Ηλεκτρονικά Βασικά: Τι είναι ένα ημιαγωγό; - οι ημιαγωγοί

Ημιαγωγών χρησιμοποιούνται εκτενώς σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Όπως υποδηλώνει το όνομά του, ένας ημιαγωγός είναι ένα υλικό που εκτελεί ρεύμα, αλλά μόνο εν μέρει. Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού είναι κάπου μεταξύ ενός μονωτήρα, που δεν έχει σχεδόν καμία αγωγιμότητα, και ενός αγωγού, ο οποίος έχει σχεδόν πλήρη αγωγιμότητα. Οι περισσότεροι ημιαγωγοί είναι κρύσταλλα κατασκευασμένα από ορισμένα υλικά, συνηθέστερα πυρίτιο.

Για να καταλάβετε πώς λειτουργούν οι ημιαγωγοί, πρέπει πρώτα να καταλάβετε λίγο πώς οργανώνονται τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο. Τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο οργανώνονται σε στρώματα. Αυτά τα επίπεδα ονομάζονται κοχύλια . Το εξωτερικό κέλυφος καλείται κέλυφος σθένους .

Τα ηλεκτρόνια σε αυτό το κέλυφος είναι αυτά που σχηματίζουν δεσμούς με γειτονικά άτομα. Τέτοιοι δεσμοί ονομάζονται ομοιοπολικοί δεσμοί . Οι περισσότεροι αγωγοί έχουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο στο κέλυφος σθένους. Οι ημιαγωγοί, από την άλλη πλευρά, τυπικά έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους τους.

κρύσταλλα . Οι ημιαγωγοί κατασκευάζονται από τέτοιους κρυστάλλους, συνήθως κρυστάλλους πυριτίου. Εδώ, κάθε κύκλος αντιπροσωπεύει ένα άτομο πυριτίου, και οι γραμμές μεταξύ των ατόμων αντιπροσωπεύουν τα κοινά ηλεκτρόνια. Κάθε ένα από τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους σε κάθε άτομο πυριτίου μοιράζεται με ένα γειτονικό άτομο πυριτίου. Έτσι, κάθε άτομο πυριτίου συνδέεται με τέσσερα άλλα άτομα πυριτίου.

Τα καθαρά κρυστάλλους πυριτίου δεν είναι όλα χρήσιμα ηλεκτρονικά. Αλλά αν εισάγετε μικρές ποσότητες άλλων στοιχείων σε ένα κρύσταλλο, το κρύσταλλο αρχίζει να διεξάγει με έναν ενδιαφέροντα τρόπο.

Η διαδικασία σκόπιμης εισαγωγής άλλων στοιχείων σε ένα κρύσταλλο ονομάζεται

doping . Το στοιχείο που εισάγεται με το ντόπινγκ ονομάζεται dopant . Με τον προσεκτικό έλεγχο της διαδικασίας ντόπινγκ και των προσμείξεων που χρησιμοποιούνται, οι κρύσταλλοι πυριτίου μπορούν να μετατραπούν σε έναν από τους δύο ξεχωριστούς τύπους αγωγών: Ημιαγωγοί τύπου Ν:

• Δημιουργούνται όταν το dopant είναι ένα στοιχείο που έχει πέντε ηλεκτρόνια σθένος σθένους. Φωσφόρος χρησιμοποιείται συνήθως για το σκοπό αυτό. Τα άτομα φωσφόρου ενώνουν δεξιά στην κρυσταλλική δομή του πυριτίου, το καθένα δε συνδέεται με τέσσερα παρακείμενα άτομα πυριτίου ακριβώς όπως ένα άτομο πυριτίου. Επειδή το άτομο φωσφόρου έχει πέντε ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους του, αλλά μόνο τέσσερα από αυτά είναι συνδεδεμένα με γειτονικά άτομα, το πέμπτο ηλεκτρόνιο του σθένους αφήνεται να κρεμάσει έξω χωρίς να δεσμεύεται.

  Τα ηλεκτρόνια επιπλέον σθένους στα άτομα του φωσφόρου αρχίζουν να συμπεριφέρονται όπως τα ηλεκτρόνια μονού σθένους σε έναν κανονικό αγωγό όπως ο χαλκός. Είναι ελεύθεροι να κινηθούν. Επειδή αυτός ο τύπος ημιαγωγού έχει επιπλέον ηλεκτρόνια, ονομάζεται ημιαγωγός

  τύπου Ν. Ημιαγωγοί τύπου P:

  

• Συμβαίνει όταν το dopant (όπως το βόριο) έχει μόνο τρία ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους. Όταν μια μικρή ποσότητα ενσωματώνεται στον κρύσταλλο, το άτομο είναι ικανό να συνδεθεί με τέσσερα άτομα πυριτίου, αλλά επειδή έχει μόνο τρία ηλεκτρόνια που προσφέρουν, δημιουργείται μια οπή . Η οπή συμπεριφέρεται σαν ένα θετικό φορτίο, έτσι ώστε οι ημιαγωγοί που έχουν προσβληθεί με αυτόν τον τρόπο ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου Ρ. Όπως μια θετική φόρτιση, τρύπες προσελκύουν ηλεκτρόνια. Αλλά όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται σε μια τρύπα, το ηλεκτρόνιο αφήνει μια νέα τρύπα στην προηγούμενη θέση του. Έτσι, σε ένα ημιαγωγό τύπου Ρ, τρύπες μετακινούνται συνεχώς μέσα στον κρύσταλλο καθώς τα ηλεκτρόνια προσπαθούν συνεχώς να τα γεμίζουν.

  Όταν εφαρμόζεται τάση σε ημιαγωγό τύπου Ν ή τύπου Ρ, το ρεύμα ρέει για τον ίδιο λόγο που ρέει σε έναν κανονικό αγωγό: Η αρνητική πλευρά της τάσης ωθεί τα ηλεκτρόνια και η θετική πλευρά τους τραβά. Το αποτέλεσμα είναι ότι η τυχαία κίνηση ηλεκτρονίων και οπών που υπάρχει πάντα σε ημιαγωγό γίνεται οργανωμένη προς μία κατεύθυνση, δημιουργώντας μετρήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα.