Polovodiče sú jednou z najdôležitejších súčastí dnešnej technológie, ktorá sa nachádza v širokej škále zariadení, ktoré používame v každodennom živote, od smartfónov až po počítače. Tento typ materiálu spôsobil v priebehu rokov revolúciu v priemysle vďaka svojej schopnosti efektívne a ekonomicky riadiť tok elektriny. Nie všetky polovodiče sú však rovnaké a práve tu sa objavujú dva pojmy, ktoré môžu byť mätúce pre tých, ktorí túto oblasť nepoznajú: vnútorné a vonkajšie polovodiče.
V oblasti elektroniky je poznanie rozdielu medzi týmito dvoma typmi polovodičov kľúčové pre pochopenie toho, ako zariadenia fungujú a prečo niektoré aplikácie uprednostňujú jeden pred druhým. V tomto článku dôkladne rozoberieme vlastnosti oboch typov polovodičov a ako ich štruktúra ovplyvňuje ich správanie. Pripravte svoje neuróny, pretože sa chystáme ponoriť sa do jedného z pilierov fyziky materiálov a modernej elektroniky!
Čo je to vlastný polovodič?
undefined vlastné polovodiče Majú čistú štruktúru, čo znamená, že neobsahujú žiadne nečistoty vnesené dopingovým procesom. Tento typ polovodiča sa považuje za „základný stav“ materiálu, pretože jeho elektrické vlastnosti závisia výlučne od vnútorných charakteristík materiálu. Kremík (Si) a germánium (Ge) sú najbežnejšie vlastné polovodiče, pretože ich elektronické vlastnosti ich predurčujú na použitie pri výrobe elektronických zariadení.
Pri izbovej teplote majú vnútorné polovodiče slabú elektrickú vodivosť. So zvyšujúcou sa teplotou však elektróny vo svojom valenčnom obale získajú dostatok energie na to, aby preskočili do vodivého pásma, čím umožnili prúdenie prúdu. Tento jav robí z vnútorných polovodičov celkom zaujímavé materiály pre aplikácie, kde sa vyžaduje dôsledná kontrola vodivosti teplom.
Je dôležité poznamenať, že v čistom polovodiči je počet elektrónov vo vodivom pásme a počet otvorov vo valenčnom pásme rovnaký. Výsledkom je dokonalá rovnováha medzi oboma nosičmi náboja, čo naznačuje, že vodivosť vo vnútornom materiáli je veľmi čistý a usporiadaný jav.
Čo je vonkajší polovodič?
Na rozdiel od vlastného polovodiča, vonkajšie polovodiče Sú to tie, ktoré boli dopované nečistotami, aby sa zlepšili ich vodičské schopnosti. Tieto nečistoty zvyčajne pochádzajú z trojmocných (ako je hliník) alebo päťmocných (ako je fosfor) prvkov, a keď sa pridávajú v kontrolovaných množstvách, menia elektronické vlastnosti základného polovodiča. Toto dopovanie vytvára presýtenie elektrónov (polovodiče typu N) alebo dierové presýtenie (polovodiče typu P).
Polovodiče typu N sú tie, v ktorých bol materiál dopovaný prvkami, ktoré majú viac elektrónov, ako polovodič potrebuje pre svoje kovalentné väzby. Tento prebytočný elektrón sa môže voľne pohybovať, čo značne zvyšuje vodivosť materiálu. Fosfor, antimón a arzén sú bežné príklady dopantov používaných na výrobu polovodičov typu N.
Na druhej strane polovodiče typu P sú tie, kde je materiál dopovaný prvkami, ktoré majú k dispozícii menej elektrónov na vytváranie kovalentných väzieb, čo generuje tvorbu dier. Tieto otvory sa správajú ako mobilné kladné náboje, ktoré umožňujú prechod prúdu. Bór, gálium a indium sú príklady dopujúcich prvkov používaných na vytvorenie polovodičov typu P.
Porovnanie medzi vnútornými a vonkajšími polovodičmi
Vnútorné aj vonkajšie polovodiče hrajú zásadnú úlohu v elektronike, ale ich rozdiely spočívajú v ich chemickom zložení a v tom, ako sa správajú za určitých podmienok. Ďalej urobíme vyčerpávajúce porovnanie kľúčových charakteristík medzi oboma typmi polovodičov:
- Čistota materiálu: Vnútorné polovodiče sú úplne čisté, zatiaľ čo vonkajšie polovodiče boli dopované nečistotami, aby sa zlepšila ich vodivosť.
- Elektrická vodivosť: Vlastné polovodiče majú oveľa nižšiu vodivosť v porovnaní s vonkajšími. Vlastná vodivosť závisí iba od zmien teploty.
- Nosiče nákladu: Vo vlastných polovodičoch je počet elektrónov a počet dier rovnaký. Vo vonkajších polovodičoch je táto parita narušená v dôsledku dopovania, čo vedie k prebytku elektrónov (typ N) alebo dier (typ P).
- Technológia a aplikácie: Vonkajšie polovodiče sú užitočnejšie pre praktické aplikácie kvôli ich väčšej schopnosti viesť elektrinu. Sú základom prakticky všetkej modernej elektroniky vrátane tranzistorov a diód.
Polovodiče typu P a typu N
Z dvoch hlavných typov vonkajších polovodičov je Polovodič typu N obsahuje viac voľných elektrónov, kým Polovodič typu P Má viac dier. Elektróny v polovodičoch typu N pôsobia ako hlavné nabité častice na vedenie elektriny, zatiaľ čo v polovodičoch typu P sú diery (kladne nabité častice) to, čo umožňuje elektrický prúd.
Jedným z najdôležitejších rozdielov medzi oboma typmi je spôsob, akým sa správajú pri pripojení k externému zdroju napájania. Keď sa použije potenciálny rozdiel medzi dvoma regiónmi (PN), čo poznáme ako PN križovatka, štruktúra rozhodujúca pre činnosť zariadení, ako sú diódy. Keď je križovatka "polarizovaná" v jednom smere, umožňuje prechod prúdu; Ak je polarita prepólovaná, funguje ako izolant.
Význam dopingu vo vonkajších polovodičoch
Vo vonkajších polovodičoch dopingový proces zavádza nečistoty do polovodičového kryštálu, aby sa zmenila jeho prirodzená rovnováha a zvýšila sa jeho vodivosť. Na vytvorenie polovodičov typu N sa používajú dopanty s piatimi valenčnými elektrónmi, zatiaľ čo pre polovodiče typu P je základný materiál dotovaný prvkami, ktoré majú len tri valenčné elektróny. Tento proces priamo ovplyvňuje elektrické vlastnosti materiálu a zlepšuje jeho účinnosť v aplikáciách, kde je nevyhnutné presné riadenie prúdu.
Tento doping sa premieta do širokej škály použití, ako je vytváranie bipolárnych tranzistorov a integrovaných obvodov, okrem iných základných komponentov modernej elektroniky.
Aplikácie vonkajších a vnútorných polovodičov
Vlastné polovodiče majú obmedzené použitie kvôli ich nízkej vodivosti. Sú však užitočné v prostrediach, kde sa vyžaduje presná odozva na zmeny teploty, ako napríklad v teplotných senzoroch. Vonkajšie polovodiče sa vďaka svojim lepším vodivým schopnostiam používajú v širokej škále elektronických zariadení, od tranzistorov po diódy a integrované obvody.
Napríklad v mikroprocesoroch možnosť prepínania medzi vodivým a nevodivým stavom vonkajších polovodičov typu N a P umožňuje počítačom vykonávať logické operácie, efektívne ukladať a spracovávať informácie.
Stojí za zmienku, že oblasť polovodičov sa neustále vyvíja a s nedávnym pokrokom v oblasti polovodičových materiálov, ako je karbid kremíka (SiC) a arzenid gália (GaAs), sa vyvíjajú čoraz rýchlejšie a efektívnejšie zariadenia.
Pre inžinierov a vedcov je pochopenie rozdielov medzi vnútornými a vonkajšími polovodičmi nevyhnutné nielen na navrhovanie efektívnejších zariadení, ale aj na zlepšenie existujúcich technológií.