledere også det primære materiale til dioder, der anvendes i elektroniske kredsløb for at tillade passage af elektrisk strøm i kun en retning..
Til diodedesign dannes ekstreme halvlederkrydsninger af P-type og N-type Ved at skifte elektrondonor- og bærerelementer aktiveres en afbalanceringsmekanisme mellem begge zoner..
Således krydser elektronerne og hullerne i begge zoner og supplerer hinanden, hvor det er nødvendigt. Dette sker på to måder:
- Overførslen af elektroner fra N-typezonen til P-zonen finder sted.N-typezonen opnår en overvejende positiv ladningszone.
- Der er en passage af elektronbærende huller fra P-typezonen til N-typezonen.P-typezonen får en overvejende negativ ladning.
Endelig dannes et elektrisk felt, der kun inducerer strømmen i en retning; det vil sige fra zone N til zone P.
Derudover kan brug af kombinationer af indre og eksterne halvledere producere enheder, der udfører lignende funktioner som et vakuumrør, der indeholder hundreder af gange dets volumen..
Denne type applikation gælder for integrerede kredsløb, såsom mikroprocessorchips, der dækker en betydelig mængde elektrisk energi..
Halvledere er til stede i elektroniske enheder, som vi bruger i vores daglige liv, såsom udstyr til brune linjer såsom fjernsyn, videoafspillere, lydudstyr; computere og mobiltelefoner.
Den mest anvendte halvleder i elektronikindustrien er silicium (Si). Dette materiale er til stede i de enheder, der udgør de integrerede kredsløb, der er en del af vores dag til dag.
Siliciumgermaniumlegeringer (SiGe) anvendes i højhastighedsintegrerede kredsløb til radarer og forstærkere af elektriske instrumenter, såsom elektriske guitarer..
Et andet eksempel på en halvleder er galliumarsenid (GaAs), der er meget brugt i signalforstærkere, specielt til signaler med høj forstærkning og lavt støjniveau..
Endnu ingen kommentarer