HALVLEDERE: TYPER, APPLIKATIONER OG EKSEMPLER - DUDAS

De halvledere er elementer, der udfører funktionen af selektivt ledende eller isolerende, alt efter de ydre betingelser, som de udsættes, såsom temperatur, tryk, stråling og elektriske eller magnetiske felter.

I den periodiske tabel er 14 halvlederelementer til stede, blandt hvilke silicium, germanium, selen, cadmium, aluminium, gallium, bor, indium og carbon skiller sig ud. Halvledere er krystallinske faste stoffer med medium elektrisk ledningsevne, så de kan bruges dobbelt som leder og isolator.

Hvis de bruges som ledere, tillader de under visse betingelser cirkulation af elektrisk strøm, men kun i en retning. Desuden har de ikke så høj ledningsevne 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 faststoflasere, og nogle strømanordninger til elektriske kraftoverføringssystemer.

I øjeblikket bruges denne type elementer til teknologisk udvikling inden for telekommunikation, kontrolsystemer og signalbehandling, både i indenlandske og industrielle applikationer.

typer

Der er forskellige typer halvledermaterialer, afhængigt af urenhederne, de præsenterer, og deres fysiske respons på forskellige miljøstimuleringer.

Intrinsiske halvledere

Det er de elementer, hvis molekylstruktur består af en enkelt type atom. Blandt disse typer iboende halvledere er silico og germanium.

Den molekylære struktur af iboende halvledere er tetrahedral; det vil sige, det har kovalente bindinger mellem fire omgivende atomer, som det er vist på billedet herunder.

Hvert atom i en iboende halvleder har 4 valenselektroner; det vil sige 4 elektroner, der kredser rundt i den yderste skal af hvert atom. Til gengæld danner hver af disse elektroner bindinger med tilstødende elektroner.

På denne måde har hvert atom 8 elektroner i sit mest overfladiske lag og danner derved en solid binding mellem elektroner og atomer, der udgør krystalgitteret.

På grund af denne konfiguration bevæger elektroner sig ikke let inden for strukturen. Under standardbetingelser opfører sig iboende halvledere sig som en isolator.

Konduktiviteten af den iboende halvleder stiger imidlertid hver gang temperaturen stiger, da nogle valenselektroner optager varmeenergi og adskiller sig fra bindingerne.

Disse elektroner bliver frie elektroner og kan, hvis de korrekt styres af en forskel i elektrisk potentiale, bidrage til strømmen af strøm inden i krystalgitteret.

I dette tilfælde hopper de frie elektroner ind i ledningsbåndet og går til den positive pol i den potentielle kilde (for eksempel et batteri).

Bevægelsen af valenselektroner inducerer et vakuum i molekylstrukturen, hvilket omsætter til en virkning, der ligner den, der frembringes af en positiv ladning i systemet, hvorfor de betragtes som bærere af positiv ladning.

Derefter er der en omvendt effekt, da nogle elektroner kan falde fra ledningsbåndet til valensskallen, der frigiver energi i processen, der kaldes rekombination.

Ekstrinsiske halvledere

De stemmer overens med at inkludere urenheder i de iboende ledere; det vil sige ved at inkorporere trivalente eller pentavalente elementer.

Denne proces er kendt som doping, og dens formål er at øge materialernes ledningsevne og forbedre deres fysiske og elektriske egenskaber.

Ved at erstatte et iboende halvlederatom med et atom med en anden komponent, kan der fås to typer ekstrinsiske halvledere, som er detaljeret beskrevet nedenfor.

Halvleder af P-type

I dette tilfælde er urenheden et trivalent halvlederelement; det vil sige med tre (3) elektroner i dens valensskal.

De indgribende elementer i strukturen kaldes dopingelementer. Eksempler på disse elementer til halvlederledninger af P-type er bor (B), gallium (Ga) eller indium (In).

Mangel på et valenselektron til dannelse af de fire kovalente bindinger i en iboende halvleder har P-typen halvleder et hul i den manglende binding.

Dette gør passage af elektroner, der ikke hører til det krystallinske gitter gennem dette hul, som bærer en positiv ladning.

På grund af den positive ladning af bindingsgabet betegnes disse typer af ledere med bogstavet "P", og derfor anerkendes de som elektronacceptorer.

Strømmen af elektroner gennem hullerne i bindingen producerer en elektrisk strøm, der cirkulerer i den modsatte retning fra den strøm, der stammer fra de frie elektroner.

Halvleder af typen N

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 iboende halvleder, elementer såsom fosfor (P), antimon (Sb) eller arsen (As).

Dopingmidler har en ekstra valenselektron, der, uden 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 dopingmidlet. Derfor betragtes halvledere af N-type som elektrondonorer.

egenskaber

Halvledere er kendetegnet ved deres dobbelte funktionalitet, energieffektivitet, mangfoldighed af applikationer og lave omkostninger. Halvlederes fremtrædende karakteristika er detaljeret nedenfor.

- Dets respons (ledende eller isolerende) kan variere afhængigt af elementets følsomhed over for belysning, elektriske felter og magnetiske felter i miljøet.

- Hvis halvlederen udsættes for en lav temperatur, forbliver elektronerne samlet i valensbåndet, og der opstår derfor ingen 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 i elementets atomer og efterlade frie elektroner til elektrisk ledning.

- Konduktiviteten for halvledere varierer afhængigt af andelen af urenheder eller dopingelementer i en iboende halvleder.

For eksempel, hvis 10 boratomer er inkluderet i en million siliciumatomer, øger dette forhold konduktiviteten af forbindelsen tusind gange sammenlignet med konduktiviteten af rent silicium.

- Konduktiviteten for halvledere varierer i et interval mellem 1 og ^10-6 S. cm ^-1, afhængigt af typen af det anvendte kemiske element.

- Sammensatte eller ekstinsiske halvledere kan have optiske og elektriske egenskaber, der er væsentligt overlegne egenskaber ved iboende halvledere. Et eksempel på dette er galliumarsenid (GaA'er), der hovedsageligt anvendes i radiofrekvens og anden anvendelse af optoelektroniske applikationer.

Applikationer

Halvledere er vidt brugt som råmateriale til samling 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 af at tilvejebringe et udgangssignal (oscillerende, forstærket eller berigtiget) i henhold til et specifikt indgangssignal.

Derudover er halvledere også det primære materiale til dioder, der bruges i elektroniske kredsløb, så elektrisk strøm kun kan passere i en retning.

Til diodesign dannes ekstensive halvleder-forbindelser af P-type og N-type. Ved skiftevis elektrondonor og bæreelementer aktiveres en afbalanceringsmekanisme mellem begge zoner.

Således krydser hinanden elektronerne og huller i begge zoner og komplementerer hinanden, hvor det er nødvendigt. Dette sker på to måder:

- Overførslen af elektroner fra zonen N-typen til P-zonen finder sted.N-typezonen opnår en overvejende positiv ladningszone.

- Der er en passage af elektronbærende huller fra P-typen zone til N-typen zone P-typen zone får en overvejende negativ ladning.

Endelig dannes et elektrisk felt, der inducerer strømmen i kun en retning; det vil sige fra zone N til zone P.

Derudover kan brug af kombinationer af iboende og ekstinsiske halvledere producere enheder, der udfører funktioner, der ligner et vakuumrør, der indeholder hundreder af gange dens volumen.

Denne type anvendelse gælder 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 brun linjeudstyr såsom fjernsyn, videospillere, lydudstyr; computere og mobiltelefoner.

eksempler

Den mest anvendte halvleder i elektronikindustrien er silicium (Si). Dette materiale findes i de enheder, der udgør de integrerede kredsløb, der er en del af vores daglige liv.

Silicium germanium-legeringer (SiGe) bruges i højhastighedsintegrerede kredsløb til radarer og forstærkere af elektriske instrumenter, såsom elektriske guitarer.

Et andet eksempel på en halvleder er galliumarsenid (GaA'er), der i vid udstrækning bruges i signalforstærkere, specifikt til signaler med høj forstærkning og lavt støjniveau.

Referencer

Brian, M. (nd). Sådan fungerer halvledere. Gendannes fra: electronics.howstuffworks.com
Landin, P. (2014). Intrinsiske og ekstrinsiske halvledere. Gendannes fra: pelandintecno.blogspot.com
Rouse, M. (nd). Semiconductor. Gendannes fra: whatis.techtarget.com
Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. London, UK. Gendannes fra: britannica.com
Wikipedia, The Free Encyclopedia (2018). Semiconductor. Gendannet fra: es.wikipedia.org

HALVLEDERE: TYPER, APPLIKATIONER OG EKSEMPLER - DUDAS - 2025