Τύποι, εφαρμογές και παραδείγματα ημιαγωγών

Το ημιαγωγοί είναι στοιχεία που εκτελούν επιλεκτικά τη λειτουργία αγωγών ή μονωτών, ανάλογα με τις εξωτερικές συνθήκες στις οποίες υποβάλλονται, όπως η θερμοκρασία, η πίεση, η ακτινοβολία και τα μαγνητικά ή ηλεκτρικά πεδία.

Στον περιοδικό πίνακα υπάρχουν 14 στοιχεία ημιαγωγών, μεταξύ των οποίων το πυρίτιο, το γερμάνιο, το σελήνιο, το κάδμιο, το αργίλιο, το γάλλιο, το βόριο, το ίνδιο και ο άνθρακας. Οι ημιαγωγοί είναι κρυσταλλικά στερεά με μέση ηλεκτρική αγωγιμότητα, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν με διπλό τρόπο ως αγωγός και μονωτής.

Αν χρησιμοποιούνται ως αγωγοί, υπό ορισμένες συνθήκες επιτρέπουν την κυκλοφορία ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά μόνο προς μία κατεύθυνση. Επίσης, δεν έχουν αγωγιμότητα τόσο υψηλή όσο αυτή των αγώγιμων μετάλλων.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, ειδικά για την κατασκευή εξαρτημάτων όπως τρανζίστορ, διόδους και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Χρησιμοποιούνται επίσης ως αξεσουάρ ή αξεσουάρ για οπτικούς αισθητήρες, όπως λέιζερ στερεάς κατάστασης, και μερικές συσκευές ισχύος για συστήματα μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας..

Επί του παρόντος, αυτός ο τύπος στοιχείων χρησιμοποιείται για τεχνολογικές εξελίξεις στους τομείς των τηλεπικοινωνιών, των συστημάτων ελέγχου και της επεξεργασίας σημάτων, τόσο σε οικιακές όσο και σε βιομηχανικές εφαρμογές.

Ευρετήριο

• 1 Τύποι
  • 1.1 Εγγενείς ημιαγωγούς
  • 1.2 Εξωτμητικοί ημιαγωγοί
• 2 Χαρακτηριστικά
• 3 Εφαρμογές
• 4 Παραδείγματα
• 5 Αναφορές

Τύποι

Υπάρχουν διάφοροι τύποι υλικών ημιαγωγών, ανάλογα με τις ακαθαρσίες που εμφανίζουν και τη φυσική τους απόκριση σε διαφορετικά περιβαλλοντικά ερεθίσματα.

Εσωτερικοί ημιαγωγοί

Είναι εκείνα τα στοιχεία των οποίων η μοριακή δομή αποτελείται από ένα μόνο τύπο ατόμου. Μεταξύ αυτού του τύπου εγγενών ημιαγωγών είναι το πυριτικό και το γερμάνιο.

Η μοριακή δομή των εγγενών ημιαγωγών είναι τετραεδρική. δηλαδή, έχει ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ τεσσάρων περιβαλλόντων ατόμων, όπως παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα.

Κάθε άτομο ενός εγγενούς ημιαγωγού έχει 4 ηλεκτρόνια σθένους. δηλαδή, 4 ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από το εξωτερικό στρώμα κάθε ατόμου. Με τη σειρά τους, κάθε ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια σχηματίζει δεσμούς με γειτονικά ηλεκτρόνια.

Με αυτό τον τρόπο, κάθε άτομο έχει 8 ηλεκτρόνια στο πιο επιφανειακό του στρώμα, το οποίο σχηματίζει μια σταθερή ένωση μεταξύ των ηλεκτρονίων και των ατόμων που αποτελούν το κρυσταλλικό πλέγμα.

Λόγω αυτής της διαμόρφωσης, τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται εύκολα μέσα στη δομή. Έτσι, υπό κανονικές συνθήκες, οι εγγενείς ημιαγωγοί συμπεριφέρονται ως μονωτές.

Ωστόσο, η αγωγιμότητα του εγγενούς ημιαγωγού αυξάνεται κάθε φορά που αυξάνεται η θερμοκρασία, καθώς μερικά ηλεκτρόνια σθένους απορροφούν τη θερμική ενέργεια και διαχωρίζονται από τους δεσμούς.

Αυτά τα ηλεκτρόνια γίνονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και, εάν αντιμετωπίζονται σωστά από μια διαφορά στο ηλεκτρικό δυναμικό, μπορούν να συνεισφέρουν στην κυκλοφορία του ρεύματος εντός του κρυσταλλικού πλέγματος.

Σε αυτή την περίπτωση, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μεταπηδούν στη ζώνη αγωγιμότητας και πηγαίνουν στον θετικό πόλο της πιθανής πηγής (για παράδειγμα μια μπαταρία).

Η κίνηση των ηλεκτρονίων σθένους επάγουν ένα κενό στην μοριακή δομή, η οποία οδηγεί σε παρόμοια απόδοση ένα θετικό φορτίο στην επίδραση σύστημα, έτσι ώστε να θεωρούνται θετικά φορείς φορτίου.

Έπειτα, λαμβάνει χώρα ένα αντίστροφο φαινόμενο, καθώς ορισμένα ηλεκτρόνια μπορούν να πέσουν από τη ζώνη αγωγής μέχρις ότου η στρώση σθένους απελευθερώσει ενέργεια στη διαδικασία, η οποία λαμβάνει το όνομα του ανασυνδυασμού.

Εξωγενείς ημιαγωγούς

Συμμορφώνονται με τη συμπερίληψη ακαθαρσιών στους εγγενείς αγωγούς. δηλαδή ενσωματώνοντας τρισθενή ή πεντασθενή στοιχεία.

Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως doping και έχει ως στόχο την αύξηση της αγωγιμότητας των υλικών, τη βελτίωση των φυσικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων αυτών.

Αντικαθιστώντας ένα εγγενές άτομο ημιαγωγού για ένα άτομο άλλου συστατικού, μπορούν να ληφθούν δύο τύποι εξωγενών ημιαγωγών, οι οποίοι περιγράφονται λεπτομερώς παρακάτω.

Τύπος ημιαγωγού P

Στην περίπτωση αυτή, η πρόσμειξη είναι ένα στοιχείο τρισθενούς ημιαγωγού. δηλαδή, με τρία (3) ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους.

Τα διεισδυτικά στοιχεία μέσα στη δομή ονομάζονται στοιχεία ντόπινγκ. Παραδείγματα αυτών των στοιχείων για τους ημιαγωγούς τύπου Ρ είναι το βόριο (Β), το γάλλιο (Ga) ή το ίνδιο (Ιη).

Χωρίς ένα ηλεκτρόνιο σθένους για τον σχηματισμό των τεσσάρων ομοιοπολικών δεσμών ενός εγγενούς ημιαγωγού, ο ημιαγωγός τύπου Ρ έχει ένα κενό στο σύνδεσμο που λείπει.

Αυτό κάνει τη διέλευση ηλεκτρονίων που δεν ανήκουν στο κρυσταλλικό δίκτυο μέσω αυτής της τρύπας μεταφοράς θετικού φορτίου.

Λόγω της θετικής φόρτισης του χάσματος της ζεύξης, αυτός ο τύπος αγωγών ονομάζεται με το γράμμα "Ρ" και, κατά συνέπεια, αναγνωρίζονται ως δέκτες ηλεκτρονίων.

Η ροή των ηλεκτρονίων μέσω των κενών του δεσμού παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση προς το ρεύμα που προέρχεται από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Ημιαγωγός τύπου Ν

Το παρεμβατικό στοιχείο στη διαμόρφωση δίνεται από πεντακάθαρα στοιχεία. δηλαδή, εκείνοι που έχουν πέντε (5) ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους.

Στην περίπτωση αυτή, οι προσμείξεις ενσωματώνονται στα εγγενή στοιχεία ημιαγωγών είναι ο φώσφορος (P), αντιμόνιο (Sb) ή αρσενικό (As).

Οι προσμείξεις έχουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο σθένους το οποίο, χωρίς να έχει μια ομοιοπολική σύνδεση για να ενώσει, είναι αυτόματα ελεύθερο να κινηθεί μέσω του κρυσταλλικού δικτύου.

Εδώ, το ηλεκτρικό ρεύμα κυκλοφορεί μέσω του υλικού χάρη στο πλεόνασμα των ελεύθερων ηλεκτρονίων που παρέχεται από το πρόσθετο. Επομένως, ημιαγωγοί τύπου Ν θεωρούνται δότες ηλεκτρονίων.

Χαρακτηριστικά

Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από τη διπλή λειτουργικότητα, την ενεργειακή απόδοση, την ποικιλία εφαρμογών και το χαμηλό κόστος. Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των ημιαγωγών παρουσιάζονται παρακάτω.

- Η απόκριση (αγωγός ή μονωτής) μπορεί να ποικίλει ανάλογα με την ευαισθησία του στοιχείου στο φωτισμό, τα ηλεκτρικά πεδία και τα μαγνητικά πεδία του περιβάλλοντος.

- Εάν ο ημιαγωγός υποβάλλεται σε μία χαμηλή θερμοκρασία, τα ηλεκτρόνια θα συγκρατούνται μαζί σε ζώνη σθένους, και ως εκ τούτου, ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν θα προκύψουν για την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. 

Ωστόσο, εάν ο ημιαγωγός εκτίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες, η θερμική δόνηση μπορεί να επηρεάσει την αντοχή των ομοιοπολικών δεσμών των ατόμων του στοιχείου, το οποίο είναι δωρεάν για ηλεκτρικές ηλεκτρόνια αγωγιμότητας.

- Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών ποικίλλει ανάλογα με την αναλογία των ακαθαρσιών ή των υλικών ντόπινγκ μέσα σε ένα εγγενές ημιαγωγό.

Για παράδειγμα, εάν περιλαμβάνονται 10 άτομα βορίου σε ένα εκατομμύριο άτομα πυριτίου, ο λόγος αυτός αυξάνει την αγωγιμότητα της ένωσης χιλιάδες φορές, σε σύγκριση με την αγωγιμότητα του καθαρού πυριτίου..

- Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών κυμαίνεται μεταξύ 1 και 10^-6 S.cm^-1, ανάλογα με τον τύπο του χρησιμοποιούμενου χημικού στοιχείου.

- ημιαγωγοί ένωση ή εξωγενής μπορεί να εμφανίζουν οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες σημαντικά ανώτερη από τις ιδιότητες του ημιαγωγού intrínsecos.Un παράδειγμα αυτής της άποψης είναι αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs), που χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων και άλλες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές.

Εφαρμογές

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως ως πρώτη ύλη στη συναρμολόγηση ηλεκτρονικών στοιχείων που αποτελούν μέρος της καθημερινής μας ζωής, όπως τα ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Ένα από τα κύρια στοιχεία ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος είναι τα τρανζίστορ. Αυτές οι συσκευές πληρούν τη λειτουργία παροχής σήματος εξόδου (ταλαντευόμενου, ενισχυμένου ή διορθωμένου) σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο σήμα εισόδου.

Επιπλέον, οι ημιαγωγοί είναι επίσης το κύριο υλικό διόδων που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά κυκλώματα για να επιτρέπουν τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μόνο σε μία κατεύθυνση.

Για το σχεδιασμό των διόδων, οι συνδέσεις του εξωγενούς ημιαγωγού Ρ-τύπου και Ν-τύπου Εναλλαγή φορείς και δότες ηλεκτρονίων που σχηματίζονται, ένας μηχανισμός εξισορρόπησης ενεργοποιείται μεταξύ των δύο ζωνών.

Έτσι, τα ηλεκτρόνια και οι οπές και στις δύο ζώνες τέμνονται και αλληλοσυμπληρώνονται όταν χρειάζεται. Αυτό συμβαίνει με δύο τρόπους:

- Λαμβάνεται η μεταφορά ηλεκτρονίων από τη ζώνη τύπου Ν στη ζώνη P. Η ζώνη τύπου Ν αποκτά μια κατά κύριο λόγο θετική ζώνη φόρτωσης.

- Απεικονίζεται μια δίοδος οπών που φέρουν ηλεκτρόνια από την ζώνη τύπου Ρ προς τη ζώνη τύπου Ν.Η ζώνη τύπου Ρ αποκτά ένα κυρίως αρνητικό φορτίο.

Τέλος, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο που προκαλεί την κυκλοφορία του ρεύματος σε μία μόνο κατεύθυνση. δηλαδή από τη ζώνη Ν ​​στη ζώνη Ρ.

Επιπλέον, η χρήση συνδυασμών εγγενών και εξωγενών ημιαγωγών μπορεί να παράγει συσκευές που εκτελούν λειτουργίες παρόμοιες με σωλήνες κενού που περιέχουν τον όγκο τους εκατοντάδες φορές.

Αυτός ο τύπος εφαρμογών ισχύει για ολοκληρωμένα κυκλώματα, όπως τσιπ μικροεπεξεργαστών που καλύπτουν σημαντική ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.

Τα ημιαγωγοί υπάρχουν σε ηλεκτρονικές συσκευές που χρησιμοποιούμε στην καθημερινότητά μας, όπως ο εξοπλισμός καφέ γραμμής όπως οι τηλεοράσεις, οι συσκευές αναπαραγωγής βίντεο, ο ηχητικός εξοπλισμός, υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα.

Παραδείγματα

Ο συνηθέστερα χρησιμοποιούμενος ημιαγωγός στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών είναι το πυρίτιο (Si). Αυτό το υλικό υπάρχει στις συσκευές που αποτελούν τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που αποτελούν μέρος της καθημερινότητάς μας.

Γερμάνιο και κράματα πυριτίου (SiGe) χρησιμοποιούνται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα υψηλής ταχύτητας για ραντάρ και ενισχυτές ηλεκτρικών οργάνων, όπως ηλεκτρικές κιθάρες.

Ένα άλλο παράδειγμα ημιαγωγού είναι το αρσενικό του γαλλίου (GaAs), που χρησιμοποιείται ευρέως σε ενισχυτές σημάτων, ειδικά σήματα με υψηλό κέρδος και χαμηλό επίπεδο θορύβου.

Αναφορές

1. Brian, Μ. (S.f.) Πώς λειτουργούν οι ημιαγωγοί. Ανακτήθηκε από: electronics.howstuffworks.com
2. Landin, Ρ. (2014). Εγγενείς και εξωγενείς ημιαγωγοί. Ανακτήθηκε από: pelandintecno.blogspot.com
3. Rouse, Μ. (S.f.). Ημιαγωγός. Ανακτήθηκε από: whatis.techtarget.com
4. Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Λονδίνο, Ηνωμένο Βασίλειο. Ανακτήθηκε από: britannica.com
5. Τι είναι ημιαγωγοί; (s.f.). © Hitachi High-Technologies Corporation. Ανακτήθηκε από: hitachi-hightech.com
6. Wikipedia, Η ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια (2018). Ημιαγωγός. Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org