Jakie są właściwości elektryczne półprzewodników?

Półprzewodniki to klasa materiałów charakteryzujących się przewodnością elektryczną pomiędzy przewodnikami a izolatorami. Ich unikalne właściwości elektryczne czynią je kamieniem węgielnym nowoczesnej elektroniki, od prostych urządzeń gospodarstwa domowego po złożone superkomputery. Jako dostawca energii elektrycznej byłem świadkiem na własne oczy znaczenia półprzewodników w różnych gałęziach przemysłu. Na tym blogu będę zagłębiać się w właściwości elektryczne półprzewodników, badając ich zachowanie, zastosowania i wpływ, jaki mają na nasze codzienne życie.

Podstawowe właściwości elektryczne półprzewodników

Przewodność

Przewodność półprzewodnika mieści się pomiędzy przewodnictwem, takim jak miedź, i izolatorem, takim jak guma. W temperaturze zera absolutnego czysty półprzewodnik działa jak izolator, ponieważ wszystkie elektrony są ściśle związane ze swoimi atomami. Jednak wraz ze wzrostem temperatury niektóre elektrony uzyskują wystarczającą energię, aby uwolnić się od atomów i stać się mobilnymi. Te wolne elektrony mogą następnie przewodzić prąd.

Przewodność półprzewodnika można również zwiększyć poprzez dodanie zanieczyszczeń w procesie zwanym domieszkowaniem. Domieszkowanie polega na wprowadzeniu niewielkich ilości obcych atomów do sieci półprzewodnika. Istnieją dwa rodzaje dopingu: typu n i typu p.

• Doping typu N: W przypadku domieszkowania typu n dodawane są zanieczyszczenia posiadające więcej elektronów walencyjnych niż atomów półprzewodnika. Na przykład w krzemie (który ma cztery elektrony walencyjne) jako domieszkę można zastosować fosfor (który ma pięć elektronów walencyjnych). Dodatkowy elektron z atomu fosforu staje się wolnym elektronem, zwiększając przewodność półprzewodnika.
• Doping typu P: W przypadku domieszkowania typu p dodawane są zanieczyszczenia o mniejszej liczbie elektronów walencyjnych niż atomów półprzewodnika. Na przykład bor (który ma trzy elektrony walencyjne) może być stosowany jako domieszka w krzemie. Brak elektronu tworzy „dziurę”, która może działać jako nośnik ładunku dodatniego. Dziury mogą przemieszczać się w siatce półprzewodnikowej, przyczyniając się do jej przewodnictwa.

Struktura pasma

Struktura pasmowa półprzewodnika ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia jego właściwości elektrycznych. W półprzewodniku istnieje przerwa energetyczna, zwana pasmem wzbronionym, pomiędzy pasmem walencyjnym (w którym elektrony są związane z atomami) a pasmem przewodnictwa (w którym elektrony mogą się swobodnie poruszać).

• Zespół Valence: Pasmo walencyjne zawiera elektrony związane z atomami półprzewodnika. W temperaturze zera absolutnego wszystkie elektrony znajdują się w paśmie walencyjnym.
• Zespół przewodnictwa: Pasmo przewodnictwa to poziom energii, na którym elektrony mogą się swobodnie poruszać i przewodzić prąd. Kiedy elektron zyskuje wystarczającą energię, aby przeskoczyć z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, staje się elektronem swobodnym.
• Przedział pasma: Pasmo wzbronione to różnica energii między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa. W półprzewodnikach pasmo wzbronione jest stosunkowo małe (zwykle od 0,1 do 3 elektronowoltów). Umożliwia to wzbudzenie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa przy użyciu stosunkowo niewielkiej energii, takiej jak energia cieplna lub światło.

Półprzewodniki wewnętrzne i zewnętrzne

Półprzewodniki wewnętrzne

Półprzewodnik samoistny to czysty półprzewodnik bez celowego domieszkowania. W półprzewodniku wewnętrznym liczba wolnych elektronów jest równa liczbie dziur. Przewodność samoistnego półprzewodnika zależy głównie od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury więcej elektronów jest wzbudzanych z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, zwiększając przewodność.

Zewnętrzne półprzewodniki

Półprzewodniki zewnętrzne to półprzewodniki domieszkowane zanieczyszczeniami w celu zwiększenia ich przewodności. Jak wspomniano wcześniej, istnieją dwa typy półprzewodników zewnętrznych: typu n i typu p.

• Półprzewodniki typu N: W półprzewodnikach typu n nośnikami większościowymi są elektrony, a nośnikami mniejszościowymi są dziury. Przewodnictwo półprzewodnika typu n wynika głównie z ruchu wolnych elektronów.
• Półprzewodniki typu P: W półprzewodnikach typu p nośnikami większościowymi są dziury, a nośnikami mniejszościowymi są elektrony. Przewodnictwo półprzewodnika typu p wynika głównie z ruchu dziur.

Urządzenia półprzewodnikowe i ich zastosowania

Diody

Dioda to dwuzaciskowe urządzenie półprzewodnikowe, które umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Składa się ze złącza pn, które powstaje w wyniku zetknięcia półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n.

• Nastawienie do przodu: Kiedy do strony p diody przyłożone jest napięcie dodatnie, a do strony n – napięcie ujemne, mówi się, że dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia. W tym przypadku dziury w półprzewodniku typu p i elektrony w półprzewodniku typu n są wypychane w kierunku złącza pn, umożliwiając przepływ prądu.
• Odwrotne nastawienie: Kiedy do strony p diody przyłożone jest napięcie ujemne, a do strony n dioda jest dodatnia, mówi się, że dioda jest spolaryzowana zaporowo. W tym przypadku dziury i elektrony są odciągane od złącza pn, tworząc obszar zubożenia, w którym nie ma nośników ładunku. W rezultacie przez diodę przepływa bardzo mały prąd.

Diody są szeroko stosowane w obwodach prostowników do konwersji prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC). Stosowane są również w regulatorach napięcia, demodulatorach sygnału i obwodach zabezpieczających.

Tranzystory

Tranzystor to trójzaciskowe urządzenie półprzewodnikowe, które może służyć jako wzmacniacz lub przełącznik. Istnieją dwa główne typy tranzystorów: bipolarne tranzystory złączowe (BJT) i tranzystory polowe (FET).

• Tranzystory bipolarne (BJT): BJT składa się z trzech obszarów: emitera, podstawy i kolektora. Kontrolując prąd płynący przez bazę, można kontrolować prąd płynący pomiędzy emiterem a kolektorem. BJT są powszechnie stosowane w obwodach wzmacniaczy i obwodach przełączających.
• Tranzystory polowe (FET): FET składa się ze źródła, drenu i bramki. Prąd płynący pomiędzy źródłem a drenem jest kontrolowany przez napięcie przyłożone do bramki. Tranzystory FET są szeroko stosowane w obwodach scalonych, takich jak mikroprocesory i układy pamięci.

Tranzystory są elementami składowymi współczesnej elektroniki. Są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym w komputerach, smartfonach, telewizorach i elektronice samochodowej.

Nasze produkty elektryczne związane z półprzewodnikami

Jako dostawca energii elektrycznej oferujemy szeroką gamę produktów elektrycznych zawierających półprzewodniki. Na przykład zapewniamy wysokiej jakości zawory elektromagnetyczne, czujniki i przełączniki do różnych zastosowań.

• Scania 1334037 1488033 1423566 Zawór elektromagnetyczny: Ten zawór elektromagnetyczny jest przeznaczony do kontrolowania przepływu płynów w różnych zastosowaniach przemysłowych i motoryzacyjnych. Charakteryzuje się wysoką niezawodnością i długą żywotnością.
• Scania 2802742 Czujnik 2089325 1427269: Nasze czujniki służą do wykrywania różnych wielkości fizycznych, takich jak temperatura, ciśnienie i przepływ. Są szeroko stosowane w zastosowaniach motoryzacyjnych, przemysłowych i monitorujących środowisko.
• SCANIA 1858199 17725514 Przełącznik: Przełączniki te służą do sterowania obwodami elektrycznymi w różnych zastosowaniach. Są one dostępne w różnych typach i konfiguracjach, aby sprostać specyficznym potrzebom naszych klientów.

Wniosek

Półprzewodniki odgrywają kluczową rolę we współczesnej elektronice. Ich unikalne właściwości elektryczne, takie jak przewodność, struktura pasma i możliwość domieszkowania, sprawiają, że nadają się do szerokiego zakresu zastosowań. Jako dostawca sprzętu elektrycznego dokładamy wszelkich starań, aby dostarczać wysokiej jakości produkty elektryczne zawierające półprzewodniki. Jeśli są Państwo zainteresowani naszymi produktami lub mają Państwo jakiekolwiek pytania dotyczące półprzewodników, prosimy o kontakt w celu zamówienia i dalszej dyskusji.

Referencje

• Neaman, Da (2002). Fizyka i urządzenia półprzewodników: podstawowe zasady. McGraw-Hill.
• Streetman, BG i Banerjee, SK (2006). Półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne. Sala Prentice’a.