semiconductori sunt elemente care îndeplinesc funcția de conductori sau izolatori selectiv, în funcție de condițiile externe la care sunt supuși, cum ar fi temperatura, presiunea, radiația și câmpurile magnetice sau electrice.
În tabelul periodic sunt prezente 14 elemente semiconductoare, printre care siliciu, germaniu, seleniu, cadmiu, aluminiu, galiu, bor, indiu și carbon. Semiconductorii sunt solide cristaline cu conductivitate electrică medie, deci pot fi utilizate dual ca conductor și ca izolator.
Dacă sunt folosiți ca conductori, în anumite condiții permit circulația curentului electric, dar numai într-o singură direcție. În plus, acestea nu au o conductivitate la fel de mare ca cea a metalelor conductoare..
Semiconductorii sunt utilizați în aplicații electronice, în special pentru fabricarea componentelor precum tranzistoare, diode și circuite integrate. Ele sunt, de asemenea, utilizate ca accesorii sau complementare la senzorii optici, cum ar fi lasere cu stare solidă și unele dispozitive de alimentare pentru sistemele de transmisie a energiei electrice..
În prezent, acest tip de element este utilizat pentru dezvoltări tehnologice în domeniul telecomunicațiilor, sistemelor de control și procesării semnalelor, atât în aplicații interne, cât și industriale..
Indice articol
Există diferite tipuri de materiale semiconductoare, în funcție de impuritățile pe care le prezintă și de răspunsul lor fizic la diferiți stimuli de mediu..
Sunt acele elemente a căror structură moleculară este alcătuită dintr-un singur tip de atom. Printre acest tip de semiconductori intrinseci se numără silico și germaniu.
Structura moleculară a semiconductoarelor intrinseci este tetraedrică; adică are legături covalente între patru atomi din jur, așa cum este prezentat în imaginea de mai jos.
Fiecare atom al unui semiconductor intrinsec are 4 electroni de valență; adică 4 electroni care orbitează în învelișul exterior al fiecărui atom. La rândul lor, fiecare dintre acești electroni formează legături cu electronii adiacenți..
În acest fel, fiecare atom are 8 electroni în stratul său cel mai superficial, formând astfel o legătură solidă între electroni și atomii care alcătuiesc rețeaua cristalină..
Datorită acestei configurații, electronii nu se mișcă ușor în interiorul structurii. Astfel, în condiții standard, semiconductorii intrinseci se comportă ca un izolator.
Cu toate acestea, conductivitatea semiconductorului intrinsec crește ori de câte ori crește temperatura, deoarece unii electroni de valență absorb energia termică și se separă de legături..
Acești electroni devin electroni liberi și, dacă sunt direcționați corespunzător de o diferență de potențial electric, pot contribui la fluxul de curent în rețeaua cristalină..
În acest caz, electronii liberi sar în banda de conducție și merg la polul pozitiv al sursei potențiale (o baterie, de exemplu).
Mișcarea electronilor de valență induce un vid în structura moleculară, ceea ce se traduce printr-un efect similar cu cel produs de o sarcină pozitivă în sistem, motiv pentru care sunt considerați purtători de sarcină pozitivă..
Apoi, are loc un efect invers, deoarece unii electroni pot cădea din banda de conducere către coaja de valență eliberând energie în proces, ceea ce se numește recombinare.
Acestea se conformează prin includerea impurităților în conductorii intrinseci; adică prin încorporarea elementelor trivalente sau pentavalente.
Acest proces este cunoscut sub numele de dopaj și scopul său este de a crește conductivitatea materialelor, de a îmbunătăți proprietățile lor fizice și electrice..
Prin substituirea unui atom de semiconductor intrinsec cu un atom de altă componentă, se pot obține două tipuri de semiconductori extrinseci, care sunt detaliate mai jos.
În acest caz, impuritatea este un element semiconductor trivalent; adică cu trei (3) electroni în carcasa sa de valență.
Elementele intruzive din structură se numesc elemente dopante. Exemple ale acestor elemente pentru semiconductorii de tip P sunt borul (B), galiul (Ga) sau indiul (In).
Lipsit de un electron de valență pentru a forma cele patru legături covalente ale unui semiconductor intrinsec, semiconductorul de tip P are un decalaj în legătura lipsă.
Acest lucru face ca trecerea electronilor care nu aparțin rețelei cristaline să fie favorabilă prin această gaură care poartă o sarcină pozitivă..
Datorită încărcării pozitive a orificiului de legătură, aceste tipuri de conductori sunt numiți cu litera „P” și, în consecință, sunt recunoscuți ca acceptori de electroni.
Fluxul de electroni prin orificiile din legătură produce un curent electric care circulă în direcția opusă curentului derivat din electronii liberi.
Elementul intruziv în configurație este dat de elementele pentavalente; adică cei care au cinci (5) electroni în banda de valență.
În acest caz, impuritățile care sunt încorporate în semiconductorul intrinsec sunt elemente precum fosfor (P), antimoniu (Sb) sau arsenic (As).
Dopanții au un electron de valență suplimentar care, neavând o legătură covalentă la care să se lege, este automat liber să se deplaseze prin rețeaua de cristal.
Aici, curentul electric circulă prin material grație surplusului de electroni liberi furnizați de dopant. Prin urmare, semiconductorii de tip N sunt considerați donatori de electroni..
Semiconductorii se caracterizează prin funcționalitatea lor dublă, eficiența energetică, diversitatea aplicațiilor și costul redus. Caracteristicile principale ale semiconductoarelor sunt detaliate mai jos.
- Răspunsul său (conductiv sau izolant) poate varia în funcție de sensibilitatea elementului la iluminare, câmpuri electrice și câmpuri magnetice din mediu..
- Dacă semiconductorul este supus unei temperaturi scăzute, electronii vor rămâne uniți în banda de valență și, prin urmare, nu vor apărea electroni liberi pentru circulația curentului electric.
Pe de altă parte, dacă semiconductorul este expus la temperaturi ridicate, vibrațiile termice pot afecta rezistența legăturilor covalente ale atomilor elementului, lăsând electroni liberi pentru conducerea electrică..
- Conductivitatea semiconductoarelor variază în funcție de proporția impurităților sau a elementelor dopante dintr-un semiconductor intrinsec..
De exemplu, dacă 10 atomi de bor sunt incluși într-un milion de atomi de siliciu, raportul respectiv crește conductivitatea compusului de o mie de ori, comparativ cu conductivitatea siliciului pur..
- Conductivitatea semiconductoarelor variază între 1 și 10-6 S.cm-1, în funcție de tipul elementului chimic utilizat.
- Semiconductorii compuși sau extrinseci pot prezenta proprietăți optice și electrice considerabil superioare proprietăților semiconductoarelor intrinseci. Un exemplu în acest sens este arsenura de galiu (GaAs), utilizată predominant în frecvența radio și alte aplicații optoelectronice..
Semiconductorii sunt folosiți pe scară largă ca materie primă în asamblarea elementelor electronice care fac parte din viața noastră de zi cu zi, cum ar fi circuitele integrate..
Unul dintre elementele principale ale unui circuit integrat sunt tranzistoarele. Aceste dispozitive îndeplinesc funcția de a furniza un semnal de ieșire (oscilator, amplificat sau rectificat) conform unui semnal specific de intrare.
În plus, semiconductorii sunt și materialul primar al diodelor utilizate în circuitele electronice pentru a permite trecerea curentului electric într-o singură direcție..
Pentru proiectarea diodelor, se formează joncțiuni semiconductoare extrinseci de tip P și N. Prin alternarea elementelor donatoare și purtătoare de electroni, se activează un mecanism de echilibrare între ambele zone..
Astfel, electronii și găurile din ambele zone se intersectează și se completează reciproc acolo unde este necesar. Acest lucru se întâmplă în două moduri:
- Se produce transferul de electroni din zona de tip N în zona P. Zona de tip N obține o zonă de încărcare predominant pozitivă.
- Există o trecere a găurilor purtătoare de electroni din zona de tip P în zona de tip N. Zona de tip P capătă o sarcină predominant negativă.
În cele din urmă, se formează un câmp electric care induce circulația curentului într-o singură direcție; adică din zona N în zona P.
În plus, utilizarea combinațiilor de semiconductori intrinseci și extrinseci poate produce dispozitive care îndeplinesc funcții similare cu un tub de vid care conține de sute de ori volumul său..
Acest tip de aplicație se aplică circuitelor integrate, cum ar fi cipurile cu microprocesor care acoperă o cantitate considerabilă de energie electrică..
Semiconductorii sunt prezenți în dispozitivele electronice pe care le folosim în viața noastră de zi cu zi, cum ar fi echipamente de linie maro, cum ar fi televizoare, playere video, echipamente de sunet; calculatoare și telefoane mobile.
Cel mai utilizat semiconductor în industria electronică este siliciul (Si). Acest material este prezent în dispozitivele care alcătuiesc circuitele integrate care fac parte din ziua noastră de zi cu zi.
Aliajele de siliciu-germaniu (SiGe) sunt utilizate în circuitele integrate de mare viteză pentru radare și amplificatoare de instrumente electrice, cum ar fi chitarele electrice..
Un alt exemplu de semiconductor este arsenura de galiu (GaAs), utilizată pe scară largă în amplificatoarele de semnal, în special pentru semnale cu câștig ridicat și nivel scăzut de zgomot..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.