Polovodiče sú triedou materiálov, ktoré majú elektrickú vodivosť medzi vodičmi a izolantmi. Ich jedinečné elektrické vlastnosti z nich robia základný kameň modernej elektroniky, od jednoduchých domácich spotrebičov až po zložité superpočítače. Ako dodávateľ elektrickej energie som bol svedkom významu polovodičov v rôznych priemyselných odvetviach. V tomto blogu sa ponorím do elektrických vlastností polovodičov, preskúmam ich správanie, aplikácie a vplyv, ktorý majú na náš každodenný život.
Základné elektrické vlastnosti polovodičov
Vodivosť
Vodivosť polovodiča leží medzi vodivosťou vodiča, ako je meď, a izolantom, ako je guma. Pri absolútnej nulovej teplote pôsobí čistý polovodič ako izolant, pretože všetky elektróny sú pevne viazané na ich atómy. Keď sa však teplota zvýši, niektoré elektróny získajú dostatok energie na to, aby sa uvoľnili zo svojich atómov a stali sa mobilnými. Tieto voľné elektróny potom môžu viesť elektrinu.
Vodivosť polovodiča sa môže zvýšiť aj pridaním nečistôt prostredníctvom procesu nazývaného doping. Doping zahŕňa zavedenie malého množstva cudzích atómov do polovodičovej mriežky. Existujú dva typy dopingu: n-typ a p-typ.
- Doping typu N: Pri dopingu typu n sa pridávajú nečistoty s väčším počtom valenčných elektrónov ako majú atómy polovodičov. Napríklad v kremíku (ktorý má štyri valenčné elektróny) možno ako dopant použiť fosfor (ktorý má päť valenčných elektrónov). Ďalší elektrón z atómu fosforu sa stáva voľným elektrónom, čím sa zvyšuje vodivosť polovodiča.
- Doping typu P: Pri dopingu typu p sa pridávajú nečistoty s menším počtom valenčných elektrónov ako majú atómy polovodičov. Napríklad bór (ktorý má tri valenčné elektróny) možno použiť ako dopant v kremíku. Neprítomnosť elektrónu vytvára „dieru“, ktorá môže pôsobiť ako kladný nosič náboja. Otvory sa môžu pohybovať cez polovodičovú mriežku, čo prispieva k jej vodivosti.
Štruktúra kapely
Pásová štruktúra polovodiča je rozhodujúca pre pochopenie jeho elektrických vlastností. V polovodiči existuje energetická medzera, známa ako bandgap, medzi valenčným pásom (kde sú elektróny viazané na atómy) a vodivým pásom (kde sa elektróny môžu voľne pohybovať).
- Valence Band: Valenčný pás obsahuje elektróny, ktoré sú viazané na atómy v polovodiči. Pri absolútnej nulovej teplote sú všetky elektróny vo valenčnom pásme.
- Vodivý pás: Vodivostné pásmo je energetická hladina, kde sa elektróny môžu voľne pohybovať a viesť elektrinu. Keď elektrón získa dostatok energie na to, aby preskočil z valenčného pásma do vodivého pásma, stane sa voľným elektrónom.
- Bandgap: Bandgap je energetický rozdiel medzi valenčným a vodivým pásmom. V polovodičoch je bandgap relatívne malý (zvyčajne medzi 0,1 a 3 elektrónvoltami). To umožňuje excitáciu elektrónov z valenčného pásma do vodivého pásma s relatívne malou energiou, ako je tepelná energia alebo svetlo.
Vnútorné a vonkajšie polovodiče
Vlastné polovodiče
Vlastný polovodič je čistý polovodič bez akéhokoľvek zámerného dopingu. Vo vlastnom polovodiči sa počet voľných elektrónov rovná počtu dier. Vodivosť vlastného polovodiča je určená hlavne teplotou. Keď sa teplota zvyšuje, viac elektrónov sa excituje z valenčného pásma do vodivého pásma, čím sa zvyšuje vodivosť.
Vonkajšie polovodiče
Vonkajšie polovodiče sú polovodiče, ktoré boli dopované nečistotami, aby sa zvýšila ich vodivosť. Ako už bolo spomenuté, existujú dva typy vonkajších polovodičov: n-typ a p-typ.
- Polovodiče typu N: V polovodičoch typu n sú väčšinovými nosičmi elektróny a menšinovými nosičmi sú diery. Vodivosť polovodiča typu n je spôsobená najmä pohybom voľných elektrónov.
- Polovodiče typu P: V polovodičoch typu p sú väčšinovými nosičmi diery a menšinovými nosičmi sú elektróny. Vodivosť polovodiča typu p je spôsobená hlavne pohybom otvorov.
Polovodičové zariadenia a ich aplikácie
Diódy
Dióda je dvojpólové polovodičové zariadenie, ktoré umožňuje prúdenie prúdu iba jedným smerom. Pozostáva z pn prechodu, ktorý vzniká privedením polovodiča typu p a polovodiča typu n do kontaktu.
- Forward Bias: Keď je na p-stranu diódy privedené kladné napätie a na n-stranu záporné napätie, dióda sa považuje za predpätú. V tomto prípade sú otvory v polovodiči typu p a elektróny v polovodiči typu n zatlačené smerom k prechodu pn, čo umožňuje prúdenie prúdu.
- Reverzná zaujatosť: Keď sa na p-stranu diódy privedie záporné napätie a na n-stranu sa privedie kladné napätie, dióda sa považuje za spätne predpätú. V tomto prípade sú diery a elektróny odtiahnuté od pn prechodu, čím sa vytvorí oblasť vyčerpania, kde nie sú žiadne nosiče náboja. Výsledkom je, že diódou preteká veľmi malý prúd.
Diódy sú široko používané v obvodoch usmerňovačov na konverziu striedavého prúdu (AC) na jednosmerný prúd (DC). Používajú sa tiež v regulátoroch napätia, demodulátoroch signálu a ochranných obvodoch.
Tranzistory
Tranzistor je trojpólové polovodičové zariadenie, ktoré možno použiť ako zosilňovač alebo spínač. Existujú dva hlavné typy tranzistorov: bipolárne tranzistory (BJT) a tranzistory s efektom poľa (FET).
- Bipolárne tranzistory (BJT): BJT pozostáva z troch oblastí: žiarič, základňa a kolektor. Riadením prúdu tečúceho cez základňu možno riadiť prúd tečúci medzi emitorom a kolektorom. BJT sa bežne používajú v obvodoch zosilňovačov a spínacích obvodoch.
- Tranzistory s efektom poľa (FET): FET pozostáva zo zdroja, odtoku a brány. Prúd tečúci medzi zdrojom a odtokom je riadený napätím aplikovaným na bránu. FET sú široko používané v integrovaných obvodoch, ako sú mikroprocesory a pamäťové čipy.
Tranzistory sú stavebnými kameňmi modernej elektroniky. Používajú sa v širokej škále aplikácií vrátane počítačov, smartfónov, televízorov a automobilovej elektroniky.
Naše elektrické produkty súvisiace s polovodičmi
Ako dodávateľ elektrickej energie ponúkame široký sortiment elektrických produktov, ktoré obsahujú polovodiče. Poskytujeme napríklad kvalitné solenoidové ventily, snímače a spínače pre rôzne aplikácie.
- Solenoidový ventil Scania 1334037 1488033 1423566: Tento solenoidový ventil je určený na riadenie prietoku tekutín v rôznych priemyselných a automobilových aplikáciách. Vyznačuje sa vysokou spoľahlivosťou a dlhou životnosťou.
- Scania 2802742 Senzor 2089325 1427269: Naše senzory sa používajú na detekciu rôznych fyzikálnych veličín, ako je teplota, tlak a prietok. Sú široko používané v automobilovom, priemyselnom a environmentálnom monitorovaní aplikácií.
- Spínač SCANIA 1858199 17725514: Tieto spínače sa používajú na ovládanie elektrických obvodov v rôznych aplikáciách. Sú dostupné v rôznych typoch a konfiguráciách, aby vyhovovali špecifickým potrebám našich zákazníkov.
Záver
Polovodiče zohrávajú dôležitú úlohu v modernej elektronike. Ich jedinečné elektrické vlastnosti, ako je vodivosť, štruktúra pásu a schopnosť dopovať ich, sú vhodné pre širokú škálu aplikácií. Ako dodávateľ elektrickej energie sa zaväzujeme poskytovať vysokokvalitné elektrické produkty, ktoré obsahujú polovodiče. Ak máte záujem o naše produkty alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa polovodičov, neváhajte nás kontaktovať kvôli obstarávaniu a ďalšej diskusii.
Referencie
- Neaman, DA (2002). Polovodičová fyzika a zariadenia: základné princípy. McGraw-Hill.
- Streetman, BG a Banerjee, SK (2006). Polovodičové elektronické zariadenia. Prentice Hall.
