FÉLVEZETŐK: TÍPUSOK, ALKALMAZÁSOK ÉS PÉLDÁK - DUDAS - 2025

A félvezetők olyan elemek, amelyek szelektíven vezetőképes vagy szigetelő funkciót látnak el, a külső körülményektől függően, amelyeknek ki vannak téve, például hőmérséklettől, nyomástól, sugárzástól és elektromos vagy mágneses mezőktől.

A periódusos rendszerben 14 félvezető elem van jelen, ezek között a szilícium, germánium, szelén, kadmium, alumínium, gallium, bór, indium és szén. A félvezetők közepes elektromos vezetőképességű kristályos szilárd anyagok, így vezetékként és szigetelőként is felhasználhatók.

Vezetékként történő felhasználás esetén bizonyos körülmények között lehetővé teszik az áram áramlását, de csak egy irányba. Továbbá nem rendelkeznek olyan magas vezetőképességgel, mint a vezető fémek.

A félvezetőket elektronikus alkalmazásban használják, különösen olyan alkatrészek gyártására, mint tranzisztorok, diódák és integrált áramkörök. Ezeket az optikai érzékelők, például szilárdtest lézerek és egyes villamosenergia-átviteli rendszerek energiaellátó berendezéseinek tartozékaiként vagy kiegészítéseként is használják.

Jelenleg ezt az elemet használják a telekommunikáció, az irányító rendszerek és a jelfeldolgozás területén a technológiai fejlesztésekhez, mind háztartási, mind ipari alkalmazásokban.

típusai

A félvezető anyagok különféle típusai vannak, attól függően, hogy vannak-e szennyeződések és milyen fizikai válaszuk van a különböző környezeti ingerekre.

Belső félvezetők

Ezek azok az elemek, amelyeknek molekuláris szerkezete egyetlen típusú atomból áll. Az ilyen belső vezetők típusai között megtalálható a szilícium és a germánium.

A belső félvezetők molekuláris szerkezete tetraéderes; vagyis kovalens kötésekkel rendelkezik négy környező atom között, amint az az alábbi képen látható.

A belső vezeték mindegyik atomjának 4 vegyérték-elektronja van; vagyis 4 elektron kering az atomok legkülső héjában. Ezek az elektronok viszont kötéseket képeznek a szomszédos elektronokkal.

Ily módon minden atomnak 8 elektronja van a leginkább felületes rétegében, ezáltal szilárd kötést képezve az elektronok és a kristályrácsot alkotó atomok között.

Ennek a konfigurációnak köszönhetően az elektronok nem mozognak könnyen a szerkezeten belül. Így a szokásos körülmények között a belső félvezetők szigetelőként viselkednek.

A belső félvezető vezetőképessége azonban növekszik, amikor a hőmérséklet megemelkedik, mivel néhány vegyérték-elektron elnyeli a hőenergiát, és elkülönül a kötésektől.

Ezek az elektronok szabad elektronokká válnak, és ha az elektromos potenciálbeli különbség megfelelően irányítja őket, hozzájárulhatnak az áramláshoz a kristályrácson belül.

Ebben az esetben a szabad elektronok beugrik a vezetőképesség sávjába, és a potenciális forrás pozitív pólusához (például egy akkumulátorhoz) mennek.

A valencia elektronok mozgása vákuumot idéz elő a molekuláris szerkezetben, amely hasonló hatásúvá válik, mint a rendszer pozitív töltése, ezért pozitív töltés hordozóinak tekintik.

Ezután fordított hatás van, mivel néhány elektron leeshet a vezetőképesség-sávtól a valenciahéjig, amely energiát enged fel a folyamatban, amelyet rekombinációnak hívnak.

Külső félvezetők

Megfelelnek azzal, hogy szennyeződéseket tartalmaznak a belső vezetőkbe; vagyis trivalens vagy pentavalens elemek beépítésével.

Ezt a folyamatot doppingnak hívják, és célja az anyagok vezetőképességének növelése, fizikai és elektromos tulajdonságaik javítása.

Ha egy belső félvezető atomot másik komponens atomjának helyettesítünk, akkor kétféle külső félvezetőt kaphatunk, amelyeket az alábbiakban részletezünk.

P típusú félvezető

Ebben az esetben a szennyező háromértékű félvezető elem; vagyis három (3) elektrontal rendelkezik a valenciahéjában.

A szerkezeten belüli behatoló elemeket dopping elemeknek nevezzük. Ezekre az elemekre példa a P típusú félvezetők esetében a bór (B), gallium (Ga) vagy indium (In).

Mivel nincs valencia elektron a belső korszerű félvezető négy kovalens kötésének kialakításához, a P-típusú félvezetőnek hiányossága van a hiányzó kötésben.

Ezáltal a kristályrácshoz nem tartozó elektronok áthaladnak ezen a lyukon, amely pozitív töltést hordoz.

A kötési hézag pozitív töltése miatt ezeket a vezetékeket "P" betűvel jelöljük, és következésképpen elektron-elfogadókként ismerjük fel őket.

Az elektronok áramlása a kötés lyukain keresztül olyan elektromos áramot hoz létre, amely a szabad elektronokból származó árammal ellentétes irányban kering.

N típusú félvezető

A behatoló elemet a konfigurációban pentavalens elemek adják; vagyis azok, amelyekben öt (5) elektron van a valencia sávban.

Ebben az esetben a belső félvezetőbe beépített szennyeződések olyan elemek, mint foszfor (P), antimon (Sb) vagy arzén (As).

A segédanyagoknak van egy további vegyérték-elektronuk, amely - mivel nincs kovalens kötődése ahhoz, hogy kötődjön - automatikusan szabadon mozoghat a kristályrácson.

Itt az elektromos áram az anyagon kering, az adalékanyag által biztosított szabad elektronok többletének köszönhetően. Ezért az N típusú félvezetőket elektron donoroknak tekintik.

jellemzők

A félvezetőket kettős funkcionalitás, energiahatékonyság, alkalmazások sokfélesége és alacsony költség jellemzi. A félvezetők legfontosabb jellemzőit az alábbiakban részletezzük.

- A reakciója (vezetőképes vagy szigetelő) az elemnek a világítás, az elektromos mezők és a környezet mágneses terei érzékenységétől függően változhat.

- Ha a félvezetőt alacsony hőmérsékletnek vetik alá, akkor az elektronok egységesek maradnak a valencia sávban, ezért nem szabad szabad elektronok keletkezni az elektromos áram keringéséhez.

Másrészről, ha a félvezetőt magas hőmérsékletnek teszik ki, a termikus rezgés befolyásolhatja az elem atomjainak kovalens kötéseinek szilárdságát, szabad elektronokat hagyva az elektromos vezetéshez.

- A félvezetők vezetőképessége a szennyeződések vagy a dopping elemek arányától függ egy belső félvezetőn.

Például, ha 10 bóratomot tartalmaz egy millió szilíciumatom, akkor ez az arány ezerszer növeli a vegyület vezetőképességét a tiszta szilícium vezetőképességéhez viszonyítva.

- A félvezetők vezetőképessége az alkalmazott kémiai elem típusától függően 1 és 10 ^-6 S.cm ^-1 között változhat.

- A kompozit vagy külső félvezetők optikai és elektromos tulajdonságai jelentősen meghaladhatják a belső félvezetők tulajdonságait, erre példa a gallium-arzenid (GaAs), amelyet elsősorban rádiófrekvenciában és az optoelektronikai alkalmazások egyéb felhasználásaiban használnak.

Alkalmazások

A félvezetőket széles körben használják nyersanyagként a mindennapi életünk részét képező elektronikus elemek összeállításában, például az integrált áramkörökben.

Az integrált áramkör egyik fő eleme a tranzisztorok. Ezek az eszközök egy adott bemeneti jelnek megfelelő kimeneti jel (oszcilláló, erősített vagy egyenirányított) biztosítását szolgálják.

Ezenkívül a félvezetők az elektronikus áramkörökben használt diódák elsődleges anyaga is, amelyek lehetővé teszik, hogy az elektromos áram csak egy irányban haladjon át.

A diódatervezéshez P- és N-típusú külső félvezető csomópontok alakulnak ki, amelyek váltakozó elektron-donor és -hordozó elemekkel kiegyenlítő mechanizmust aktiválnak mindkét zóna között.

Így az elektronok és a lyukak mindkét zónában keresztezik és kiegészítik egymást, ha szükséges. Ez kétféleképpen fordul elő:

- Az elektronok átvitele az N-típusú zónából a P-zónába történik.Az N-típusú zóna túlnyomórészt pozitív töltési zónát kap.

- Az elektronhordozó furatok áthaladnak a P-típusú zónából az N-típusú zónába. A P-típusú zóna túlnyomórészt negatív töltéssel rendelkezik.

Végül olyan elektromos mező jön létre, amely csak egy irányban indukálja az áram keringését; azaz az N zónától a P zónáig

Ezenkívül a belső és a külső félvezetők kombinációjával olyan eszközöket lehet előállítani, amelyek hasonló funkciókat látnak el, mint a vákuumcső, amelynek térfogata százszorosa.

Ez az alkalmazás olyan integrált áramkörökre vonatkozik, mint például a mikroprocesszor-chipek, amelyek jelentős mennyiségű villamos energiát fednek le.

A félvezetők jelen vannak az elektronikus eszközökben, amelyeket mindennapi életünkben használunk, például a barna vonalú készülékekben, például televíziókban, videolejátszókban, hangberendezésekben; számítógépek és mobiltelefonok.

Példák

Az elektronikai iparban a legszélesebb körben használt félvezető a szilícium (Si). Ez az anyag jelen van azokban az eszközökben, amelyek képezik a mindennapi életünk részét képező integrált áramköröket.

A szilícium-germánium ötvözeteket (SiGe) nagy sebességű integrált áramkörökben használják radarok és elektromos műszerek, például elektromos gitárok erősítői számára.

A félvezetők másik példája a gallium-arzenid (GaAs), amelyet széles körben használnak a jel-erősítőkben, kifejezetten a nagy erősítésű és alacsony zajszintű jeleknél.

Irodalom

1. Brian, M. (második). Hogyan működnek a félvezetők? Helyreállítva: elektronika.howstuffworks.com
2. Landin, P. (2014). Belső és külső félvezetők. Helyreállítva: pelandintecno.blogspot.com
3. Rouse, M. (második). Félvezető. Helyreállítva: whatis.techtarget.com
4. Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. London, Egyesült Királyság. Helyreállítva: britannica.com
5. Mik a félvezetők? (Sf). © Hitachi High-Technologies Corporation. Helyreállítva: hitachi-hightech.com
6. Wikipedia, The Free Encyclopedia (2018). Félvezető. Helyreállítva: es.wikipedia.org