halvledere

Fysisk

2022

Vi forklarer hva en elektrisk halvleder er, dens typer, bruksområder og eksempler. I tillegg ledende og isolerende materialer.

Den mest brukte halvlederen er silisium.

Hva er en halvleder?

Halvledere er materialer som er i stand til å fungere som elektriske ledere eller som elektriske isolatorer, avhengig av de fysiske forholdene de er funnet i. Disse forholdene involverer vanligvis temperatur og Press, forekomsten av stråling eller intensiteten av elektrisk felt eller magnetfelt som materialet utsettes for.

Halvledere er laget av kjemiske elementer svært varierte seg imellom, som faktisk kommer fra andre regioner enn Periodiske tabell, men de deler visse kjemiske egenskaper (vanligvis er de fireverdige), som gir dem deres spesielle elektriske egenskaper. For tiden er den mest brukte halvlederen silisium (Si), spesielt i industrien elektronikk og av databehandling.

Sammen med isolasjonsmaterialer ble halvledere oppdaget i 1727 av den engelske fysikeren og naturforskeren Stephen Gray (1666-1736), men lovene som beskriver deres oppførsel og egenskaper ble beskrevet mye senere, i 1821, av den berømte tyske fysikeren Georg Simon. Ohm (1789-1854).

Halvlederapplikasjoner

Halvledere er spesielt nyttige i elektronikkindustrien, siden de tillater kjøring og modulering elektrisk strøm i henhold til nødvendige mønstre. Av den grunn er det vanlig at de er vant til:

  • Transistorer
  • Integrerte kretser
  • Elektriske dioder
  • Optiske sensorer
  • Solid state lasere
  • Elektriske drivmodulatorer (som en elektrisk gitarforsterker)

Typer halvledere

Halvledere kan være av to forskjellige typer, avhengig av deres respons på det fysiske miljøet de er i:

Iboende halvledere

De består av en enkelt type atomer, arrangert i molekyler tetraedriske (det vil si fire atomer med en valens på 4) og deres atomer forbundet med kovalente bindinger.

Denne kjemiske konfigurasjonen forhindrer bevegelse fri fra elektroner rundt molekylet, bortsett fra en økning i temperatur: da tar elektronene en del av Energi tilgjengelig og "hoppe", og etterlater et ledig rom som er oversatt som en positiv ladning, som igjen vil tiltrekke seg nye elektroner. Denne prosessen kalles rekombinasjon, og mengden av varme nødvendig for dette avhenger av det aktuelle kjemiske elementet.

Ekstrinsiske halvledere

Disse materialene tillater en dopingprosess, det vil si at de tillater en eller annen type urenheter å bli inkludert i deres atomkonfigurasjon. Avhengig av disse urenhetene, som kan være femverdige eller treverdige, er halvledermaterialer delt inn i to:

  • N-type ekstrinsiske halvledere (donorer). I disse typer materialer er elektronene flere enn hullene eller bærerne av fri ladning ("rom" med positiv ladning). Når en potensialforskjell påføres materialet, beveger de frie elektronene seg til venstre for materialet og hullene deretter til høyre. Når hullene når ytterst til høyre, kommer elektroner fra den eksterne kretsen inn i halvlederen, og overføring av elektrisk strøm skjer.
  • Ekstrinsiske halvledere av P-type (akseptorer). I disse materialene øker den tilførte urenheten, i stedet for å øke de tilgjengelige elektronene, hullene. Derfor snakker vi om tilsatt akseptormateriale, siden det er større etterspørsel etter elektroner enn tilgjengelighet og hvert ledig "rom" hvor et elektron skal gå tjener for å lette gjennomgangen av strøm.

Eksempler på halvledermaterialer

Halvledere fungerer som modulatorer av elektrisk overføring.

De mest vanlige og brukte halvlederne i industri er:

  • Silisium (Si)
  • Germanium (Ge), ofte i legeringer silisium
  • Galliumarsenid (GaAs)
  • Svovel
  • Oksygen
  • Kadmium
  • Selen
  • indisk
  • Andre kjemiske materialer som er et resultat av kombinasjonen av grunnstoffer fra gruppe 12 og 13 i det periodiske systemet, med grunnstoffer fra henholdsvis gruppe 16 og 15.

Ledende materialer

I motsetning til halvledere, hvis elektriske ledningsegenskaper varierer, er ledende materialer alltid klare til å overføre elektrisitet, på grunn av den elektroniske konfigurasjonen av atomene. Denne ledningsevnen kan svinge og til en viss grad påvirkes av den fysiske tilstanden til miljøet siden elektrisk ledningsevne det er ikke absolutt.

Eksempler på ledende materialer er de aller fleste metaller (jern, kvikksølv, kobber, aluminium, etc.) og Vann.

Isolasjonsmaterialer

Til slutt er isolasjonsmaterialer de som motstår ledning av elektrisitet, det vil si som hindrer passasje av elektroner og de er derfor nyttige for å beskytte seg mot elektrisitet, for å forhindre at den går en fri kurs, eller fra å kortslutte. Isolatorer isolerer heller ikke hundre prosent effektivt, de har en grense (nedbrytningsspenning) over hvilken energien er så intens at de ikke kan opprettholde sin tilstand som isolatorer og derfor overfører elektrisk strøm, i det minste i en viss grad.

Eksempler på isolasjonsmaterialer er plast, keramikk, glass, tre og papir.

!-- GDPR -->