POLOVODIČE: TYPY, APLIKACE A PŘÍKLADY - DUDAS

Tyto polovodiče jsou prvky, které vykonávají funkci selektivně vodivý nebo izolační, v závislosti na vnějších podmínkách, kterým jsou vystaveny, jako je teplota, tlak, záření a elektrického nebo magnetického pole.

V periodické tabulce je přítomno 14 polovodičových prvků, mezi nimiž vyniká křemík, germanium, selen, kadmium, hliník, gallium, bor, indium a uhlík. Polovodiče jsou krystalické pevné látky se střední elektrickou vodivostí, takže je lze použít dvojitě jako vodič a izolátor.

Pokud jsou použity jako vodiče, umožňují za určitých podmínek cirkulaci elektrického proudu, ale pouze v jednom směru. Navíc nemají tak vysokou vodivost jako vodivé kovy.

Polovodiče se používají v elektronických aplikacích, zejména pro výrobu součástí, jako jsou tranzistory, diody a integrované obvody. Používají se také jako příslušenství nebo doplňky pro optické senzory, jako jsou lasery v pevné fázi a některá výkonová zařízení pro systémy přenosu elektrické energie.

V současné době se tento typ prvku používá pro technologický vývoj v oblasti telekomunikací, řídicích systémů a zpracování signálů, jak v domácích, tak v průmyslových aplikacích.

Typy

Existují různé typy polovodičových materiálů v závislosti na nečistotách, které se vyskytují, a jejich fyzické reakci na různé podněty prostředí.

Vnitřní polovodiče

Jsou to ty prvky, jejichž molekulární struktura je tvořena jediným typem atomu. Mezi tyto typy vnitřních polovodičů patří křemík a germanium.

Molekulární struktura vnitřních polovodičů je tetrahedrální; to znamená, že má kovalentní vazby mezi čtyřmi okolními atomy, jak je znázorněno na obrázku níže.

Každý atom vnitřního polovodiče má 4 valenční elektrony; tj. 4 elektrony obíhající v nejvzdálenějším plášti každého atomu. Na druhé straně každý z těchto elektronů vytváří vazby se sousedními elektrony.

Tímto způsobem má každý atom ve své nejpovrchnější vrstvě 8 elektronů, čímž vytváří pevnou vazbu mezi elektrony a atomy, které tvoří krystalovou mříž.

Díky této konfiguraci se elektrony uvnitř struktury nepohybují snadno. Takže za standardních podmínek se vnitřní polovodiče chovají jako izolátor.

Vodivost vlastního polovodiče se však zvyšuje vždy, když se teplota zvyšuje, protože některé valenční elektrony absorbují tepelnou energii a oddělují se od vazeb.

Tyto elektrony se stávají volnými elektrony a, pokud jsou správně řízeny rozdílem elektrického potenciálu, mohou přispívat k toku proudu uvnitř krystalové mřížky.

V tomto případě volné elektrony skočí do vodivého pásma a přejdou k kladnému pólu potenciálního zdroje (například baterie).

Pohyb valenčních elektronů indukuje vakuum v molekulární struktuře, což se promítá do efektu podobného efektu vytvářenému kladným nábojem v systému, a proto jsou považovány za nosiče pozitivního náboje.

Pak je zde opačný efekt, protože některé elektrony mohou z vodivého pásma klesnout do valenčního pouzdra a uvolnit energii v procesu, která se nazývá rekombinací.

Vnější polovodiče

Vyhovují zahrnutím nečistot do vnitřních vodičů; to znamená začleněním trojmocných nebo pětimocných prvků.

Tento proces je známý jako doping a jeho účelem je zvýšit vodivost materiálů, zlepšit jejich fyzikální a elektrické vlastnosti.

Nahrazením vnitřního polovodičového atomu atomem jiné složky lze získat dva typy vnějších polovodičů, které jsou podrobně popsány níže.

Polovodič typu P

V tomto případě je nečistota trojmocným polovodičovým prvkem; to znamená se třemi (3) elektrony v jeho valenčním pouzdru.

Intruzivní prvky ve struktuře se nazývají dopingové prvky. Příklady těchto prvků pro polovodiče typu P jsou bór (B), gallium (Ga) nebo indium (In).

Chybí valenční elektron, aby vytvořil čtyři kovalentní vazby vnitřního polovodiče, polovodič typu P má mezeru v chybějící vazbě.

Toto dělá průchod elektronů, které nepatří do krystalické mříže skrz tuto díru, která nese kladný náboj.

Vzhledem k kladnému náboji mezery ve vazbě jsou tyto typy vodičů označeny písmenem „P“, a proto jsou uznány jako akceptory elektronů.

Tok elektronů skrz díry ve svazku vytváří elektrický proud, který cirkuluje v opačném směru než proud odvozený od volných elektronů.

Polovodič typu N

Rušivý prvek v konfiguraci je dán pětičlennými prvky; to znamená ty, které mají ve valenčním pásmu pět (5) elektronů.

V tomto případě nečistoty, které jsou zabudovány do vnitřního polovodiče, jsou prvky, jako je fosfor (P), antimon (Sb) nebo arsen (As).

Dopanti mají další valenční elektron, který bez vazby kovalentní vazby je automaticky volný pro pohyb krystalovou mříží.

Zde elektrický proud cirkuluje materiálem díky přebytku volných elektronů, které poskytuje dopant. Proto jsou polovodiče typu N považovány za dárce elektronů.

vlastnosti

Polovodiče se vyznačují dvojí funkčností, energetickou účinností, rozmanitostí aplikací a nízkými náklady. Hlavní charakteristiky polovodičů jsou podrobně popsány níže.

- Jeho odezva (vodivá nebo izolační) se může lišit v závislosti na citlivosti prvku na osvětlení, elektrická pole a magnetická pole v prostředí.

- Pokud je polovodič vystaven nízké teplotě, elektrony zůstanou ve valenčním pásmu sjednoceny, a proto pro cirkulaci elektrického proudu nevzniknou žádné volné elektrony.

Na druhé straně, pokud je polovodič vystaven vysokým teplotám, může tepelné vibrace ovlivnit sílu kovalentních vazeb atomů prvku a ponechat volné elektrony pro elektrické vedení.

- Vodivost polovodičů se liší v závislosti na podílu nečistot nebo dopingových prvků uvnitř vlastního polovodiče.

Například, pokud je na milion atomů křemíku zahrnuto 10 atomů boru, zvyšuje tento poměr vodivost sloučeniny tisíckrát ve srovnání s vodivostí čistého křemíku.

- Vodivost polovodičů se mění v intervalu mezi 1 a ^10-6 S.cm ^-1, v závislosti na typu použitého chemického prvku.

- Kompozitní nebo vnější polovodiče mohou mít optické a elektrické vlastnosti výrazně lepší než vlastnosti vnitřních polovodičů. Příkladem je arzenid gallium (GaAs), používaný převážně v vysokofrekvenčních a jiných použitích optoelektronických aplikací.

Aplikace

Polovodiče jsou široce používány jako surovina při montáži elektronických prvků, které jsou součástí našeho každodenního života, jako jsou integrované obvody.

Jedním z hlavních prvků integrovaného obvodu jsou tranzistory. Tato zařízení plní funkci poskytování výstupního signálu (oscilačního, zesíleného nebo usměrněného) podle specifického vstupního signálu.

Kromě toho jsou polovodiče také primárním materiálem pro diody používané v elektronických obvodech, které umožňují elektrický proud procházet pouze jedním směrem.

Pro návrh diod se vytvářejí vnější polovodičové křižovatky typu P a N. Střídáním elektronových donorových a nosných prvků se mezi oběma zónami aktivuje vyrovnávací mechanismus.

Elektrony a díry v obou zónách se tedy protínají a v případě potřeby se vzájemně doplňují. K tomu dochází dvěma způsoby:

- Dochází k přenosu elektronů ze zóny typu N. do zóny P. Zóna typu N. získává převážně kladnou zónu náboje.

- Dochází k průchodu děr nesoucích elektron od zóny typu P do zóny typu N. Zóna typu P získává převážně záporný náboj.

Nakonec se vytvoří elektrické pole, které indukuje cirkulaci proudu pouze v jednom směru; to znamená, ze zóny N do zóny P.

Použití kombinací vnitřních a vnějších polovodičů může navíc produkovat zařízení, která vykonávají funkce podobné vakuové trubici, která obsahuje stokrát svůj objem.

Tento typ aplikace se vztahuje na integrované obvody, jako jsou mikroprocesorové čipy, které pokrývají značné množství elektrické energie.

Polovodiče jsou přítomny v elektronických zařízeních, která používáme v našem každodenním životě, jako jsou zařízení hnědé linky, jako jsou televizory, videopřehrávače, zvuková zařízení; počítače a mobilní telefony.

Příklady

Nejrozšířenějším polovodičem v elektronickém průmyslu je křemík (Si). Tento materiál je přítomen v zařízeních, která tvoří integrované obvody, které jsou součástí našeho každodenního života.

Slitinové germaniové slitiny (SiGe) se používají ve vysokorychlostních integrovaných obvodech pro radary a zesilovače elektrických nástrojů, jako jsou elektrické kytary.

Dalším příkladem polovodiče je arzenid gallia (GaAs), široce používaný v zesilovačích signálu, konkrétně pro signály s vysokým ziskem a nízkou hladinou šumu.

Reference

Brian, M. (nd). Jak polovodiče fungují. Obnoveno z: electronics.howstuffworks.com
Landin, P. (2014). Vnitřní a vnější polovodiče. Obnoveno z: pelandintecno.blogspot.com
Rouse, M. (nd). Polovodič. Obnoveno z: whatis.techtarget.com
Polovodič (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londýn, Velká Británie. Obnoveno z: britannica.com
Wikipedia, The Encyclopedia Free (2018). Polovodič. Obnoveno z: es.wikipedia.org

POLOVODIČE: TYPY, APLIKACE A PŘÍKLADY - DUDAS - 2025