Półprzewodniki i ich zastosowanie

Półprzewodniki są to substancje zachowujące się w pewnych warunkach tak jak dielektryk, czyli przedmiot nie przewodzący prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, a w pewnym zakresie półprzewodnik staje się przewodnikiem, czyli posiada małą oporność i wolne elektrony, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego. Istota przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego. Ważną cechą półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia zależy od wielu czynników, w tym głównie od zawartości domieszek i temperatury. Typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, lub antymonek galu które w czystej postaci nie przewodzą prądu. Wszystkie półmetale są półprzewodnikami. Mechanizm przepływu prądu przez półprzewodnik zostanie przedstawiony na przykładzie kryształu germanu. Jest to pierwiastek czterowartościowy, jego atomy zawierają na swoich zewnętrznych orbitach po cztery elektrony. W krysztale germanu każdy atom jest związany w przestrzennej siatce krystalicznej z czterema jednakowo oddalonymi atomami. Takie wiązanie nazywa się wiązaniem kowalencyjnym, a elektrony- elektronami walencyjnymi. W krysztale czystego germanu, w temperaturze zbliżonej do zera bezwzględnego wszystkie elektrony walencyjne biorą udział w wiązaniach międzyatomowych. Oznacza to, że w krysztale tym nie ma elektronów swobodnych i umieszczenie go w polu elektrycznym nie spowoduje przepływu prądu. Wraz ze wzrostem temperatury kryształu energia cieplna jest magazynowana przede wszystkim w postaci energii drgań atomów. Część elektronów walencyjnych otrzymuje energię dostateczną do przezwyciężenia sił powiązań z atomami. W rezultacie pojawiają się elektrony swobodne, a w miejscach zwolnionych przez elektrony- tzw. dziury. Elektrony swobodne są ładunkami ujemnymi, a dziury zachowują się jak ładunki dodatnie. W krysztale czystego pierwiastka liczba elektronów swobodnych jest zawsze równa liczbie dziur. Z chwilą umieszczenia rozpatrywanego kryształu w polu elektrycznym następuje uporządkowany ruch elektronów i pozorny ruch dziur, przy czym kierunek ruchu dziur jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów. Prąd jest więc spowodowany zarówno ruchem elektronów, jak i dziur. Ma on jednak bardzo małą wartość, gdyż elektrony swobodne stanowią niewielką część elektronów walencyjnych. Ważną cechą półprzewodników jest to, że nośniki ładunków elektrycznych w sieci krystalicznej mogą się przemieszczać nie tylko pod wpływem pola elektrycznego, ale także pod wpływem cieplnych drgań sieci krystalicznej. Przemieszczając się w ten sposób z jednego obszaru (gdzie jest ich dużo ) do drugiego obszaru (gdzie jest ich mało ) tworzą prąd dyfuzyjny. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego. Półprzewodniki dzielą się na domieszkowe i samoistne.
Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe - negative (występuje tu przewodnictwo elektronowe). Taką warstwę uzyskuje się poprzez dodanie do krzemu lub germanu niewielkiej ilości pierwiastka pięciowartościowego (donoru) np.: arsenu. Wtedy w skutek wiązań pojawiają się wolne elektrony. Drugi typ półprzewodników jest oznaczany jako p - inaczej niedomiarowy - positive (przewodnictwo dziurowe). Aby uzyskać taką warstwę należy do germanu lub krzemu dodać pierwiastka trójwartościowego (akceptoru) np.: glinu. Taki układ spowoduje powstanie tzw. dziur elektronowych czyli takich miejsc w których brakuje elektronów.
Z połączenia warstw n i p powstał najpopularniejszy półprzewodnik na świecie zwany potocznie diodą, który wyparł przestarzałe, duże i szybko zużywające się lampy elektronowe. Od tego czasu nastąpił szybko postępujący rozwój elektroniki, która jest w dzisiejszych czasach wszechobecna, a nie mogła by istnieć bez warstw n i p.
Najpopularniejsze przyrządy oparte na półprzewodnikach:
1) Dioda półprzewodnikowa
Jest to element elektroniczny wykorzystujący właściwości złącza p-n. Gdy biegun dodatni źródła prądu połączymy z warstwą p, a ujemny z warstwą n, wówczas obniży się bariera potencjału co umożliwi dyfuzję elektronów z obszaru n do obszaru p. Taki układ nazywamy polaryzacją w kierunku przewodzenia. Jeżeli zmienimy biegunowość źródła prądu to dioda przejdzie w stan zaporowy tzn. praktycznie nie będzie przewodziła prądu w odwrotnym kierunku. Szczególnym rodzajem diody jest dioda zenera. Drastycznie zmienia swoją oporność po przekroczeniu pewnej wartości napięcia np.: 12V. Diody znalazły szczególne zastosowanie w układach prostujących służących do zmiany prądu przemiennego w stały.
2) Tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne. Składa się on z trzech warstw i dwóch złącz. Całość jest umieszczona w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami. Wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje tranzystorów typu n-p-n i p-n-p. W tranzystorach n-p-n pierwszy z obszarów n połączony jest ze stykiem nazywanym emiterem (w bezpośrednim sąsiedztwie styku znajduje się duża koncentracja domieszek), obszar p z tzw. bazą, a drugi obszar n z tzw. kolektorem. Działanie tranzystora polega na tym, że prąd płynący z emitera do kolektora sterowany jest przez prąd bazy.
Tyrystor przewodzi prąd tylko w jednym kierunku od anody do katody. Jeżeli wartość prądu spadnie do wartości bliskiej zeru lub gdy zmieni się kierunek prądu to tyrystor przechodzi w stan zaporowy. Aby tyrystor zaczął przewodzić tona anodzie powinien pojawić się biegun dodatni oraz impuls dodatni na bramkę.
Tyrystor inaczej jest nazywany diodą sterowaną. Stosowany jest w urządzeniach sterujących, regulatorach obrotów i regulatorach poboru mocy. Podłączony do prądu przemiennego przepuszcza prąd połowy sinusoidy i blokuje się przy zmianie kierunku prądu. Regulując moment impulsu na bramkę możemy wykorzystywać całą lub tylko część energii. Oprócz tyrystorów klasycznych buduje się również tyrystory symetryczne typu TRIAC, które zastępują dwa tyrystory i umożliwiają prostowanie dwópołówkowe. Tyrystor jest prostownikiem jednopołówkowym. Jego praktyczne znaczenie można zobaczyć w ściemniaczach światła, zmienia jego natężenie bez dodatkowych strat energii.
4) Fotodioda półprzewodnikowa jest to półprzewodnik spolaryzowany w kierunku zaporowym, w której pod wpływem natężenia oświetlenia padającego przez mały otwór w obudowie zmienia się prąd wsteczny i fotodioda zaczyna wytwarzać napięcie. Moc tego ogniwa jest jednak niewielka i główne zastosowanie znalazła ona w układach pomiarowych fotometrycznych.
5) Termistor jest to opornik półprzewodnikowy którego oporność zależy w głównym stopniu od temperatury. Półprzewodnik ten jest stosowany głównie jako czujnik temperatury, np.: w elektronicznych przyrządach pomiarowych, które można spotkać w samochodach, pralkach bądź piekarnikach.
6) Układ scalony jest to również jeden z rodzaju półprzewodników. Jest zminiaturyzowanym zespołem bardzo wielu tranzystorów, diod rezystorów. Może być wykonany z jednego kryształu półprzewodnika lub naniesiony warstwowo na izolujące podłoże.