Półprzewodniki

Półprzewodniki
Definicja
Półprzewodnik jest to materiał wykazujący w określonych warunkach własności izolatora
(ciała nie przewodzącego elektryczności) a w innych - właściwości przewodnika prądu. Pod
względem chemicznym półprzewodniki w zasadzie nie posiadają wolnych elektronów
ostatniej powłoki (i dlatego są izolatorami), ale w warunkach odmiennych, przy dostarczeniu
ich atomom dużej energii przez podgrzanie lub oświetlenie, pojawiają się wolne elektrony,
opór ciała spada i w rezultacie prąd elektryczny może płynąć. Półprzewodnikami definiuje się
też czasem jako substancje, których przewodnictwo elektryczne jest o kilka rzędów wielkości
mniejsze niż dla metali. Popularnymi półprzewodnikami są krzem i german, oraz minerały:
arsenek i antymonek galu,
Typy półprzewodników
Półprzewodniki podzielić można dwojako. Jeden z podziałów, uwzględniający budowę
wewnętrzną i skład, klasyfikuje materiały półprzewodnikowe jako samoistne (pierwiastek
lub związek, np. krzem Si, german G) i domieszkowe. Domieszkowanie polega na
wprowadzeniu w sieć krystaliczną czystego półprzewodnika atomów pierwiastka
pięciowartościowego (arsen As, fosfor P.) wówczas taki atom domieszkowy wykorzysta
cztery wiązania walencyjne atomów sąsiadujących, pozostawiając jeden tylko wolny elektron,
który następnie może odłączyć się od atomu i stać się elektronem swobodnym,
przewodzącym elektryczność.
Może także przyłączyć się do wolnych elektronów już istniejących w samoistnym
przewodniku. Takie elektrony obsadzają część wolnych wiązań atomowych substancji i w
rezultacie koncentracja tych wolnych wiązań - dziur - maleje. Atomy domieszkowe takiego
półprzewodnika nazywa się donorami, a sam wzbogacony o nie materiał - półprzewodnikiem
domieszkowym typu n.
Inny podział, czyli klasyfikacja półprzewodników na typ n i p, związany jest właśnie z
koncentracją wolnych elektronów lub dziur. Typ n to tzw. przewodniki negatywne lub
nadmiarowe i charakteryzują się one dużą ilością przewodzących, swobodnych elektronów.
Są wywarzane poprzez domieszkowanie do krzemu niewielkich ilości pierwiastków
pięciowartościowych. Typ p to półprzewodniki niedomiarowe, pozytywne, wykazujące
koncentrację ładunków dodatnich - dziur. Powstają przykładowo przez dodanie do krzemu
pewnego pierwiastka trójwartościowego, tak zwanego akceptora, którym może być
aluminium (Al) lub bor (B).
Wykorzystanie
Jedne z najważniejszych elementów elektronicznych, bez których nie byłby możliwy rozwój
informatyki i innych współczesnych technologii, to dioda półprzewodnikowa oraz złącze p-n.
Złącze p-n jest to układ dwóch niesamoistnych półprzewodników o różnym przewodnictwie
(p i n). W półprzewodniku n dominuję nośniki większościowe (elektrony) i donory, a w
obszarze p - dziury dodatnie i atomy domieszkowe, tzw. akceptory. Gęstość nośników
mniejszościowych jest większa niż mniejszościowych. W warunkach równowagi w obszarze
styku półprzewodników obu typów nośniki swobodne dyfundują od obszarów przeciwnych
na skutek różnicy w ich koncentracji. Elektrony przedostają się do obszarów p, a dziury - do
n. Następuje wychwyt i rekombinacja z nośnikami większościowymi, które nie dyfundowały
na druga stronę łącza: elektron łączy się z dodatnim ładunkiem dziury, co pociąga za sobą
zneutralizowanie i związanie tych nośników. Powstaje warstwa zaporowa: nieruchome
ładunki dodatnie w obszarze n skutecznie blokują przepływ dziur z obszaru p, i na odwrót.
Przepływ nośników i prądu ustaje.
Złącze p-n jest podstawą konstrukcji diody półprzewodnikowej - urządzenia, które w
elektronice zastąpiło niepraktycznie lampy elektronowe. Dioda działa na zasadzie polaryzacji
w kierunku przepływu. W diodzie biegun dodatni i ujemny źródła napięcia łączy się
odpowiednio z warstwami p i n złącza. Dyfuzja ładunków generuje barierę potencjału i
pozwala na przemieszanie się elektronów z obszary n do p. Jeżeli zamienimy miejscami
bieguny prądu, dioda nie może już jednak przewodzić prądu w kierunku odwrotnym. Diody
wykorzystuje się m.in. w układach prostowniczych prądu przemiennego, w urządzeniach
sygnalizacyjnych, układach fotometrii (dioda fotometryczna, fotodioda). Często używanym w
rozmaitych przyrządach elementem jest dioda Zenera, mogąca zmienić swa oporność w dużej
skali przy określonej wartości płynące prądu.
Tyrystor (tzw. "dioda sterowana") ma za zadania przewodzić prąd w jednym tylko kierunku.
Przy każdej zmianie kierunku napięcia elektrycznego uruchamia się w nim stan efekt
zaporowy i prąd nie płynie. Jest elementem prostowniczym - po przyłączeniu prądu
zmiennego daje na wyjściu prąd połowy sinusoidy. Tyrystory znalazły zastosowanie w
rozmaitych układach sterujących i kontrolujących, np. przyciemniaczach natężenia światła.
Inne elementy oparte na półprzewodnikach to termistory. Termistor cechuje się zależnością
oporności od temperatury otoczenia i znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie niezbędny
jest czujnik temperaturowy - urządzenia AGD, samochody, samoloty itp.)
Czasem wykorzystuje się trzy warstwy różnych półprzewodników i zarazem dwa łącza.
Przykładem może tu być tranzystor - układ mający za zadanie wzmocnienie szumów
elektrycznych. Tranzystor może być typu n-p-n lub p-n-p. W pierwszym przypadku obszar
skrajny n łączy się z tzw. emiterem, leżącym w sąsiedztwie dużej gęstości atomów
domieszkowych. Warstwa p natomiast odpowiada bazie tranzystora, a drugi obszar n wiąże
się z kolektorem. Dzięki złączom p-n możliwe jest kierowanie prądem przepływającym z
emitera do kolektora poprzez prąd środkowej bazy. Układy scalone, dobrze znane i
powszechnie stosowane w nowoczesnej elektronice (komputery, procesory) są kolejnymi
układami półprzewodników, nieco bardziej zło złożonymi. Zbudowane są z ogromnej liczby
mniejszych podzespołów, głównie diód i tranzystorów.
Literatura:
- ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKIA – Jakub Dawidziuk
- Notatki własne