Ebben a bejegyzésben átfogóan megismerhetjük a félvezető eszközök alapvető működési elveit és azt, hogy a félvezetők belső szerkezete hogyan működik az elektromosság hatására.
Ezen félvezető anyagok közötti ellenállási értéknek nincs sem teljes vezetőjellemzője, sem teljes szigetelője, ez a két határ között van.
Ez a tulajdonság meghatározhatja az anyag félvezető tulajdonságát, azonban érdekes lenne tudni, hogy egy félvezető hogyan működik egy vezető és egy szigetelő között.
Ellenállás
Ohm törvénye szerint egy elektronikus eszköz elektromos ellenállása az alkatrész potenciálkülönbségének és az alkatrészen átfolyó áramnak az aránya.
Az ellenállásmérés most egy problémát vethet fel, értéke változik, ahogy az ellenálló anyag fizikai dimenziója változik.
Például, ha egy ellenálló anyag hossza megnő, annak ellenállási értéke is arányosan növekszik.
Hasonlóképpen, amikor a vastagsága megnőtt, az ellenállási értéke arányosan csökken.
Szükség van egy olyan anyag meghatározására, amely jelezheti a vezetés vagy az elektromos áram ellenállásának tulajdonságát, tekintet nélkül annak méretére, alakjára vagy fizikai megjelenésére.
Az adott ellenállási érték kifejezésének nagysága Resistivity néven ismert, amelynek ρ, (Rho) szinonimája van.
Az ellenállás mértékegysége Ohm-méter (Ω.m), és felfogható a vezetőképességet inverz paraméterként.
Több anyag ellenállásának összehasonlítása érdekében ezeket három fő kategóriába sorolják: Vezetékek, Szigetelők és Félvezetők. Az alábbi táblázat a szükséges részleteket tartalmazza:
Amint a fenti ábrán látható, elhanyagolható különbség van az olyan vezetők ellenállásában, mint az arany és az ezüst, míg a szigetelők, például a kvarc és az üveg ellenállása jelentősen eltérhet.
Ez annak köszönhető, hogy reagálnak a környezeti hőmérsékletre, ami a fémeket rendkívül hatékony vezetőkké teszi, mint a szigetelők
Vezetők
A fenti ábra alapján megértjük, hogy a vezetőknek van a legkisebb ellenállása, ami jellemzően mikroohm / méter lehet.
Alacsony ellenállóképességük miatt az elektromos áram nagy mennyiségű elektron rendelkezésre állása miatt képes könnyen áthaladni rajtuk.
Ezeket az elektronokat azonban csak akkor lehet tolni, ha nyomásuk van a vezetőn, és ezt a nyomást a vezetőn feszültség alkalmazásával lehet kialakítani.
Tehát, ha egy vezetőt pozitív / negatív potenciálkülönbséggel alkalmazunk, a vezető egyes atomjainak szabad elektronjai kénytelenek leszakadni a szülőatomjaiktól, és elkezdődnek a vezetőn belüli sodródás, és általában áramáramlásként ismert .
Az, hogy ezen elektronok mennyire képesek mozogni, attól függ, mennyire könnyen szabadulhatnak fel atomjaiktól, válaszul a feszültségkülönbségre.
A fémeket általában jó villamos vezetőknek tekintik, és a fémek közül az arany, ezüst, réz és alumínium a legjobb rendezett vezető.
Mivel ezeknek a vezetőknek nagyon kevés elektronja van atomjaik vegyérték-sávjában, a potenciálkülönbség miatt könnyen kiszorulnak, és a „Domino-effektus” nevű folyamat révén az egyik atomról a következő atomra ugranak, ami áramot eredményez a karmester.
Annak ellenére, hogy az arany és az ezüst a legjobb villamosenergia-vezetõ, a drótok és kábelek gyártásához alacsony költségük és bõségük, valamint fizikai ellenálló képességük miatt a réz és az alumínium elõnyösebb.
Annak ellenére, hogy a réz és az alumínium jó vezetői az áramnak, mégis vannak bizonyos ellenállásaik, mert semmi sem lehet 100% -ban ideális.
Bár ezeknek a vezetőknek az ellenállása kicsi, nagyobb áramok alkalmazásával jelentős lehet. Végül a vezetők ellenállása a nagyobb árammal hőként eloszlik.
Szigetelők
A vezetőkkel ellentétben a szigetelő rossz áramvezető. Ezek általában nemfémek formájában vannak, és nagyon kevés sérülékeny vagy szabad elektron van a szülőatomjaikkal.
Ez azt jelenti, hogy ezeknek a nemfémeknek az elektronjai szorosan kötődnek a szülőatomjaikhoz, amelyeket rendkívül nehéz leválasztani a feszültség alkalmazásával.
Ennek a tulajdonságnak köszönhető, hogy amikor elektromos feszültséget alkalmaznak, az elektronok nem tudnak eltávolodni az atomoktól, ami az elektronok áramlásának elmaradását eredményezi, és ezért nem történik vezetés.
Ez a tulajdonság nagyon magas ellenállási értéket eredményez a szigetelővel szemben, sok millió Ohm nagyságrendben.
Az olyan anyagok, mint az üveg, márvány, PVC, műanyagok, kvarc, gumi, csillám, bakelit a jó szigetelők példái.
A vezetékekhez hasonlóan a szigetelők is fontos szerepet játszanak az elektronika területén. Szigetelő nélkül lehetetlen elkülöníteni az áramkör fokozatok közötti feszültségkülönbségeket, amelyek rövidzárlatokhoz vezetnek.
Például porcelánt és üveget használunk nagyfeszültségű tornyokban, hogy a váltakozó áramú áramot biztonságosan továbbítsuk a kábeleken. A vezetékeknél PVC-t használunk a pozitív, negatív kapcsok szigetelésére, a PCB-kben pedig a Bakelitet a rézsávok egymástól való elkülönítésére.
A félvezetők alapjai
Az olyan anyagok, mint a szilícium (Si), a germánium (Ge) és a gallium-arzenid, az alapvető félvezető anyagok alá tartoznak. Ennek az az oka, hogy ezeknek az anyagoknak az a jellemzőjük, hogy az áramot időnként vezetik, ami sem megfelelő vezetést, sem megfelelő szigetelést nem eredményez. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően ezeket az anyagokat félvezetőként nevezik meg.
Ezek az anyagok nagyon kevés szabad elektronot mutatnak atomjaikon, amelyek szorosan csoportosulnak egy kristályrácsfajta képződésben. Ennek ellenére az elektronok képesek kiszorulni és áramlani, de csak akkor, ha meghatározott körülményeket alkalmaznak.
Ezt követően lehetővé válik ezekben a félvezetőkben a vezetőképesség növelése azáltal, hogy valamilyen „donor” vagy „akceptor” atomot visz be vagy helyettesít a kristályos elrendezésben, lehetővé téve extra „szabad elektronok” és „furatok” vagy helyettesítők felszabadulását. versa.
Ez úgy valósul meg, hogy bizonyos mennyiségű külső anyagot viszünk be a meglévő anyagba, például szilíciumba vagy germániumba.
Önmagában az olyan anyagok, mint a szilícium és a germánium, belső félvezetőknek vannak besorolva, rendkívül tiszta kémiai jellegük és a teljes félvezető anyag jelenléte miatt.
Ez azt is jelenti, hogy ellenőrzött mennyiségű szennyeződés alkalmazásával képesek vagyunk meghatározni ezekben a belső anyagokban a vezetési sebességet.
Bemutathatjuk ezeknek az anyagoknak a donoroknak vagy akceptoroknak nevezett szennyeződéseket, hogy ezeket szabad elektronokkal vagy szabad lyukakkal fokozzuk.
Ezekben a folyamatokban, amikor egy belső anyaghoz szennyeződést adnak 1 szennyező atom arányában 10 millió félvezető anyagatomra vonatkoztatva, akkor Dopping .
Megfelelő szennyeződés bevezetésével egy félvezető anyag átalakítható N vagy P típusú anyaggá.
A szilícium a legnépszerűbb félvezető anyagok közé tartozik, amelynek legkülső burkolatán 4 vegyértékelektron van, és a szomszédos atomok veszik körül, amelyek összesen 8 elektronpályát alkotnak.
A két szilícium atom közötti kötést úgy fejlesztették ki, hogy lehetővé tegye egy elektron megosztását a szomszédos atomdal, ami jó stabil kötést eredményez.
Tiszta formájában egy szilíciumkristálynak nagyon kevés szabad vegyértékű elektronja lehet, ami egy jó szigetelő tulajdonságainak tulajdonítja, rendkívüli ellenállási értékekkel.
A szilícium anyag potenciálkülönbséghez való csatlakoztatása nem segít rajta keresztüli vezetésben, kivéve, ha valamiféle pozitív vagy negatív polaritás jön létre benne.
Az ilyen polaritások megteremtése érdekében az előző bekezdésekben tárgyalt szennyeződések hozzáadásával ezekben az anyagokban megvalósítják a dopping folyamatát.
A szilícium atom szerkezetének megértése
A fenti képeken láthatjuk, hogyan néz ki a szabályos tiszta szilícium kristályrács szerkezete. A szennyeződéshez általában olyan anyagokat visznek be, mint az arzén, az antimon vagy a foszfor a félvezető kristályokba, amelyek extrinszinkké alakítják, ami azt jelenti, hogy „szennyeződések vannak”.
Az említett szennyeződések a legkülső sávjukon, úgynevezett „Pentavalens” szennyeződésként 5 elektronból állnak, hogy megosszák őket szomszédos atomjaikkal.
Ez biztosítja, hogy az 5 atom közül 4 csatlakozni tudjon a szomszédos szilícium atomokhoz, kivéve egyetlen „szabad elektronot”, amely szabadon oldható, ha elektromos feszültséget csatlakoztatnak.
Ebben a folyamatban, mivel a tisztátalan atomok elkezdenek minden elektront „adományozni” a közeli atomjukon keresztül, a „Pentavalens” atomokat „donoroknak” nevezik.
Antimon használata doppingoláshoz
Az antimon (Sb) és a foszfor (P) gyakran válik a legjobb választássá a „pentavalens” szennyeződés bevitelére a szilíciumba. 
Az Antimonban 51 elektron van beállítva 5 héjban a magja körül, míg legkülső sávja 5 elektronból áll.
Emiatt az alap félvezető anyag képes további áramfelvevő elektronok megszerzésére, mindegyik negatív töltéssel rendelkezik. Ezért neve „N-típusú anyag”.
Az elektronokat „többségi hordozóknak”, a később kialakuló lyukakat pedig „kisebbségi hordozóknak” nevezik.
Ha egy antimon adalékolt félvezető elektromos potenciálnak van kitéve, akkor a véletlenül eldőlt elektronokat azonnal helyettesítik az antimon atomok szabad elektronjai. Mivel azonban a folyamat során egy szabad elektron lebeg az adalékolt kristályban, ez negatív töltésű anyagot eredményez.
Ebben az esetben egy félvezető N-típusnak nevezhető, ha a donor sűrűsége nagyobb, mint az akceptor sűrűsége. Ez azt jelenti, ha a szabad elektronok száma nagyobb, mint a furatok száma, ami negatív polarizációt okoz, amint az alábbiakban látható.
A P-típusú félvezető megértése
Ha fordítva vesszük figyelembe a helyzetet, akkor egy 3 elektronból álló „háromértékű” szennyeződést vezetünk be egy félvezető kristályba, például ha alumíniumot, bórt vagy indiumot vezetünk be, amelyek vegyértékkötésükben 3 elektron található, ezért lehetetlenné válik egy negyedik kötés kialakulása.
Emiatt az alapos kapcsolat megnehezül, lehetővé téve a félvezető számára, hogy rengeteg pozitív töltésű hordozó legyen. Ezeket a hordozókat a teljes félvezető rácson keresztül „lyukaknak” nevezzük, sok hiányzó elektron miatt.
A szilíciumkristályban lévő lyukak miatt a közeli elektron vonzódik a lyukhoz, és megpróbálja kitölteni a rést. Amint azonban az elektronok megpróbálják ezt megtenni, elhagyja helyzetét, és új lyukat hoz létre korábbi helyzetében.
Ez viszont vonzza a következő közeli elektront, amely ismét új lyukat hagy, miközben megpróbálja elfoglalni a következő lyukat. A folyamat azt a benyomást kelti, hogy a furatok valójában a félvezetőn mozognak vagy áramlanak, amit általában az áram szokásos áramlási mintázatának ismerünk fel.
Mivel a „lyukak mozogni látszanak” elektronhiány keletkezik, amely lehetővé teszi az egész adalékolt kristály pozitív polaritását.
Mivel minden szennyező atom felelőssé válik egy lyuk keletkezéséért, ezeket a háromértékű szennyeződéseket „akceptoroknak” nevezik, mivel ezek a folyamat során folyamatosan elfogadják a szabad elektronokat.
A bór (B) a háromértékű adalékok egyike, amelyet a fentiekben ismertetett doppingolási eljárás során népszerű módon használnak.
Ha a bórt adalékanyagként használják, akkor a vezetőképesség főleg pozitív töltésű hordozókkal rendelkezik.
Ennek eredményeként olyan P típusú anyag jön létre, amelynek pozitív furatai vannak, úgynevezett „többségi hordozók”, míg a szabad elektronokat „kisebbségi hordozóknak” nevezik.
Ez megmagyarázza, hogy egy félvezető alapanyag P típusúvá válik-e, mivel az akceptorainak megnövekedett sűrűsége van a donor atomokhoz képest.
Hogyan használják a bort a doppinghoz
A félvezetők alapjainak összefoglalása
N-típusú félvezető (egy Pentavalens szennyeződéssel doppingolt, például Antimon)
Azokat a félvezetőket, amelyekhez öt vegyértékű szennyező atomok adalékoltak, donoroknak nevezzük, mivel az elektronok mozgása révén vezetést mutatnak, ezért N-típusú félvezetőknek nevezik őket.
Az N típusú félvezetőben:
- Pozitívan terhelt adományozók
- Rengeteg szabad elektron
- Viszonylag kevesebb „lyuk” van a „szabad elektronokhoz” képest
- A doppingolás eredményeként pozitív töltésű donorok és negatív töltésű szabad elektronok jönnek létre.
- A potenciálkülönbség alkalmazása negatív töltésű elektronok és pozitív töltésű furatok kialakulását eredményezi.
P-típusú félvezető (háromértékű szennyeződéssel, például bórral doppingolt)
Az ilyen félvezetõket, amelyek háromértékû szennyezõ atomokkal vannak adalékolva, akceptornak nevezzük, mivel a furatok mozgása révén vezetõképességet mutatnak, ezért P-típusú félvezetõknek nevezik azokat.
Az N típusú félvezetőben:
- Negatív töltésű elfogadóhelyek
- Rengeteg lyuk
- Viszonylag kisebb számú szabad elektron a lyukak jelenlétéhez képest.
- A doppingolás negatív töltésű akceptorok és pozitív töltésű lyukak létrejöttét eredményezi.
- A beadott feszültség alkalmazása pozitív töltésű furatok és negatív töltésű szabad elektronok keletkezését eredményezi.
Önmagában a P és N típusú félvezetők természetesen elektromosan semlegesek.
Általában az antimon (Sb) és a bór (B) a két anyag, amelyeket bőséges rendelkezésre állásuk miatt doppingtagként alkalmaznak. Ezeket „mettaloidoknak” is nevezik.
Ennek ellenére, ha megnézi a periódusos táblázatot, sok más hasonló anyagot talál, amelyek legkülső atomsávjában 3 vagy 5 elektron található. Ez azt sugallja, hogy ezek az anyagok doppingcélra is alkalmassá válhatnak.
Periódusos táblázat 
Előző: Mobiltelefon vezérelt kutyaetető áramkör Következő: Az erősítő áramkörök megértése
