Ημιαγωγοί &Διόδους Ημιαγωγών

Τα υλικά με ενδιάμεση αγωγιμότητα μεταξύ αγωγών (συνήθως μετάλλων) και μη αγωγών ή μονωτών αναφέρονται ως υλικά ημιαγωγών (όπως κεραμικά). Ημιαγωγοί, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου, ή καθαρά στοιχεία όπως το γερμάνιο ή το πυρίτιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ημιαγωγοί.

Για παράδειγμα, το αρσενίδιο του γαλλίου, το γερμάνιο και το πυρίτιο είναι όλοι οι τύποι ημιαγωγών υλικών. Το αρσενίδιο του γαλλίου χρησιμοποιείται σε ηλιακά κύτταρα, διόδους λέιζερ και άλλες εφαρμογές, ενώ το πυρίτιο χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.

Οι ημιαγωγοί περιέχουν οπές και ηλεκτρόνια.

Οι φορείς φορτίου στους ημιαγωγούς περιλαμβάνουν οπές και ηλεκτρόνια, τα οποία είναι υπεύθυνα για τη ροή του ρεύματος. Τα άτομα με θετικά φορτισμένους φορείς ηλεκτρικού φορτίου (ηλεκτρόνια σθένους) ονομάζονται οπές, ενώ τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Όταν μετρώνται ως προς το μέγεθος, τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι οπές είναι ίσα, αλλά οι πολικότητες τους είναι αντίθετες.

Η κινητικότητα του ηλεκτρονίου και της οπής είναι και τα δύο σημαντικά.

Είναι αλήθεια ότι τα ηλεκτρόνια έχουν μεγαλύτερη κινητικότητα σε έναν ημιαγωγό από τις οπές. Οι διαφορές τους στις δομές των ζωνών και στους μηχανισμούς σκέδασης είναι οι κύριοι λόγοι για αυτό.

Η ζώνη αγωγιμότητας είναι όπου κινούνται τα ηλεκτρόνια, ενώ η ζώνη σθένους είναι όπου κινούνται οι οπές. Λόγω της περιορισμένης κίνησής τους, οι οπές δεν μπορούν να ταξιδέψουν τόσο ελεύθερα όσο τα ηλεκτρόνια παρουσία ηλεκτρικού πεδίου. Ο σχηματισμός οπών στους ημιαγωγούς προκαλείται από την ανύψωση ηλεκτρονίων από το εσωτερικό τους στο υψηλότερο κέλυφος, το οποίο προκαλείται από ένα ηλεκτρόνιο που ανυψώνεται από το εσωτερικό τους στο υψηλότερο κέλυφος. Οι οπές έχουν μικρότερη κινητικότητα από τα ηλεκτρόνια επειδή υπόκεινται σε μεγαλύτερη ατομική δύναμη από τον πυρήνα.

Ημιαγωγοί και Θεωρία Ζώνης

Ήταν κατά τη διάρκεια της κβαντικής επανάστασης στην επιστήμη που προτάθηκε για πρώτη φορά η θεωρία των ζωνών. Ενεργειακά συγκροτήματα βρέθηκαν από τους Walter Heitler και Fritz London. Τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο, όπως όλοι γνωρίζουμε, υπάρχουν σε μια ποικιλία ενεργειακών επιπέδων σε όλο το άτομο. Ως χάσμα ζώνης ορίζεται ο χώρος μεταξύ διαδοχικών ζωνών που αντιπροσωπεύουν ένα εύρος ενεργειών που δεν περιλαμβάνουν ηλεκτρόνιο.

Οι ημιαγωγοί έχουν δύο διακριτές ζώνες:τη ζώνη αγωγιμότητας και τη ζώνη σθένους.

Ζώνη σθένους:

Είναι μια ενεργειακή ζώνη που περιλαμβάνει τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων σθένους. Η συγκεκριμένη ενεργειακή ζώνη είναι η πιο πυκνοκατοικημένη. Το διάκενο ζώνης των ημιαγωγών είναι μικρότερο σε σύγκριση με αυτό των μονωτών. Επιτρέπει στα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους να μεταβούν στη ζώνη αγωγιμότητας όταν εκτίθενται σε εξωτερική ενέργεια, επιτρέποντάς τους να άγουν ηλεκτρισμό.

Ζάντα αγωγιμότητας:

Είναι η χαμηλότερη μη κατειλημμένη ζώνη στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα που περιλαμβάνει τα επίπεδα ενέργειας των φορέων φορτίου που είναι είτε θετικά (οπές) είτε αρνητικά (ελεύθερα ηλεκτρόνια) στη φύση. Λόγω της παρουσίας αγώγιμων ηλεκτρονίων, δημιουργείται ρεύμα. Αν και έχει υψηλό επίπεδο ενέργειας, η ζώνη αγωγιμότητας είναι σχεδόν πάντα κενή στη φύση. Στους ημιαγωγούς, τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους γίνονται αποδεκτά από τη ζώνη αγωγιμότητας.

Τι είναι το επίπεδο Fermi στους Ημιαγωγούς και πώς λειτουργεί;

Μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας, υπάρχει ένα επίπεδο Fermi (που συμβολίζεται με το σύμβολο EF). Στο απόλυτο μηδέν, είναι το μοριακό τροχιακό με το μεγαλύτερο ποσοστό του κατεχόμενου ενεργειακού του επιπέδου να χρησιμοποιείται. Αυτή η κατάσταση ορίζεται από το γεγονός ότι οι φορείς φορτίου έχουν ο καθένας τη δική του κβαντική κατάσταση και δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στις περισσότερες περιπτώσεις. Οι φορείς φόρτισης θα αρχίσουν να καταλαμβάνουν καταστάσεις πάνω από το επίπεδο Fermi όταν η θερμοκρασία ανέβει πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Η πυκνότητα των κενών καταστάσεων αυξάνεται σε έναν ημιαγωγό τύπου p, υποδεικνύοντας ότι ο ημιαγωγός γίνεται πιο αγώγιμος. Έτσι, τα χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας μπορεί να φιλοξενήσουν μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων. Από την άλλη πλευρά, η πυκνότητα των καταστάσεων αυξάνεται σε έναν ημιαγωγό τύπου n, επιτρέποντας την προσαρμογή περισσότερων ηλεκτρονίων σε υψηλότερες ενέργειες.

Οι ημιαγωγοί έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά

Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να διεξαχθεί από ημιαγωγούς σε ευνοϊκό περιβάλλον ή υπό ευνοϊκές συνθήκες. Εκτός από το μοναδικό χαρακτηριστικό του, είναι ένα εξαιρετικό υλικό για την ελεγχόμενη αγωγή του ηλεκτρισμού όταν το απαιτεί η κατάσταση.

Σε αντίθεση με τους αγωγούς, οι φορείς φορτίου στους ημιαγωγούς δημιουργούνται αποκλειστικά ως αποτέλεσμα της παρουσίας εξωτερικής ενέργειας (όπως η ηλεκτρική ενέργεια) (θερμική ανάδευση). Εξαιτίας αυτού, ένας συγκεκριμένος αριθμός ηλεκτρονίων σθένους πηδά κατά μήκος του ενεργειακού χάσματος και στη ζώνη αγωγιμότητας, με αποτέλεσμα ίσο αριθμό κενών ενεργειακών καταστάσεων ή οπών στα τροχιακά των ηλεκτρονίων σθένους. Είτε τα ηλεκτρόνια είτε οι οπές προκαλούν αγωγιμότητα και και τα δύο είναι σημαντικά.

Με ποιον τρόπο η θερμοκρασία επηρεάζει την αντίσταση των ημιαγωγών;

Στους αγωγούς και τους ημιαγωγούς, η διαφορά στην ειδική αντίσταση σχετίζεται με τις διαφορετικές πυκνότητες των φορέων φορτίου στα δύο υλικά.

Λόγω της γρήγορης αύξησης του αριθμού των φορέων φορτίου που σχετίζονται με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ειδική αντίσταση των ημιαγωγών πέφτει με τη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα η κλασματική αλλαγή ή ο συντελεστής θερμοκρασίας να είναι αρνητικός.

Παραδείγματα ορισμένων σημαντικών χαρακτηριστικών των ημιαγωγών περιλαμβάνουν:

Όταν η θερμοκρασία είναι μηδέν Kelvin, ένας ημιαγωγός συμπεριφέρεται σαν μονωτήρας. Το υλικό γίνεται αγωγός όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Προκειμένου να αξιοποιηθούν οι εξαιρετικές ηλεκτρικές τους ιδιότητες, οι ημιαγωγοί μπορούν να υποστούν χειρισμό μέσω ντόπινγκ προκειμένου να παραχθούν συσκευές ημιαγωγών που είναι κατάλληλες για μετατροπή ενέργειας, διακόπτες και ενισχυτές. Μειωμένες απώλειες ηλεκτρικής ενέργειας. Οι μικροσκοπικοί και ελαφροί ημιαγωγοί είναι κατάλληλοι για πολλές εφαρμογές. Σε σύγκριση με τους αγωγούς, η αντίστασή τους είναι υψηλότερη. Ωστόσο, είναι χαμηλότερο από αυτό των μονωτικών. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αντίσταση των ημιαγωγών υλικών μειώνεται και αντίστροφα.

Ως απόκριση στην αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία προκαλείται από συγκρούσεις, ένας μικρός αριθμός ηλεκτρονίων γίνεται αδέσμευτος και ελεύθερος να κινηθεί μέσα από το πλέγμα, προκαλώντας απουσία στο σημείο όπου ήταν προηγουμένως παρόν (τρύπα). Κατά τη διάρκεια της αγωγής του ηλεκτρισμού σε έναν ημιαγωγό, αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές παίζουν ρόλο. Ο αριθμός των φορέων φορτίου τόσο στην αρνητική όσο και στη θετική κατεύθυνση είναι ίσος. Είναι δυνατός ο ιονισμός μερικών ατόμων στο πλέγμα εφαρμόζοντας θερμική ενέργεια, η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της αγωγιμότητάς τους.

Οι χρήσεις για ημιαγωγούς είναι πολλές.

Ας ρίξουμε μια ματιά στο πώς χρησιμοποιούνται οι ημιαγωγοί στην καθημερινή ζωή. Τα περισσότερα ηλεκτρονικά gadget βασίζονται σε ημιαγωγούς για τη λειτουργία τους. Οι ζωές μας θα ήταν δραστικά διαφορετικές αν δεν ήταν αυτοί!

Λόγω της αξιοπιστίας, της συμπαγούς τους, του χαμηλού κόστους και της ελεγχόμενης αγωγιμότητας του ηλεκτρισμού, είναι κατάλληλα για χρήση σε μεγάλη ποικιλία εξαρτημάτων και συσκευών για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μεγάλης ποικιλίας συσκευών, συμπεριλαμβανομένων τρανζίστορ, διόδων, φωτοαισθητήρων, μικροελεγκτών, ενσωματωμένων τσιπ και πολλών άλλων.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές σε όλη την καθημερινή ζωή.

Οι συσκευές ημιαγωγών χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αισθητήρων θερμοκρασίας.

Σε μηχανές τρισδιάστατης εκτύπωσης, χρησιμοποιούνται.

Αυτά τα στοιχεία βρίσκονται σε μικροτσίπ και αυτόνομα οχήματα.

Ο όρος βρίσκεται σε αριθμομηχανές και άλλο ηλεκτρονικό εξοπλισμό, όπως ηλιακές πλάκες, υπολογιστές και υπολογιστές.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται στην παραγωγή τρανζίστορ και MOSFET, τα οποία είναι διακόπτες σε ηλεκτρικά κυκλώματα.

Συμπέρασμα

Οι φορείς φορτίου στους ημιαγωγούς περιλαμβάνουν οπές και ηλεκτρόνια, τα οποία είναι υπεύθυνα για τη ροή του ρεύματος. Τα άτομα με θετικά φορτισμένους φορείς ηλεκτρικού φορτίου (ηλεκτρόνια σθένους) ονομάζονται οπές, ενώ τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μιας μεγάλης ποικιλίας συσκευών, συμπεριλαμβανομένων τρανζίστορ, διόδων, φωτοαισθητήρων, μικροελεγκτών, ολοκληρωμένων τσιπ και πολλών άλλων. Η ζώνη αγωγιμότητας είναι όπου κινούνται τα ηλεκτρόνια, ενώ η ζώνη σθένους είναι όπου κινούνται οι οπές. Λόγω της περιορισμένης κίνησής τους, οι οπές δεν μπορούν να ταξιδεύουν τόσο ελεύθερα όσο τα ηλεκτρόνια παρουσία ηλεκτρικού πεδίου.