V tomto príspevku sa komplexne učíme o základných pracovných princípoch polovodičových zariadení a o tom, ako vnútorná štruktúra polovodičov funguje pod vplyvom elektriny.
Hodnota odporu medzi týmito polovodičovými materiálmi nemá ani úplnú charakteristiku vodiča, ani úplný izolátor, je medzi týmito dvoma limitmi.
Táto vlastnosť môže definovať polovodičovú vlastnosť materiálu, bolo by však zaujímavé vedieť, ako polovodič funguje medzi vodičom a izolátorom.
Odpor
Podľa Ohmovho zákona je elektrický odpor elektronického zariadenia definovaný ako pomer rozdielu potenciálov medzi komponentom a prúdom pretekajúcim komponentom.
Teraz môže použitie merania odporu predstavovať jeden problém, jeho hodnota sa mení, keď sa mení fyzikálny rozmer odporového materiálu.
Napríklad, keď je odporový materiál predĺžený, jeho hodnota odporu tiež úmerne stúpa.
Podobne, keď sa zväčšila jeho hrúbka, hodnota úmerne tomu klesla.
Tu je potrebné definovať materiál, ktorý môže naznačovať vlastnosť vedenia alebo odporu voči elektrickému prúdu bez ohľadu na jeho veľkosť, tvar alebo fyzický vzhľad.
Veľkosť vyjadrenia tejto konkrétnej hodnoty odporu je známa ako rezistivita, ktorá má synbol ρ, (Rho)
Jednotkou merania odporu je Ohm-meter (Ω.m) a možno ho chápať ako parameter, ktorý inverzuje vodivosť.
Aby bolo možné získať porovnanie medzi odpormi viacerých materiálov, sú tieto materiály rozdelené do 3 hlavných kategórií: Vodiče, Izolátor a Polovodiče. Nasledujúca tabuľka poskytuje požadované podrobnosti:
Ako vidíte na vyššie uvedenom obrázku, medzi odpormi vodičov, ako sú zlato a striebro, je zanedbateľný rozdiel, zatiaľ čo rozdiel medzi odpormi môže byť medzi izolátormi, ako sú kremeň a sklo,.
Je to spôsobené ich reakciou na teplotu okolia, vďaka ktorej sú kovy mimoriadne účinné vodiče ako izolátory
Vodiče
Z vyššie uvedeného grafu chápeme, že vodiče majú najmenšie množstvo rezistivity, ktoré môže byť zvyčajne v mikroohmoch / meter.
Vzhľadom na ich nízky odpor je elektrický prúd schopný ľahko nimi prechádzať, kvôli dostupnosti veľkého množstva elektrónov.
Avšak tieto elektróny je možné tlačiť, iba ak ide o tlak cez vodič, a tento tlak je možné vytvoriť pomocou napätia na vodiči.
Keď je teda na vodič aplikovaný rozdiel kladného / záporného potenciálu, voľné elektróny každého atómu vodiča sú nútené uvoľniť sa z pôvodných atómov a začnú sa driftovať naprieč vodičom a sú všeobecne známe ako tok prúdu. .
Stupeň, v ktorom sú tieto elektróny schopné sa pohybovať, závisí od toho, ako ľahko môžu byť oslobodené od svojich atómov v reakcii na rozdiel napätia.
Kovy sa všeobecne považujú za dobré vodiče elektriny a spomedzi kovov sú najlepšie usporiadané vodiče zlato, striebro, meď a hliník.
Pretože tieto vodiče majú vo valenčnom pásme svojich atómov veľmi málo elektrónov, ľahko sa vytesnia potenciálnym rozdielom a začnú skákať z jedného atómu na ďalší atóm procesom zvaným „Domino efekt“, čo vedie k toku prúdu naprieč vodič.
Aj keď zlato a striebro sú najlepšími vodičmi elektriny, pre výrobu drôtov a káblov sa uprednostňujú meď a hliník kvôli ich nízkym nákladom a hojnosti a tiež fyzickej odolnosti.
Napriek skutočnosti, že meď a hliník sú dobrými vodičmi elektriny, stále majú určitý odpor, pretože nič nemôže byť stopercentne ideálne.
Aj keď je odpor ponúkaný týmito vodičmi malý, môže byť pri použití vyšších prúdov značný. Nakoniec sa odpor voči vyššiemu prúdu na týchto vodičoch rozptýli ako teplo.
Izolátory
Na rozdiel od vodičov je izolátor zlým vodičom elektriny. Spravidla sú vo forme nekovov a majú veľmi málo zraniteľných alebo voľných elektrónov s pôvodnými atómami.
Znamená to, že elektróny týchto nekovov sú pevne spojené so svojimi materskými atómami, ktoré je veľmi ťažké vytlačiť pomocou napätia.
Vďaka tejto vlastnosti, keď sa použije elektrické napätie, elektróny sa nedokážu vzdialiť od atómov, čo vedie k nulovému toku elektrónov, a preto nedochádza k žiadnemu vedeniu.
Táto vlastnosť vedie k veľmi vysokej hodnote odporu voči izolátoru, rádovo mnohých miliónoch ohmov.
Príkladmi dobrých izolátorov sú materiály ako sklo, mramor, PVC, plasty, kremeň, guma, sľuda, bakelit.
Rovnako ako vodič, aj izolátory hrajú dôležitú úlohu v oblasti elektroniky. Bez izolátora by nebolo možné izolovať rozdiely napätia medzi fázami obvodu, čo by viedlo ku skratom.
Napríklad vidíme použitie porcelánu a skla vo vežiach vysokého napätia na bezpečný prenos striedavého prúdu cez káble. V drôtoch používame na izoláciu kladných a záporných pólov PVC a v PCB na izoláciu medených stôp od seba Bakelit.
Základy polovodičov
Medzi základné polovodičové materiály patria materiály ako kremík (Si), germánium (Ge) a gálium arzenid. Je to tak preto, lebo tieto materiály majú charakteristiku stredného vedenia elektriny, ktorá vedie k nesprávnemu vedeniu alebo správnej izolácii. Kvôli tejto vlastnosti sú tieto materiály pomenované ako polovodiče.
Tieto materiály vykazujú na svojich atómoch veľmi málo voľných elektrónov, ktoré sú pevne zoskupené do formácie kryštalickej mriežky. Stále sú elektróny schopné sa uvoľniť a prúdiť, ale len za určitých špecifických podmienok.
Z tohto dôvodu je možné zvýšiť rýchlosť vodivosti v týchto polovodičoch zavedením alebo nahradením určitého druhu „donorových“ alebo „akceptorových“ atómov v kryštalickom usporiadaní, čo umožňuje uvoľnenie ďalších „voľných elektrónov“ a „dier“ alebo zlozvykov. naopak.
To sa realizuje zavedením určitého množstva externého materiálu do existujúceho materiálu, ako je kremík alebo germánium.
Samotné materiály ako kremík a germánium sú samy osebe kategorizované ako vnútorné polovodiče kvôli ich extrémnej čistej chemickej povahe a prítomnosti úplného polovodičového materiálu.
To tiež znamená, že aplikáciou kontrolovaného množstva nečistôt do nich sme schopní určiť rýchlosť vedenia v týchto vnútorných materiáloch.
Do týchto materiálov môžeme zaviesť typy nečistôt označované ako donory alebo akceptory, aby sme ich vylepšili buď voľnými elektrónmi alebo voľnými dierami.
V týchto procesoch, keď sa k vnútornému materiálu pridáva nečistota v pomere 1 atóm nečistoty na 10 miliónov atómov polovodičového materiálu, označuje sa to ako Doping .
So zavedením dostatočnej nečistoty by sa mohol polovodičový materiál transformovať na materiál typu N alebo typu P.
Kremík patrí medzi najobľúbenejšie polovodičové materiály, má 4 valenčné elektróny na svojom vonkajšom obale a je tiež obklopený susednými atómami, ktoré vytvárajú celkovú obežnú dráhu 8 elektrónov.
Väzba medzi dvoma atómami kremíka je vyvinutá takým spôsobom, že umožňuje zdieľanie jedného elektrónu s jeho susedným atómom, čo vedie k dobrej stabilnej väzbe.
Vo svojej čistej forme môže mať kremíkový kryštál veľmi málo voľných valenčných elektrónov, čo mu prisudzuje vlastnosti dobrého izolátora s extrémnymi hodnotami odporu.
Pripojenie kremíkového materiálu k rozdielu potenciálov nepomôže žiadnemu vedeniu cez tento materiál, pokiaľ v ňom nie sú vytvorené nejaké pozitívne alebo negatívne polarity.
A na vytvorenie takýchto polarít sa do týchto materiálov implementuje proces dopingu pridaním nečistôt, ako je uvedené v predchádzajúcich odsekoch.
Pochopenie štruktúry kremíkových atómov
Na vyššie uvedených obrázkoch vidíme, ako vyzerá štruktúra pravidelnej mriežky z čistého kremíkového kryštálu. Pokiaľ ide o nečistotu, zvyčajne sa do polovodičových kryštálov zavádzajú materiály ako arzén, antimón alebo fosfor, ktoré ich premieňajú na vonkajšie, čo znamená „mať nečistoty“.
Spomínané nečistoty sú tvorené 5 elektrónmi na ich najvzdialenejšom páse, známom ako „päťmocný“, na zdieľanie so susednými atómami.
To zaisťuje, že 4 z 5 atómov sú schopné spojiť sa s susednými atómami kremíka, s výnimkou jediného „voľného elektrónu“, ktorý je možné uvoľniť po pripojení elektrického napätia.
V tomto procese, pretože nečisté atómy začínajú „darovať“ každý elektrón cez svoj blízky atóm, sú „päťmocné“ atómy pomenované ako „darcovia“.
Používanie antimónu na doping
Antimón (Sb) a fosfor (P) sa často stávajú najlepšou voľbou na zavedenie „päťmocnej“ nečistoty do kremíka. 
V Antimoni je 51 elektrónov rozmiestnených v 5 škrupinách okolo jeho jadra, zatiaľ čo jeho najvzdialenejší pás pozostáva z 5 elektrónov.
Vďaka tomu je základný polovodičový materiál schopný získavať ďalšie elektróny prenášajúce prúd, z ktorých každý má negatívny náboj. Preto sa nazýva „materiál typu N“.
Elektróny sú tiež pomenované ako „Majoritné nosiče“ a diery, ktoré sa následne vyvinú, sú pomenované ako „Menšinové nosiče“.
Keď je polovodič dotovaný antimónom vystavený elektrickému potenciálu, elektróny, ktoré sa náhodou zrazia, sú okamžite nahradené voľnými elektrónmi z atómov antimónu. Pretože však proces nakoniec udržuje voľný elektrón v dopovanom kryštáli, spôsobuje to, že ide o materiál so záporným nábojom.
V tomto prípade možno polovodič označiť za typ N, ak má hustotu darcu vyššiu ako hustota akceptora. To znamená, keď je vyšší počet voľných elektrónov v porovnaní s počtom otvorov, čo spôsobuje negatívnu polarizáciu, ako je uvedené nižšie.
Pochopenie polovodiča typu P.
Ak vezmeme do úvahy situáciu naopak, zavedenie troj elektrónovej „trojmocnej“ nečistoty do polovodičového kryštálu, napríklad ak zavedieme hliník, bór alebo indium, ktoré obsahujú 3 elektróny vo svojej valenčnej väzbe, je teda nemožné vytvoriť štvrtú väzbu.
Z tohto dôvodu sa stáva zložité dôkladné pripojenie, čo umožňuje polovodiču mať veľa kladne nabitých nosných. Tieto nosiče sa nazývajú „diery“ v celej polovodičovej mriežke kvôli množstvu chýbajúcich elektrónov.
Teraz, v dôsledku prítomnosti otvorov v kremíkovom kryštáli, je blízky elektrón priťahovaný k otvoru a pokúša sa vyplniť štrbinu. Len čo sa to ale elektróny pokúsia urobiť, uvoľní svoju pozíciu a vytvorí novú dieru na svojej predchádzajúcej pozícii.
To zase priťahuje ďalší blízky elektrón, ktorý opäť opúšťa novú dieru a snaží sa obsadiť ďalšiu dieru. Proces pokračuje vytváraním dojmu, že v skutočnosti sa otvory pohybujú alebo prúdia cez polovodič, čo všeobecne poznáme ako konvenčný tokový prúd.
Keď sa „diery objavujú v pohybe“, vedie k nedostatku elektrónov, čo umožňuje celému dotovanému kryštálu získať pozitívnu polaritu.
Pretože každý atóm nečistoty je zodpovedný za vytvorenie diery, tieto trojmocné nečistoty sa nazývajú „akceptory“, pretože neustále prijímajú voľné elektróny.
Bor (B) je jednou z trojmocných prísad, ktorá sa bežne používa pre vyššie vysvetlený dopingový proces.
Keď sa ako dopingový materiál použije bór, spôsobí to, že vedenie bude mať hlavne kladne nabité nosiče.
To vedie k vytvoreniu materiálu typu P, ktorý má pozitívne diery nazývané „majoritné nosiče“, zatiaľ čo voľné elektróny sa nazývajú „menšinové nosiče“.
To vysvetľuje, ako sa polovodičový základný materiál mení na typ P v dôsledku zvýšenej hustoty jeho akceptorových atómov v porovnaní s donorovými atómami.
Ako sa bór používa na doping
Zhrnutie Základy polovodičov
Polovodič typu N (dopovaný pentavalentnou nečistotou ako napríklad antimón)
Takéto polovodiče, ktoré sú dotované atómami päťmocnej nečistoty, sa nazývajú donory, pretože vykazujú vodivosť pohybom elektrónov, a preto sa označujú ako polovodiče typu N.
V N-type Semiconductor nájdeme:
- Pozitívne nabití darcovia
- Bohatý počet voľných elektrónov
- Relatívne menší počet „dier“ v porovnaní s „voľnými elektrónmi“
- V dôsledku dopingu sa vytvárajú pozitívne nabití darcovia a negatívne nabité voľné elektróny.
- Výsledkom použitia potenciálneho rozdielu je vývoj záporne nabitých elektrónov a kladne nabitých otvorov.
Polovodič typu P (dopovaný trivalentnou nečistotou ako je napríklad bór)
Takéto polovodiče, ktoré sú dotované atómami trojmocnej nečistoty, sa označujú ako akceptory, pretože vykazujú vedenie pohybom otvorov, a preto sa označujú ako polovodiče typu P.
V N-type Semiconductor nájdeme:
- Negatívne nabité akceptory
- Veľké množstvo otvorov
- Relatívne menší počet voľných elektrónov v porovnaní s prítomnosťou dier.
- Výsledkom dopingu je vytvorenie negatívne nabitých akceptorov a pozitívne nabitých dier.
- Aplikácia napäťového poľa spôsobuje vytváranie kladne nabitých dier a záporne nabitých voľných elektrónov.
Samotné polovodiče typu P a N sú prirodzene elektricky neutrálne.
Antimón (Sb) a bór (B) sú obvykle dva materiály, ktoré sa používajú ako dopingové prvky kvôli ich dostatočnej dostupnosti. Nazývajú sa tiež ako „mettaloidy“.
Ak sa teda pozriete na periodickú tabuľku, nájdete mnoho ďalších podobných materiálov, ktoré majú v najvzdialenejšom atómovom pásme 3 alebo 5 elektrónov. Znamená to, že tieto materiály sa tiež môžu stať vhodnými na dopingové účely.
Periodická tabuľka 
Dvojica: Obvod podávania psov riadený mobilnými telefónmi Ďalej: Porozumenie obvodom zosilňovača
