Pusvadītāji ir viena no būtiskākajām mūsdienu tehnoloģiju sastāvdaļām, kas atrodas dažādās ierīcēs, kuras lietojam ikdienā, sākot no viedtālruņiem un beidzot ar datoriem. Šāda veida materiāli gadu gaitā ir radījuši revolūciju nozarēs, pateicoties spējai efektīvi un ekonomiski kontrolēt elektroenerģijas plūsmu. Tomēr ne visi pusvadītāji ir vienādi, un šeit parādās divi termini, kas var būt mulsinoši tiem, kas nav pazīstami ar šo jomu: iekšējie un ārējie pusvadītāji.
Elektronikas jomā ir svarīgi zināt atšķirību starp šiem diviem pusvadītāju veidiem, lai saprastu, kā ierīces darbojas un kāpēc noteiktas lietojumprogrammas dod priekšroku vienam pret otru. Šajā rakstā mēs rūpīgi izpētīsim abu veidu pusvadītāju īpašības un to, kā to struktūra ietekmē to uzvedību. Sagatavojiet savus neironus, jo mēs gatavojamies ienirt vienā no materiālu fizikas un modernās elektronikas pīlāriem!
Kas ir iekšējais pusvadītājs?
L iekšējie pusvadītāji Tiem ir tīra struktūra, kas nozīmē, ka tie nesatur nekādus piemaisījumus, kas ievadīti dopinga procesā. Šāda veida pusvadītājus uzskata par materiāla “pamata stāvokli”, jo tā elektriskās īpašības ir atkarīgas tikai no materiāla raksturīgajām īpašībām. Silīcijs (Si) un germānija (Ge) ir visizplatītākie iekšējie pusvadītāji, jo to elektroniskās īpašības padara tos ideāli piemērotus izmantošanai elektronisko ierīču ražošanā.
Istabas temperatūrā iekšējiem pusvadītājiem ir vāja elektrovadītspēja. Tomēr, paaugstinoties temperatūrai, elektroni savā valences apvalkā iegūst pietiekami daudz enerģijas, lai ielēktu vadīšanas joslā, tādējādi ļaujot plūst strāvai. Šī parādība padara iekšējos pusvadītājus par diezgan interesantiem materiāliem lietojumiem, kur nepieciešama stingra siltuma vadītspējas kontrole.
Ir svarīgi atzīmēt, ka tīrā pusvadītājā elektronu skaits vadītspējas joslā un caurumu skaits valences joslā ir vienāds. Tā rezultātā tiek panākts ideāls līdzsvars starp abiem lādiņa nesējiem, kas liecina, ka iekšējā materiāla vadītspēja ir ļoti tīra un sakārtota parādība.
Kas ir ārējais pusvadītājs?
Atšķirībā no iekšējā pusvadītāja, ārējie pusvadītāji Tie ir tie, kas ir dopēti ar piemaisījumiem, lai uzlabotu braukšanas spējas. Šie piemaisījumi parasti nāk no trīsvērtīgiem (piemēram, alumīnija) vai piecvērtīgiem (piemēram, fosfora) elementiem, un, ja tos pievieno kontrolētā daudzumā, tie maina bāzes pusvadītāja elektroniskās īpašības. Šis dopings rada elektronu pārsātinājumu (N tipa pusvadītāji) vai caurumu pārsātinājumu (P tipa pusvadītāji).
N tipa pusvadītāji ir tie, kuros materiāls ir leģēts ar elementiem, kuros ir vairāk elektronu, nekā pusvadītājam nepieciešams kovalentajām saitēm. Šis liekais elektrons var brīvi kustēties, kas ievērojami palielina materiāla vadītspēju. Fosfors, antimons un arsēns ir plaši piemēri piedevām, ko izmanto N tipa pusvadītāju ražošanā.
No otras puses, P veida pusvadītāji ir tie, kuros materiāls ir leģēts ar elementiem, kuriem ir mazāk elektronu, lai izveidotu kovalentās saites, kas rada caurumu veidošanos. Šie caurumi uzvedas kā mobilie pozitīvie lādiņi, kas ļauj iziet cauri strāvai. Bors, gallijs un indijs ir piedevu elementu piemēri, ko izmanto, lai izveidotu P tipa pusvadītājus.
Salīdzinājums starp iekšējiem un ārējiem pusvadītājiem
Gan iekšējiem, gan ārējiem pusvadītājiem ir būtiska nozīme elektronikā, taču to atšķirības slēpjas to ķīmiskajā sastāvā un to darbībā noteiktos apstākļos. Tālāk mēs veiksim izsmeļošu abu veidu pusvadītāju galveno raksturlielumu salīdzinājumu:
- Materiāla tīrība: Iekšējie pusvadītāji ir pilnīgi tīri, savukārt ārējie pusvadītāji ir leģēti ar piemaisījumiem, lai uzlabotu to vadītspēju.
- Elektriskā vadītspēja: Iekšējiem pusvadītājiem ir daudz zemāka vadītspēja, salīdzinot ar ārējiem. Iekšējā vadītspēja ir atkarīga tikai no temperatūras svārstībām.
- Kravas nesēji: Iekšējos pusvadītājos elektronu skaits un caurumu skaits ir vienāds. Ārējos pusvadītājos šī paritāte ir bojāta dopinga dēļ, kā rezultātā rodas lieki elektroni (N-tipa) vai caurumi (P-tipa).
- Tehnoloģija un pielietojumi: Ārējie pusvadītāji ir noderīgāki praktiskiem lietojumiem, jo tiem ir lielāka spēja vadīt elektrību. Tie ir praktiski visas mūsdienu elektronikas, ieskaitot tranzistorus un diodes, pamatā.
P tipa un N tipa pusvadītāji
No diviem galvenajiem ārējo pusvadītāju veidiem, N-veida pusvadītājs satur vairāk brīvo elektronu, savukārt P-veida pusvadītājs Tam ir vairāk caurumu. Elektroni N tipa pusvadītājos darbojas kā galvenās uzlādētās daļiņas elektrības vadīšanai, savukārt P tipa pusvadītājos caurumi (pozitīvi lādētas daļiņas) nodrošina elektrisko strāvu.
Viena no svarīgākajām atšķirībām starp abiem veidiem ir veids, kā tie darbojas, kad tie ir savienoti ar ārēju strāvas avotu. Ja starp diviem reģioniem tiek piemērota potenciāla atšķirība (PN), ko mēs zinām kā PN krustojums, struktūra, kas ir būtiska tādu ierīču kā diožu darbībai. Kad krustojums ir "polarizēts" vienā virzienā, tas ļauj iziet strāvu; Ja polaritāte ir apgriezta, tas darbojas kā izolators.
Dopinga nozīme ārējos pusvadītājos
Ārējos pusvadītājos dopinga process ievada piemaisījumus pusvadītāju kristālā, lai mainītu tā dabisko līdzsvaru un palielinātu vadītspējas. Lai izveidotu N tipa pusvadītājus, izmanto dopantus ar pieciem valences elektroniem, savukārt P tipa pusvadītājiem bāzes materiāls tiek leģēts ar elementiem, kuriem ir tikai trīs valences elektroni. Šis process tieši ietekmē materiāla elektriskās īpašības, uzlabojot tā efektivitāti lietojumos, kur būtiska ir precīza strāvas kontrole.
Šis dopings tiek izmantots visdažādākajos lietojumos, piemēram, bipolāru tranzistoru un integrālo shēmu izveidē, kā arī citas būtiskas mūsdienu elektronikas sastāvdaļas.
Ārējo un iekšējo pusvadītāju pielietojumi
Iekšējo pusvadītāju pielietojums ir ierobežots to zemās vadītspējas dēļ. Tomēr tie ir noderīgi vidēs, kur nepieciešama precīza reakcija uz temperatūras izmaiņām, piemēram, temperatūras sensoros. Savukārt ārējie pusvadītāji to labākas vadītspējas dēļ tiek izmantoti ļoti dažādās elektroniskās ierīcēs, sākot no tranzistoriem līdz diodēm un integrālajām shēmām.
Piemēram, mikroprocesoros spēja pārslēgties starp vadošo un nevadošo ārējo N tipa un P tipa pusvadītāju stāvokli ļauj datoriem veikt loģiskas darbības, efektīvi uzglabājot un apstrādājot informāciju.
Ir vērts pieminēt, ka pusvadītāju joma turpina attīstīties, un līdz ar nesenajiem sasniegumiem pusvadītāju materiālos, piemēram, silīcija karbīdā (SiC) un gallija arsenīda (GaAs) jomā, tiek izstrādātas arvien ātrākas un efektīvākas ierīces.
Inženieriem un zinātniekiem izpratne par atšķirībām starp iekšējiem un ārējiem pusvadītājiem ir būtiska ne tikai efektīvāku ierīču projektēšanai, bet arī esošo tehnoloģiju uzlabošanai.