Półprzewodniki i ich wykorzystanie

Półprzewodniki są to materiały, które pewnych warunkach zachowują się jak dielektryk, zatem przedmiot, który nie przewodzi prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, natomiast jest pewien zakres gdzie półprzewodniki są w stanie stać się przewodnikiem, zatem ma niewielką oporność oraz wolne elektrony, które pozwalają na płynięcie prądu elektrycznego. Cecha przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach opiera się na przesuwaniu się elektronów swobodnych na skutek pola elektrycznego. Istotną własnością półprzewodników jest to, iż ich zdolność przewodzenia uzależniona jest od kilku rzeczy, w tym przede wszystkim od zawartości domieszek oraz temperatury. Typowymi substancjami stosowanymi na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, albo antymonek galu które w czystej formie nie są w stanie przewodzić prądu. Wszelkie półmetale są półprzewodnikami. To jak przepływa prąd przez półprzewodnik zostanie zilustrowany na przykładzie kryształu germanu. Jest to pierwiastek czterowartościowy, jego atomy posiadają na swoich zewnętrznych orbitach po 4 elektrony. W krysztale germanu wszystkie atomy są związane w przestrzennej siatce krystalicznej z 4 tak samo oddalonymi atomami. Takie wiązanie nazywamy wiązaniami kowalencyjnymi, natomiast elektrony- elektronami walencyjnymi. W krysztale czystego germanu, w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu wszelkie elektrony walencyjne biorą udział w wiązaniach międzyatomowych. Znaczy to, iż w kryształ ten nie posiada elektronów swobodnych oraz ulokowanie go w polu elektrycznym nie sprawi, że popłynie prąd. Razem ze wzrostem temperatury kryształu energia cieplna jest gromadzona głównie w formie energii drgań atomów. Pewna ilość elektronów walencyjnych uzyskuje energię dostateczną do przezwyciężenia sił powiązań z atomami. W związku z tym tworzą się elektrony swobodne, natomiast w obszarach zwolnionych przez elektrony tworzą się tzw. dziury. Elektrony swobodne są ładunkami ujemnymi, natomiast dziury zachowują się tak jak ładunki dodatnie. W krysztale czystego pierwiastka ilość elektronów swobodnych jest zawsze równa ilości dziur. Gdy ulokujemy rozpatrywany kryształ w polu elektrycznym nastąpi uporządkowany ruch elektronów oraz pozorny ruch dziur, ale kierunek ruchu dziur jest przeciwny niż kierunku ruchu elektronów. Prąd jest zatem wywołany nie tylko ruchem elektronów, ale także i dziurami. Posiada on jednak bardzo niewielką wartość, ponieważ elektrony swobodne stanowią małą ilość elektronów walencyjnych. Istotną własnością półprzewodników jest to, iż nośniki ładunków elektrycznych w sieci krystalicznej są w stanie przemieszczać się nie tylko na skutek działającego pola elektrycznego, ale również na skutek cieplnych drgań sieci krystalicznej. Przesuwając się w taki sposób z jednego miejsca (gdzie jest ich bardzo dużo ) do kolejnego miejsca (gdzie jest ich niewiele ) produkują prąd dyfuzyjny. Półprzewodniki posiadają niewielką szerokość pasma wzbronionego. Półprzewodniki można podzielić na domieszkowe oraz samoistne.

Uwzględniając rodzaj przewodnictwa rozróżnić można półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe - negative (pojawia się tutaj przewodnictwo elektronowe). Tą warstwę otrzymuje się na skutek dodania do krzemu albo germanu małej ilości pierwiastka pięciowartościowego (donoru) np.: arsenu. Wówczas na skutek wiązań powstają wolne elektrony. Kolejny rodzaj półprzewodników jest określany przez literę p - inaczej niedomiarowy - positive (przewodnictwo dziurowe). By otrzymać tą warstwę trzeba do germanu albo krzemu dodać pierwiastka trójwartościowego (akceptoru) np.: glinu. Taki układ sprawi, że powstaną tzw. dziury elektronowe czyli takie miejsca gdzie brak jest elektronów.

Z złączenia warstw n oraz p powstaje najpopularniejszy półprzewodnik na świecie nazywany diodą, który wyparł przestarzałe, ogromne oraz gwałtownie zużywające się lampy elektronowe. Od tego momentu nastąpił gwałtowny postępujący postęp elektroniki, która jest w aktualnie wszędzie, a nie mogła by występować bez warstw n oraz p.

Najpopularniejsze urządzenia oparte na półprzewodnikach:

1) Dioda półprzewodnikowa

Jest to fragment elektroniczny stosowany na właściwościach złącza p-n. W momencie gdy biegun dodatni źródła prądu złączymy z warstwą p, natomiast ujemny z warstwą n, wtedy zmniejszy się bariera potencjału co spowoduje, że powstanie dyfuzja elektronów z obszaru n do obszaru p. Taki układ nazywa się polaryzacją w kierunku przewodzenia. Jeśli zmienimy biegunowość źródła prądu to dioda przejdzie w stan zaporowy tzn. praktycznie nie będzie przewodzić prądu w przeciwnym kierunku. Szczególnym typem diody jest dioda Zenera. Szybko zmienia ona swoją oporność gdy przekroczy pewną wartości napięcia np.: dwanaście voltów. Diody przede wszystkim wykorzystanie są w układach prostujących (mostek Graetza ), które służą do zamiany prądu przemiennego w stały ( prostownik samochodowy ). Diody prostują także prąd, który pochodzi z alternatora samochodowego.

2) Tranzystor jest fragmentem wzmacniającym sygnały elektryczne. Złożony jest on z 3 warstw oraz 3 złącz. Całość jest ulokowana w obudowie hermetycznej z 3 wyprowadzeniami. Rozróżnia się 2 zasadnicze typy tranzystorów typu n-p-n oraz p-n-p. W tranzystorach n-p-n pierwszy z obszarów n złączony jest ze stykiem nazywającym się emiterem (w bezpośrednim sąsiedztwie styku jest ogromna koncentracja domieszek), obszar p z tzw. bazą, natomiast drugi obszar n z tzw. kolektorem. Praca tranzystora opiera się na tym, iż prąd jaki płynie z emitera do kolektora sterowany jest przez prąd bazy.

Schemtyczne modele pasmowe tranzystora p-n-p przed oraz po spolaryzowaniu ilustruje rysunek umieszczony niżej.

Tyrystor przewodzi prąd jedynie w jednym kierunku od anody do katody. Jeśli wartość prądu zmaleje do wartości, która będzie bliska zero albo gdy ulegnie zmianie kierunek prądu to tyrystor przechodzi w stan zaporowy. By tyrystor zaczął przewodzić tona anodzie musi pojawić się biegun dodatni i impuls dodatni na bramkę.

Tyrystor nazywany jest również diodą sterowaną. Wykorzystywany jest w maszynach sterujących, regulatorach obrotów oraz regulatorach poboru mocy. Podłączony do prądu przemiennego przepuszcza prąd połowy sinusoidy oraz blokuje się przy zmianie kierunku prądu. Regulując moment impulsu na bramkę jesteśmy w stanie stosować całą albo jedynie część energii. Poza tyrystorami klasycznymi konstruuje się także tyrystory symetryczne typu TRIAC, które zastępują 2 tyrystory oraz umożliwiają prostowanie dwu połówkowe. Tyrystor jest prostownikiem jedno połówkowym. Jego praktyczne wykorzystanie można zauważyć w ściemniaczach światła, ulega zmianie jego natężenie bez dodatkowych strat energii.

4) Fotodioda półprzewodnikowa jest to półprzewodnik spolaryzowany w kierunku zaporowym, gdzie na skutek natężenia oświetlenia jakie pada przez niewielki otwór w obudowie zamienia się prąd wsteczny oraz fotodioda zaczyna produkować napięcie. Moc tego ogniwa jest jednak mała oraz przede wszystkim wykorzystanie znalazła w układach pomiarowych fotometrycznych.

5) Termistor jest to opornik półprzewodnikowy którego oporność uzależniona jest przede wszystkim od temperatury. Półprzewodnik ten jest wykorzystywany przede wszystkim jako czujnik temperatury, np.: w elektronicznych urządzeniach pomiarowych, które jesteśmy w stanie znaleźć w pojazdach, pralkach czy piekarnikach.

6) Układ scalony jest to także jeden z typów półprzewodników. Jest zminiaturyzowanym zespołem kilkunastu tranzystorów, diod rezystorów. Może być zrobiony z jednego kryształu półprzewodnika albo naniesiony warstwowo na izolujące podłoże.