Elettronica di base - Semiconduttori
UN semiconductorè una sostanza la cui resistività si trova tra i conduttori e gli isolanti. La proprietà della resistività non è l'unica che decide un materiale come semiconduttore, ma ha poche proprietà come segue.
I semiconduttori hanno una resistività inferiore a quella degli isolanti e maggiore dei conduttori.
I semiconduttori hanno un coefficiente di temperatura negativo. La resistenza nei semiconduttori, aumenta con il diminuire della temperatura e viceversa.
Le proprietà conduttive di un semiconduttore cambiano quando viene aggiunta un'adeguata impurità metallica, che è una proprietà molto importante.
I dispositivi a semiconduttore sono ampiamente utilizzati nel campo dell'elettronica. Il transistor ha sostituito gli ingombranti tubi a vuoto, da cui sono diminuite le dimensioni e il costo dei dispositivi e questa rivoluzione ha continuato ad aumentare il suo ritmo portando a nuove invenzioni come l'elettronica integrata. La figura seguente mostra la classificazione dei semiconduttori.
Conduzione nei semiconduttori
Dopo aver acquisito una certa conoscenza degli elettroni, siamo venuti a sapere che il guscio più esterno ha l'estensione valence electronsche sono vagamente attaccati al nucleo. Un tale atomo, avendo elettroni di valenza quando avvicinato all'altro atomo, gli elettroni di valenza di entrambi questi atomi si combinano per formare "Electron pairs". Questo legame non è così forte e quindi è unCovalent bond.
Ad esempio, un atomo di germanio ha 32 elettroni. 2 elettroni nella prima orbita, 8 nella seconda orbita, 18 nella terza orbita, mentre 4 nell'ultima orbita. Questi 4 elettroni sono elettroni di valenza dell'atomo di germanio. Questi elettroni tendono a combinarsi con gli elettroni di valenza di atomi adiacenti, per formare le coppie di elettroni, come mostrato nella figura seguente.
Creazione di Hole
A causa dell'energia termica fornita al cristallo, alcuni elettroni tendono a spostarsi fuori dal loro posto e rompere i legami covalenti. Questi legami covalenti rotti, producono elettroni liberi che vagano in modo casuale. Ma ilmoved away electrons crea uno spazio vuoto o valenza dietro, che è chiamato come a hole.
Questo buco che rappresenta un elettrone mancante può essere considerato come una carica positiva unitaria mentre l'elettrone è considerato come una carica negativa unitaria. Gli elettroni liberati si muovono in modo casuale, ma quando viene applicato un campo elettrico esterno, questi elettroni si muovono in direzione opposta al campo applicato. Ma i buchi creati a causa dell'assenza di elettroni, si muovono nella direzione del campo applicato.
Corrente del foro
Si è già capito che quando si rompe un legame covalente, si crea un buco. In realtà, c'è una forte tendenza dei cristalli semiconduttori a formare un legame covalente. Quindi, un buco non tende ad esistere in un cristallo. Questo può essere meglio compreso dalla figura seguente, che mostra un reticolo cristallino semiconduttore.
Un elettrone, quando viene spostato da un punto A, si forma un buco. A causa della tendenza alla formazione del legame covalente, un elettrone da B viene spostato ad A. Ora, di nuovo per bilanciare il legame covalente in B, un elettrone viene spostato da C a B. Questo continua a costruire un percorso. Questo movimento del buco in assenza di un campo applicato è casuale. Ma quando viene applicato il campo elettrico, il foro si sposta lungo il campo applicato, che costituisce ilhole current. Questa è chiamata corrente di lacuna ma non corrente di elettroni perché il movimento delle lacune contribuisce al flusso di corrente.
Elettroni e buchi mentre sono in movimento casuale, possono incontrarsi tra loro, per formare coppie. Questa ricombinazione provoca il rilascio di calore, che rompe un altro legame covalente. Quando la temperatura aumenta, la velocità di generazione di elettroni e lacune aumenta, quindi aumenta la velocità di ricombinazione, il che si traduce in un aumento della densità di elettroni e lacune. Di conseguenza, la conduttività del semiconduttore aumenta e la resistività diminuisce, il che significa il coefficiente di temperatura negativo.
Semiconduttori intrinseci
Si dice che un semiconduttore nella sua forma estremamente pura sia un intrinsic semiconductor. Le proprietà di questo semiconduttore puro sono le seguenti:
- Gli elettroni e le lacune sono creati esclusivamente dall'eccitazione termica.
- Il numero di elettroni liberi è uguale al numero di buchi.
- La capacità di conduzione è piccola a temperatura ambiente.
Per aumentare la capacità di conduzione del semiconduttore intrinseco, è meglio aggiungere alcune impurità. Questo processo di aggiunta di impurità è chiamato comeDoping. Ora, questo semiconduttore intrinseco drogato è chiamato semiconduttore estrinseco.
Doping
Il processo di aggiunta di impurità ai materiali semiconduttori è definito drogaggio. Le impurità aggiunte sono generalmente impurità pentavalenti e trivalenti.
Pentavalent Impurities
Il pentavalentle impurità sono quelle che hanno cinque elettroni di valenza nell'orbita più esterna. Esempio: bismuto, antimonio, arsenico, fosforo
L'atomo pentavalente è chiamato come a donor atom perché dona un elettrone alla banda di conduzione dell'atomo di semiconduttore puro.
Trivalent Impurities
Il trivalentle impurità sono quelle che hanno tre elettroni di valenza nell'orbita più esterna. Esempio: gallio, indio, alluminio, boro
L'atomo trivalente è chiamato come un acceptor atom perché accetta un elettrone dall'atomo semiconduttore.
Semiconduttore estrinseco
Un semiconduttore impuro, che è formato drogando un semiconduttore puro è chiamato come un extrinsic semiconductor. Esistono due tipi di semiconduttori estrinseci a seconda del tipo di impurità aggiunta. Sono semiconduttori estrinseci di tipo N e semiconduttori estrinseci di tipo P.
Semiconduttore estrinseco di tipo N.
Una piccola quantità di impurità pentavalente viene aggiunta a un semiconduttore puro per ottenere un semiconduttore estrinseco di tipo N. L'impurità aggiunta ha 5 elettroni di valenza.
Ad esempio, se l'atomo di arsenico viene aggiunto all'atomo di germanio, quattro degli elettroni di valenza si attaccano agli atomi di Ge mentre un elettrone rimane come elettrone libero. Questo è come mostrato nella figura seguente.
Tutti questi elettroni liberi costituiscono la corrente elettronica. Quindi, l'impurità, quando aggiunta al semiconduttore puro, fornisce elettroni per la conduzione.
Nel semiconduttore estrinseco di tipo N, poiché la conduzione avviene attraverso gli elettroni, gli elettroni sono portatori di maggioranza e le lacune sono portatori di minoranza.
Poiché non vi è alcuna aggiunta di cariche positive o negative, gli elettroni sono elettricamente neutri.
Quando un campo elettrico viene applicato a un semiconduttore di tipo N, a cui viene aggiunta un'impurità pentavalente, gli elettroni liberi viaggiano verso l'elettrodo positivo. Questo è chiamato conducibilità negativa o di tipo N.
Semiconduttore estrinseco di tipo P.
Una piccola quantità di impurità trivalente viene aggiunta a un semiconduttore puro per ottenere un semiconduttore estrinseco di tipo P. L'impurità aggiunta ha 3 elettroni di valenza. Ad esempio, se l'atomo di boro viene aggiunto all'atomo di germanio, tre degli elettroni di valenza si attaccano agli atomi di Ge, per formare tre legami covalenti. Ma un altro elettrone nel germanio rimane senza formare alcun legame. Poiché nel boro non rimane alcun elettrone per formare un legame covalente, lo spazio viene trattato come un buco. Questo è come mostrato nella figura seguente.
L'impurità del boro, quando aggiunta in una piccola quantità, fornisce una serie di fori che aiutano nella conduzione. Tutti questi buchi costituiscono la corrente del foro.
Nel semiconduttore estrinseco di tipo P, poiché la conduzione avviene attraverso i fori, i fori sono portatori di maggioranza mentre gli elettroni sono portatori di minoranza.
L'impurità aggiunta qui fornisce buchi che sono chiamati come acceptors, perché accettano elettroni dagli atomi di germanio.
Poiché il numero di fori mobili rimane uguale al numero di accettori, il semiconduttore Ptype rimane elettricamente neutro.
Quando un campo elettrico viene applicato a un semiconduttore di tipo P, a cui viene aggiunta un'impurità trivalente, i fori viaggiano verso l'elettrodo negativo, ma con un ritmo lento rispetto agli elettroni. Questo è chiamato conducibilità di tipo P.
In questa conduttività di tipo P, gli elettroni di valenza si spostano da un legame covalente a un altro, a differenza del tipo N.
Perché il silicio è preferito nei semiconduttori?
Tra i materiali semiconduttori come germanio e silicio, il materiale ampiamente utilizzato per la produzione di vari componenti elettronici è Silicon (Si). Il silicio è preferito al germanio per molte ragioni come:
Il gap di banda energetica è 0,7ev, mentre è 0,2ev per il germanio.
La generazione della coppia termica è minore.
La formazione dello strato di SiO2 è facile per il silicio, che aiuta nella produzione di molti componenti insieme alla tecnologia di integrazione.
Si trova facilmente in natura rispetto a Ge.
Il rumore è minore nei componenti costituiti da Si rispetto a Ge.
Pertanto, il silicio viene utilizzato nella produzione di molti componenti elettronici, che vengono utilizzati per realizzare circuiti diversi per vari scopi. Questi componenti hanno proprietà individuali e usi particolari.
I principali componenti elettronici includono: resistori, resistori variabili, condensatori, condensatori variabili, induttori, diodi, diodi tunnel, diodi varactor, transistor, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, LED, celle solari, termistore, varistore, trasformatore, interruttori , relè, ecc.