PUOLIJOHTEET: TYYPIT, SOVELLUKSET JA ESIMERKIT - DUDAS

Puolijohteet ovat elementtejä, jotka suorittavat toiminnon selektiivisesti johtavaa tai eristävää, riippuen ulkoisista olosuhteista, joihin ne joutuvat, kuten lämpötila, paine, säteily ja sähkö- ja magneettikenttiä.

Jaksotaulukossa on 14 puolijohdeelementtiä, joista piin, germanium, seleeni, kadmium, alumiini, gallium, boori, indium ja hiili erottuvat. Puolijohteet ovat kiteisiä kiinteitä aineita, joilla on keskimääräinen sähkönjohtavuus, joten niitä voidaan käyttää kaksinkertaisesti johtimina ja eristeinä.

Jos niitä käytetään johtimina, ne sallivat tietyissä olosuhteissa sähkövirran kiertämisen, mutta vain yhteen suuntaan. Lisäksi niiden johtavuus ei ole yhtä korkea kuin johtavien metallien.

Puolijohteita käytetään elektronisissa sovelluksissa, erityisesti komponenttien, kuten transistorien, diodien ja integroitujen piirien, valmistukseen. Niitä käytetään myös lisälaitteina tai lisäosina optisille antureille, kuten puolijohdelasereille, ja joillekin sähkönsiirtojärjestelmien voimalaitteille.

Tällä hetkellä tämäntyyppisiä elementtejä käytetään tekniikan kehitykseen tietoliikenteen, ohjausjärjestelmien ja signaalinkäsittelyn aloilla, sekä kotimaisissa että teollisissa sovelluksissa.

Tyypit

Puolijohdemateriaaleja on erityyppisiä, riippuen niiden läsnä olevista epäpuhtauksista ja fyysisestä vasteestaan erilaisiin ympäristön ärsykkeisiin.

Sisäiset puolijohteet

Ne ovat niitä elementtejä, joiden molekyylirakenne koostuu yhden tyyppisestä atomista. Tämän tyyppisiä sisäisiä puolijohteita ovat silikoni ja germanium.

Sisäisten puolijohteiden molekyylirakenne on tetraedrinen; ts. siinä on kovalenttisia sidoksia neljän ympäröivän atomin välillä, kuten alla olevassa kuvassa esitetään.

Jokaisessa sisäisen puolijohteen atomissa on 4 valenssielektronia; ts. 4 elektronia, jotka kiertävät kunkin atomin uloimmassa kuoressa. Kukin näistä elektroneista puolestaan muodostaa sidoksia vierekkäisten elektronien kanssa.

Tällä tavalla jokaisella atomilla on kahdeksan elektronia pintakerroksessaan, muodostaen siten kiinteän sidoksen elektronien ja kidehilan muodostavien atomien välille.

Tästä konfiguraatiosta johtuen elektronit eivät liiku helposti rakenteen sisällä. Siksi, vakio-olosuhteissa, sisäiset puolijohteet käyttäytyvät kuin eriste.

Sisäisen puolijohteen johtokyky nousee kuitenkin aina lämpötilan noustessa, koska jotkut valenssielektronit absorboivat lämpöenergiaa ja eroavat sidoksista.

Näistä elektroneista tulee vapaita elektroneja, ja jos ne johdetaan oikein sähköisen potentiaalin eron perusteella, ne voivat vaikuttaa virran virtaukseen kidehilassa.

Tässä tapauksessa vapaat elektronit hyppäävät johtavuuskaistaan ja menevät potentiaalilähteen (esimerkiksi akku) positiiviseen napaan.

Valenssielektronien liike indusoi tyhjiön molekyylirakenteessa, mikä muuttuu samanlaiseksi vaikutukseksi kuin järjestelmän positiivinen varaus, minkä vuoksi niitä pidetään positiivisen varauksen kantajina.

Sitten on käänteinen vaikutus, koska jotkut elektronit voivat pudota johtamiskaistalta valenssikuoreen, joka vapauttaa energiaa prosessissa, jota kutsutaan rekombinaatioksi.

Ulkopuoliset puolijohteet

Ne vastaavat sisällyttämällä epäpuhtaudet sisäisiin johtimiin; ts. sisällyttämällä kolmenarvoisia tai viisiarvoisia elementtejä.

Tätä prosessia kutsutaan dopingiksi, ja sen tarkoituksena on lisätä materiaalien johtavuutta, parantaa niiden fysikaalisia ja sähköisiä ominaisuuksia.

Korvaamalla sisäinen puolijohdeatomi toisen komponentin atomilla, voidaan saada kahta tyyppiä ulkoisia puolijohteita, joita kuvataan yksityiskohtaisemmin alla.

P-tyyppinen puolijohde

Tässä tapauksessa epäpuhtaus on kolmiarvoinen puolijohde-elementti; eli kolme (3) elektronia valenssikuoressaan.

Rakenteen tunkeutuvia elementtejä kutsutaan dopingielementeiksi. Esimerkkejä näistä elementeistä P-tyypin puolijohteille ovat boori (B), gallium (Ga) tai indium (In).

Josta puuttuu valenssielektroni sisäisen puolijohteen neljän kovalenttisen sidoksen muodostamiseksi, P-tyypin puolijohteessa on aukko puuttuvassa sidoksessa.

Tämä saa aikaan kiteiseen hilaan kuulumattomien elektronien kulun tämän positiivisen varauksen kantavan reiän läpi.

Sidosvälin positiivisen varauksen vuoksi nämä tyyppiset johtimet on merkitty kirjaimella "P", ja tästä syystä ne tunnustetaan elektronekseksereiksi.

Elektronien virtaus sidoksen reikien läpi tuottaa sähkövirran, joka kiertää vastakkaiseen suuntaan kuin vapaista elektroneista johdettu virta.

N-tyyppinen puolijohde

Konfiguraation häiritsevä elementti annetaan viisiarvoisilla elementeillä; ts. ne, joilla on viisi (5) elektronia valenssikaistalla.

Sisäiseen puolijohteeseen sisällytetyt epäpuhtaudet ovat tässä tapauksessa elementtejä, kuten fosforia (P), antimonia (Sb) tai arseenia (As).

Lisäaineilla on ylimääräinen valenssielektroni, joka, jolla ei ole kovalenttista sidosta sitoutuakseen, on automaattisesti vapaa liikkumaan kidehilan läpi.

Tässä sähkövirta kiertää materiaalin läpi lisäaineen tuottaman vapaiden elektronien ylijäämän ansiosta. Siksi N-tyypin puolijohteita pidetään elektronien luovuttajina.

ominaisuudet

Puolijohteille on tunnusomaista kaksitoimisuus, energiatehokkuus, sovellusten monimuotoisuus ja alhaiset kustannukset. Puolijohteiden houkuttelevat ominaisuudet on kuvattu alla.

- Sen vaste (johtava tai eristävä) voi vaihdella elementin herkkyyden suhteen valaistukselle, sähkökenttiä ja ympäristön magneettikenttiä varten.

- Jos puolijohteelle alistetaan matala lämpötila, elektronit pysyvät yhtenäisinä valenssikaistalla, ja siksi sähkövirran kiertoon ei muodostu vapaita elektroneja.

Toisaalta, jos puolijohde on alttiina korkeille lämpötiloille, lämpövärinä voi vaikuttaa elementin atomien kovalenttisten sidosten lujuuteen jättäen vapaita elektroneja sähkönjohtajuudelle.

- Puolijohteiden johtavuus vaihtelee epäpuhtauksien tai seostuselementtien suhteen sisäisessä puolijohteessa.

Esimerkiksi, jos 10 booriatomia sisältyy miljoonaan piiatomiin, tämä suhde lisää yhdisteen johtavuutta tuhat kertaa verrattuna puhtaan piin johtavuuteen.

- Puolijohteiden johtavuus vaihtelee välillä 1 - 10 ^-6 S.cm ^-1, käytetyn kemiallisen elementin tyypistä riippuen.

- Yhdistelmä- tai ulkopuolisilla puolijohteilla voi olla optisia ja sähköisiä ominaisuuksia, jotka ovat huomattavasti parempia kuin sisäisten puolijohteiden ominaisuudet. Esimerkki tästä on gallium-arsenidi (GaAs), jota käytetään pääasiassa radiotaajuuksissa ja muissa optoelektronisissa sovelluksissa.

Sovellukset

Puolijohteita käytetään laajalti raaka-aineena päivittäiseen elämäämme kuuluvien elektronisten elementtien, kuten integroitujen piirien, kokoonpanossa.

Yksi integroidun piirin pääelementeistä on transistorit. Nämä laitteet täyttävät tehtävän tarjota lähtösignaali (oskillatiivinen, vahvistettu tai tasasuunniteltu) tietyn tulosignaalin mukaisesti.

Lisäksi puolijohteet ovat myös primäärimateriaali diodeissa, joita käytetään sähköisissä piireissä, jotta sähkövirta voi kulkea vain yhteen suuntaan.

Diodesuunnittelua varten muodostuu P- ja N-tyyppisiä ulkopuolisia puolijohteiden liitoskohtia.Vaihteen elektronien luovuttaja- ja kantoelementeillä aktivoidaan tasapainotusmekanismi molempien vyöhykkeiden välillä.

Siten molempien vyöhykkeiden elektronit ja aukot leikkaavat toisiaan ja täydentävät niitä tarvittaessa. Tämä tapahtuu kahdella tavalla:

- Elektronien siirto N-tyypin vyöhykkeeltä P-vyöhykkeelle tapahtuu.N-tyyppinen vyöhyke saa aikaan pääasiassa positiivisen varausvyöhykkeen.

- Elektroneja kantavia reikiä kulkee P-tyyppisestä vyöhykkeestä N-tyyppiseen vyöhykkeeseen.P-tyyppinen vyöhyke saa aikaan pääosin negatiivisen varauksen.

Lopuksi muodostetaan sähkökenttä, joka indusoi virran kiertämisen vain yhteen suuntaan; eli alueelta N alueelle P.

Lisäksi sisäisten ja ulkoisten puolijohteiden yhdistelmien avulla voidaan tuottaa laitteita, jotka suorittavat samanlaisia toimintoja kuin tyhjiöputki, joka sisältää satoja kertoja sen tilavuuden.

Tämäntyyppinen sovellus koskee integroituja piirejä, kuten mikroprosessorisiruja, jotka peittävät huomattavan määrän sähköenergiaa.

Puolijohteita on läsnä päivittäisessä elämässämme käytetyissä elektronisissa laitteissa, kuten ruskean linjan laitteissa, kuten televisioissa, videopeleissa, äänilaitteissa; tietokoneet ja matkapuhelimet.

esimerkit

Elektroniikkateollisuudessa yleisimmin käytetty puolijohde on pii (Si). Tämä materiaali on läsnä laitteissa, jotka muodostavat integroidut piirit, jotka ovat osa päivittäistä elämäämme.

Pii germaniumseoksia (SiGe) käytetään nopeissa integroiduissa piireissä tutkat ja vahvistimet sähköisiä instrumentteja, kuten sähkökitarat.

Toinen esimerkki puolijohteesta on gallium-arsenidi (GaAs), jota käytetään laajasti signaalivahvistimissa, erityisesti signaaleihin, joilla on suuri vahvistus ja matala kohinataso.

Viitteet

Brian, M. (toinen). Kuinka puolijohteet toimivat. Palautettu osoitteesta: electronics.howstuffworks.com
Landin, P. (2014). Sisäiset ja ulkoiset puolijohteet. Palautettu osoitteesta: pelandintecno.blogspot.com
Rouse, M. (toinen). Puolijohde. Palautettu osoitteesta: whatis.techtarget.com
Puolijohde (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Lontoo, Iso-Britannia. Palautettu osoitteesta: britannica.com
Wikipedia, Vapaa tietosanakirja (2018). Puolijohde. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org

PUOLIJOHTEET: TYYPIT, SOVELLUKSET JA ESIMERKIT - DUDAS - 2026