HALVLEDERE: TYPER, APPLIKASJONER OG EKSEMPLER - DUDAS - 2026

De halvledere er elementer som utfører funksjonen til selektivt ledende eller isolerende, avhengig av ytre forhold som de er utsatt for, slik som temperatur, trykk, stråling og elektriske eller magnetiske felt.

I den periodiske tabellen er 14 halvlederelementer til stede, blant dem silisium, germanium, selen, kadmium, aluminium, gallium, bor, indium og karbon. Halvledere er krystallinske faste stoffer med medium elektrisk ledningsevne, slik at de kan brukes dobbelt som leder og isolator.

Hvis de brukes som ledere, tillater de under visse forhold sirkulasjon av elektrisk strøm, men bare i en retning. Videre har de ikke så høy konduktivitet som ledende metaller.

Halvledere brukes i elektroniske applikasjoner, spesielt for fremstilling av komponenter som transistorer, dioder og integrerte kretsløp. De brukes også som tilbehør eller komplement til optiske sensorer, for eksempel solid state-lasere, og noen kraftenheter for elektrisk kraftoverføringssystem.

For tiden brukes denne typen elementer til teknologisk utvikling innen telekommunikasjon, styringssystemer og signalbehandling, både innenlands og industriell.

typer

Det er forskjellige typer halvledermaterialer, avhengig av urenheter som de presenterer og deres fysiske respons på forskjellige miljøstimuli.

Intrinsic halvledere

Det er de elementene hvis molekylstruktur består av en enkelt type atom. Blant disse typene iboende halvledere er silico og germanium.

Molekylstrukturen til iboende halvledere er tetraedrisk; det vil si at den har kovalente bindinger mellom fire omkringliggende atomer, som presentert på bildet nedenfor.

Hvert atom i en iboende halvleder har 4 valenselektroner; det vil si 4 elektroner som kretser rundt i det ytterste skallet av hvert atom. I sin tur danner hver av disse elektronene bindinger med tilstøtende elektroner.

På denne måten har hvert atom 8 elektroner i sitt mest overfladiske lag, og danner derved en solid binding mellom elektronene og atomene som utgjør krystallgitteret.

På grunn av denne konfigurasjonen beveger ikke elektronene seg lett innenfor strukturen. Under standardbetingelser oppfører seg således iboende halvledere seg som en isolator.

Konduktiviteten til den iboende halvlederen stiger imidlertid når temperaturen øker, siden noen valenselektroner absorberer varmeenergi og skiller seg fra bindingene.

Disse elektronene blir frie elektroner, og hvis de er riktig styrt av en forskjell i elektrisk potensial, kan de bidra til strømmen i krystallgitteret.

I dette tilfellet hopper de frie elektronene inn i ledningsbåndet og går til den positive polen til den potensielle kilden (for eksempel et batteri).

Bevegelsen av valenselektronene induserer et vakuum i molekylstrukturen, som oversetter til en effekt som ligner på den som produseres av en positiv ladning i systemet, og det er derfor de blir ansett som bærere av positiv ladning.

Deretter er det en omvendt effekt, siden noen elektroner kan falle fra ledningsbåndet til valensskallet som frigjør energi i prosessen, som kalles rekombinasjon.

Extrinsic halvledere

De samsvarer ved å inkludere urenheter i de indre lederne; det vil si ved å inkorporere trivalente eller pentavalente elementer.

Denne prosessen er kjent som doping, og dens formål er å øke ledningsevnen til materialer, for å forbedre deres fysiske og elektriske egenskaper.

Ved å erstatte et iboende halvlederatom med et atom med en annen komponent, kan to typer ekstrinsiske halvledere oppnås, som er detaljert nedenfor.

Halvleder av P-type

I dette tilfellet er urenheten et trivalent halvlederelement; det vil si med tre (3) elektroner i valensskallet.

De påtrengende elementene i strukturen kalles dopingelementer. Eksempler på disse elementene for halvledere av P-type er bor (B), gallium (Ga) eller indium (In).

Mangler et valenselektron for å danne de fire kovalente bindinger til en iboende halvleder, har P-typen halvleder et gap i den manglende bindingen.

Dette gjør at passasjer av elektroner som ikke hører til det krystallinske gitteret gjennom dette hullet som har en positiv ladning.

På grunn av den positive ladningen av bindingsgapet, er disse typer ledere betegnet med bokstaven "P", og følgelig blir de anerkjent som elektronakseptorer.

Strømmen av elektroner gjennom hullene i bindingen produserer en elektrisk strøm som sirkulerer i motsatt retning av strømmen som kommer fra de frie elektronene.

Halvleder av typen N

Det påtrengende elementet i konfigurasjonen er gitt av pentavalente elementer; det vil si de som har fem (5) elektroner i valensbåndet.

I dette tilfellet er urenhetene som er inkorporert i den iboende halvlederen elementer som fosfor (P), antimon (Sb) eller arsen (As).

Dopingmidler har et ekstra valenselektron som uten kovalent binding å bindes til, automatisk fritt kan bevege seg gjennom krystallgitteret.

Her sirkulerer den elektriske strømmen gjennom materialet takket være overskuddet av frie elektroner levert av dopemidlet. Derfor er N-type halvledere ansett som elektrondonorer.

kjennetegn

Halvledere er preget av deres doble funksjonalitet, energieffektivitet, mangfoldighet av applikasjoner og lave kostnader. De viktigste egenskapene til halvledere er detaljert nedenfor.

- Reaksjonen (ledende eller isolerende) kan variere avhengig av følsomhet for elementet for belysning, elektriske felt og magnetiske felt i miljøet.

- Hvis halvlederen blir utsatt for en lav temperatur, vil elektronene forbli samlet i valensbåndet, og det vil derfor ikke oppstå noen frie elektroner for sirkulasjon av elektrisk strøm.

På den annen side, hvis halvlederen er utsatt for høye temperaturer, kan termisk vibrasjon påvirke styrken til kovalente bindinger i elementets atomer, og etterlate frie elektroner for elektrisk ledning.

- Konduktiviteten til halvledere varierer avhengig av andelen urenheter eller dopingelementer i en egen halvleder.

Hvis for eksempel 10 boratomer er inkludert i en million silisiumatomer, øker dette forholdet ledningsevnen for forbindelsen tusen ganger, sammenlignet med konduktiviteten til rent silisium.

- Konduktiviteten til halvledere varierer i et intervall mellom 1 og ^10-6 S. cm ^-1 , avhengig av hvilken type kjemisk element som brukes.

- Sammensatte eller ekstrinsiske halvledere kan ha optiske og elektriske egenskaper som er vesentlig overlegne egenskapene til iboende halvledere. Et eksempel på dette er galliumarsenid (GaAs), hovedsakelig brukt i radiofrekvens og annen bruk av optoelektroniske applikasjoner.

applikasjoner

Halvledere er mye brukt som råstoff i montering av elektroniske elementer som er en del av hverdagen vår, for eksempel integrerte kretsløp.

Et av hovedelementene i en integrert krets er transistorer. Disse enhetene oppfyller funksjonen til å gi et utsignal (oscillerende, forsterket eller utbedret) i henhold til et spesifikt inngangssignal.

I tillegg er halvledere også det primære materialet for dioder som brukes i elektroniske kretsløp for å tillate elektrisk strøm å passere i bare en retning.

For diodesign, dannes ekstensive halvleder-forbindelser av P-type og N-type. Ved veksling av elektrondonor og bæreelementer aktiveres en balanseringsmekanisme mellom begge sonene.

Dermed krysser elektronene og hullene i begge sonene og utfyller hverandre der det er nødvendig. Dette skjer på to måter:

- Overføring av elektroner fra sonen N-type til P-sonen skjer. N-typen sonen oppnår en overveiende positiv ladningssone.

- Det er en passasje av elektronbærende hull fra P-typen til sonen av N-typen. P-typen sonen får en overveiende negativ ladning.

Til slutt dannes et elektrisk felt som induserer sirkulasjonen av strømmen i bare en retning; det vil si fra sone N til sone P.

I tillegg kan bruk av kombinasjoner av iboende og ekstrinsiske halvledere produsere enheter som utfører funksjoner som ligner et vakuumrør som inneholder hundrevis av ganger volumet.

Denne typen anvendelse gjelder integrerte kretsløp, for eksempel mikroprosessorbrikker som dekker en betydelig mengde elektrisk energi.

Halvledere er til stede i elektroniske apparater som vi bruker i vårt daglige liv, for eksempel brun linjeutstyr som TV-apparater, videospillere, lydutstyr; datamaskiner og mobiltelefoner.

eksempler

Den mest brukte halvlederen i elektronikkindustrien er silisium (Si). Dette materialet er til stede i enhetene som utgjør de integrerte kretsløpene som er en del av hverdagen vår.

Silisium germanium-legeringer (SiGe) brukes i høyhastighetsintegrerte kretsløp for radarer og forsterkere av elektriske instrumenter, for eksempel elektriske gitarer.

Et annet eksempel på en halvleder er galliumarsenid (GaAs), mye brukt i signalforsterkere, spesielt for signaler med høy forsterkning og lavt støynivå.

referanser

1. Brian, M. (nd). Hvordan halvledere fungerer. Gjenopprettet fra: electronics.howstuffworks.com
2. Landin, P. (2014). Intrinsic og extrinsic halvledere. Gjenopprettet fra: pelandintecno.blogspot.com
3. Rouse, M. (nd). Semiconductor. Gjenopprettet fra: whatis.techtarget.com
4. Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. London, Storbritannia. Gjenopprettet fra: britannica.com
5. Hva er halvledere? (SF). © Hitachi High-Technologies Corporation. Gjenopprettet fra: hitachi-hightech.com
6. Wikipedia, The Free Encyclopedia (2018). Semiconductor. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org