W tym poście kompleksowo poznajemy podstawowe zasady działania przyrządów półprzewodnikowych oraz sposób funkcjonowania wewnętrznej struktury półprzewodników pod wpływem energii elektrycznej.
Wartość rezystywności między tymi materiałami półprzewodnikowymi nie ma ani pełnej charakterystyki przewodnika, ani pełnego izolatora, mieści się pomiędzy tymi dwoma granicami.
Ta cecha może określać właściwość półprzewodnika materiału, jednak byłoby interesujące wiedzieć, jak działa półprzewodnik między przewodnikiem a izolatorem.
Oporność
Zgodnie z prawem Ohma opór elektryczny urządzenia elektronicznego definiuje się jako stosunek różnicy potencjałów na elemencie do prądu przepływającego przez element.
Teraz użycie pomiaru rezystancji może stanowić jeden problem, jego wartość zmienia się wraz ze zmianą fizycznego wymiaru materiału rezystancyjnego.
Na przykład, gdy zwiększa się długość materiału rezystancyjnego, jego wartość rezystancji również rośnie proporcjonalnie.
Podobnie, gdy zwiększa się jego grubość, jego wartość rezystancji maleje proporcjonalnie.
Konieczne jest tutaj zdefiniowanie materiału, który może wykazywać właściwość przewodzenia lub przeciwstawiania się prądowi elektrycznemu, niezależnie od jego wielkości, kształtu lub wyglądu fizycznego.
Wielkość wyrażająca tę konkretną wartość rezystancji jest znana jako rezystywność, która ma synbol ρ, (Rho)
Jednostką miary rezystywności jest omomierz (Ω.m) i można go rozumieć jako parametr będący odwrotnością przewodnictwa.
Aby uzyskać porównania między rezystywnościami kilku materiałów, podzielono je na 3 główne kategorie: przewodniki, izolatory i półprzewodniki. Poniższa tabela zawiera wymagane szczegóły:
Jak widać na powyższym rysunku, istnieje pomijalna różnica w rezystywności przewodników takich jak złoto i srebro, podczas gdy może występować znaczna różnica w rezystywności między izolatorami, takimi jak kwarc i szkło.
Wynika to z ich reakcji na temperaturę otoczenia, co sprawia, że metale są niezwykle wydajnymi przewodnikami niż izolatory
Przewodniki
Z powyższego wykresu rozumiemy, że przewodniki mają najmniejszą rezystywność, która zwykle może być wyrażona w mikro omach / metr.
Ze względu na ich niską rezystywność, prąd elektryczny jest w stanie łatwo przez nie przepływać, ze względu na dostępność dużej ilości elektronów.
Jednak te elektrony mogą być popychane tylko wtedy, gdy jest to ciśnienie w poprzek przewodnika, a ciśnienie to można wytworzyć przez przyłożenie napięcia na przewodnik.
Tak więc, gdy przyłożony jest przewodnik z dodatnią / ujemną różnicą potencjałów, wolne elektrony każdego atomu przewodnika są zmuszone do odłączenia się od ich macierzystych atomów i zaczynają dryfować w przewodniku i jest ogólnie znany jako przepływ prądu .
Stopień, w jakim te elektrony mogą się poruszać, zależy od tego, jak łatwo można je uwolnić od swoich atomów w odpowiedzi na różnicę napięcia.
Metale są ogólnie uważane za dobre przewodniki elektryczności, a spośród metali, złoto, srebro, miedź i aluminium są najlepszymi przewodnikami.
Ponieważ przewodniki te mają bardzo mało elektronów w paśmie walencyjnym swoich atomów, łatwo ulegają przemieszczeniu przez różnicę potencjałów i zaczynają przeskakiwać z jednego atomu do następnego w procesie zwanym `` efektem domina '', powodując przepływ prądu przez dyrygent.
Chociaż złoto i srebro są najlepszymi przewodnikami elektryczności, miedź i aluminium są preferowane do produkcji przewodów i kabli ze względu na ich niski koszt i obfitość, a także fizyczną wytrzymałość.
Pomimo tego, że miedź i aluminium są dobrymi przewodnikami elektryczności, nadal mają pewien opór, ponieważ nic nie może być w 100% idealne.
Chociaż rezystancja oferowana przez te przewodniki jest niewielka, może stać się znacząca przy zastosowaniu wyższych prądów. Ostatecznie odporność na większy prąd na tych przewodnikach jest rozpraszana w postaci ciepła.
Izolatory
W przeciwieństwie do przewodników, izolatory są złymi przewodnikami elektryczności. Mają one zazwyczaj postać niemetali i mają bardzo mało wrażliwych lub wolnych elektronów wraz z atomami macierzystymi.
Oznacza to, że elektrony tych niemetali są ściśle związane z ich atomami macierzystymi, które są niezwykle trudne do usunięcia przy zastosowaniu napięcia.
Z powodu tej cechy, gdy przyłożone jest napięcie elektryczne, elektrony nie odsuwają się od atomów, co powoduje brak przepływu elektronów, a zatem przewodzenie.
Ta właściwość prowadzi do bardzo wysokiej wartości rezystancji izolatora, rzędu wielu milionów omów.
Materiały takie jak szkło, marmur, PCV, tworzywa sztuczne, kwarc, guma, mika, bakelit to przykłady dobrych izolatorów.
Podobnie jak przewodnik, izolatory również odgrywają ważną rolę w dziedzinie elektroniki. Bez izolatora niemożliwe byłoby wyodrębnienie różnic napięcia między stopniami obwodu, co prowadzi do zwarć.
Na przykład widzimy zastosowanie porcelany i szkła w wieżach wysokiego napięcia do bezpiecznego przesyłania prądu przemiennego przez kable. W przewodach stosujemy PVC do izolowania zacisków dodatnich i ujemnych, aw PCB używamy bakelitu, aby odizolować od siebie miedziane tory.
Podstawy półprzewodników
Materiały takie jak krzem (Si), german (Ge) i arsenek galu należą do podstawowych materiałów półprzewodnikowych. Dzieje się tak, ponieważ te materiały mają właściwość przewodzenia elektryczności pośrednio nie powodując ani odpowiedniego przewodzenia, ani właściwej izolacji. Ze względu na tę właściwość materiały te nazywane są półprzewodnikami.
Materiały te wykazują bardzo niewiele wolnych elektronów w poprzek swoich atomów, które są ciasno zgrupowane w formacji w postaci sieci krystalicznej. Mimo to elektrony mogą się przemieszczać i płynąć, ale tylko w określonych warunkach.
Powiedziawszy to, możliwe staje się zwiększenie szybkości przewodzenia w tych półprzewodnikach poprzez wprowadzenie lub zastąpienie pewnego rodzaju atomów `` donora '' lub `` akceptora '' do układu krystalicznego, umożliwiając uwolnienie dodatkowych `` wolnych elektronów '' i `` dziur '' lub imadła versa.
Jest to realizowane poprzez wprowadzenie pewnej ilości materiału zewnętrznego do istniejącego materiału, takiego jak krzem lub german.
Same w sobie materiały takie jak krzem i german są klasyfikowane jako wewnętrzne półprzewodniki ze względu na ich skrajnie czysty chemiczny charakter oraz obecność kompletnego materiału półprzewodnikowego.
Oznacza to również, że nakładając na nie kontrolowaną ilość zanieczyszczeń, jesteśmy w stanie określić szybkość przewodzenia w tych wewnętrznych materiałach.
Do tych materiałów możemy wprowadzić rodzaje zanieczyszczeń określanych jako donory lub akceptory, aby wzbogacić je o wolne elektrony lub wolne dziury.
W tych procesach, gdy zanieczyszczenie jest dodawane do materiału wewnętrznego w proporcji 1 atom zanieczyszczenia na 10 milionów atomów materiału półprzewodnikowego, określa się to jako Doping .
Po wprowadzeniu wystarczającej ilości zanieczyszczeń materiał półprzewodnikowy mógłby zostać przekształcony w materiał typu N lub typu P.
Krzem jest jednym z najpopularniejszych materiałów półprzewodnikowych, posiadającym 4 elektrony walencyjne na swojej najbardziej zewnętrznej powłoce, a także otoczony przez sąsiednie atomy tworzące całkowitą orbitę 8 elektronów.
Wiązanie między dwoma atomami krzemu jest rozwijane w taki sposób, że umożliwia współdzielenie jednego elektronu z sąsiednim atomem, co prowadzi do dobrego stabilnego wiązania.
W czystej postaci kryształ krzemu może mieć bardzo niewiele wolnych elektronów walencyjnych, co przypisuje mu właściwości dobrego izolatora o ekstremalnych wartościach rezystancji.
Podłączenie materiału silikonowego do różnicy potencjałów nie pomoże w żadnym przewodzeniu przez niego, chyba że powstają w nim jakieś dodatnie lub ujemne polaryzacje.
Aby stworzyć takie polaryzacje, proces dopingu jest wdrażany w tych materiałach poprzez dodanie zanieczyszczeń, jak omówiono w poprzednich akapitach.
Zrozumienie struktury atomu krzemu
Na powyższych zdjęciach widzimy, jak wygląda struktura zwykłej sieci krystalicznej czystego krzemu. Jeśli chodzi o zanieczyszczenie, zwykle materiały takie jak arsen, antymon lub fosfor są wprowadzane do kryształów półprzewodnika, zamieniając je w zewnętrzne, co oznacza „posiadające zanieczyszczenia”.
Wspomniane zanieczyszczenia składają się z 5 elektronów na swoim najbardziej zewnętrznym paśmie znanym jako zanieczyszczenie „pięciowartościowe”, które dzielą się z sąsiednimi atomami.
Zapewnia to, że 4 spośród 5 atomów są w stanie połączyć się z sąsiednimi atomami krzemu, z wyłączeniem pojedynczego „swobodnego elektronu”, który może zostać uwolniony po podłączeniu napięcia elektrycznego.
W tym procesie, ponieważ nieczyste atomy zaczynają „przekazywać” każdy elektron w swoim pobliskim atomie, atomy „pięciowartościowe” są nazywane „dawcami”.
Używanie antymonu do dopingu
Antymon (Sb) i fosfor (P) często stają się najlepszym wyborem do wprowadzania zanieczyszczeń „pięciowartościowych” do krzemu. 
W Antymonie 51 elektronów jest rozmieszczonych w 5 powłokach wokół jądra, podczas gdy jego najbardziej zewnętrzne pasmo składa się z 5 elektronów.
Dzięki temu podstawowy materiał półprzewodnikowy jest w stanie pozyskać dodatkowe elektrony przenoszące prąd, z których każdy ma ładunek ujemny. Dlatego nazywa się go „materiałem typu N”.
Ponadto elektrony nazywane są „nośnikami większościowymi”, a powstające dziury określane są jako „nośniki mniejszościowe”.
Kiedy półprzewodnik domieszkowany antymonem zostanie poddany działaniu potencjału elektrycznego, elektrony, które ulegną wybiciu, są natychmiast zastępowane przez wolne elektrony z atomów antymonu. Ponieważ jednak proces ostatecznie utrzymuje wolny elektron unoszący się w domieszkowanym krysztale, powoduje to, że jest to materiał naładowany ujemnie.
W takim przypadku półprzewodnik można nazwać typem N, jeśli ma gęstość donora większą niż gęstość akceptora. Oznacza to, że występuje większa liczba wolnych elektronów w porównaniu z liczbą dziur, co powoduje ujemną polaryzację, jak wskazano poniżej.
Zrozumienie półprzewodników typu P.
Jeśli spojrzymy na sytuację odwrotnie, wprowadzenie 3-elektronowego zanieczyszczenia „trójwartościowego” do kryształu półprzewodnika, na przykład jeśli wprowadzimy glin, bor lub ind, które zawierają 3 elektrony w wiązaniu walencyjnym, wówczas utworzenie czwartego wiązania staje się niemożliwe.
Z tego powodu dokładne połączenie staje się trudne, dzięki czemu półprzewodnik ma wiele dodatnio naładowanych nośników. Nośniki te nazywane są „dziurami” w całej sieci półprzewodnika z powodu wielu brakujących elektronów.
Teraz, z powodu obecności dziur w krysztale krzemu, pobliski elektron zostaje przyciągnięty do dziury, próbując wypełnić szczelinę. Jednak gdy tylko elektrony spróbują to zrobić, opuszczają swoją pozycję, tworząc nową dziurę w poprzedniej pozycji.
To z kolei przyciąga następny pobliski elektron, który ponownie pozostawia nową dziurę, próbując zająć następną dziurę. Proces przebiega dalej i sprawia wrażenie, że w rzeczywistości otwory poruszają się lub przepływają przez półprzewodnik, co ogólnie rozpoznajemy jako konwencjonalny wzór przepływu prądu.
Ponieważ „dziury wydają się się poruszać” powoduje niedobór elektronów, dzięki czemu cały domieszkowany kryształ uzyskuje dodatnią biegunowość.
Ponieważ każdy atom zanieczyszczeń staje się odpowiedzialny za wytworzenie dziury, te trójwartościowe zanieczyszczenia nazywane są „akceptorami”, ponieważ w trakcie tego procesu stale przyjmują wolne elektrony.
Bor (B) jest jednym z trójwartościowych dodatków powszechnie stosowanych w opisanym powyżej procesie domieszkowania.
Gdy bor jest używany jako materiał domieszkowy, powoduje, że przewodnictwo ma głównie dodatnio naładowane nośniki.
Powoduje to powstanie materiału typu P z dodatnimi otworami zwanymi „nośnikami większości”, podczas gdy wolne elektrony nazywane są „nośnikami mniejszościowymi”.
To wyjaśnia, w jaki sposób półprzewodnikowy materiał podstawowy zmienia się w typ P z powodu zwiększonej gęstości atomów akceptora w porównaniu z atomami donora.
Jak stosuje się bor w dopingu
Podsumowanie podstaw półprzewodników
Półprzewodnik typu N (domieszkowany pięciowartościowym zanieczyszczeniem, takim jak na przykład antymon)
Takie półprzewodniki, które są domieszkowane pięciowartościowymi atomami zanieczyszczeń, nazywane są donorami, ponieważ wykazują przewodzenie poprzez ruch elektronów i dlatego są określane jako półprzewodniki typu N.
W półprzewodnikach typu N znajdujemy:
- Darczyńcy pozytywnie naładowani
- Duża liczba wolnych elektronów
- Relatywnie mniejsza liczba „dziur” w porównaniu z „swobodnymi elektronami”
- W wyniku domieszkowania powstają dodatnio naładowane donory i ujemnie naładowane wolne elektrony.
- Zastosowanie różnicy potencjałów skutkuje powstaniem ujemnie naładowanych elektronów i dodatnio naładowanych dziur.
Półprzewodnik typu P (domieszkowany trójwartościowym zanieczyszczeniem, takim jak na przykład bor)
Takie półprzewodniki, które są domieszkowane trójwartościowymi atomami zanieczyszczeń, nazywane są akceptorami, ponieważ wykazują przewodzenie poprzez ruch otworów i dlatego są określane jako półprzewodniki typu P.
W półprzewodnikach typu N znajdujemy:
- Akceptory naładowane ujemnie
- Duża ilość otworów
- Stosunkowo mniejsza liczba wolnych elektronów w porównaniu z obecnością dziur.
- Doping powoduje powstawanie ujemnie naładowanych akceptorów i dodatnio naładowanych dziur.
- Przyłożenie pola napięciowego powoduje powstanie dodatnio naładowanych dziur i ujemnie naładowanych wolnych elektronów.
Same w sobie półprzewodniki typu P i N są naturalnie elektrycznie neutralne.
Zwykle antymon (Sb) i bor (B) są dwoma materiałami, które są stosowane jako elementy dopingujące ze względu na ich dużą dostępność. Są one również nazywane „mettaloidami”.
Powiedziawszy to, jeśli spojrzysz na układ okresowy, znajdziesz wiele innych podobnych materiałów mających 3 lub 5 elektronów w swoim najbardziej zewnętrznym paśmie atomowym. Oznacza to, że materiały te mogą również nadawać się do celów domieszkowania.
Układ okresowy 
Poprzedni: Obwód podajnika psa sterowany telefonem komórkowym Dalej: Zrozumienie obwodów wzmacniacza
