Puslaidininkiai yra vienas iš svarbiausių šiuolaikinių technologijų komponentų, esančių įvairiuose įrenginiuose, kuriuos naudojame kasdieniame gyvenime – nuo išmaniųjų telefonų iki kompiuterių. Dėl savo sugebėjimo efektyviai ir ekonomiškai valdyti elektros srautą šios rūšies medžiagos per daugelį metų padarė revoliuciją pramonės šakose. Tačiau ne visi puslaidininkiai yra vienodi, ir čia atsiranda du terminai, kurie gali būti painūs tiems, kurie nėra susipažinę su šia sritimi: vidiniai ir išoriniai puslaidininkiai.
Elektronikos srityje labai svarbu žinoti skirtumą tarp šių dviejų tipų puslaidininkių, kad suprastumėte, kaip įrenginiai veikia ir kodėl tam tikros programos teikia pirmenybę vienai kitai. Šiame straipsnyje mes išsamiai išnagrinėsime abiejų tipų puslaidininkių charakteristikas ir tai, kaip jų struktūra įtakoja jų elgesį. Paruoškite savo neuronus, nes netrukus pasinersime į vieną iš medžiagų fizikos ir šiuolaikinės elektronikos ramsčių!
Kas yra vidinis puslaidininkis?
Los vidiniai puslaidininkiai Jie turi gryną struktūrą, tai reiškia, kad juose nėra jokių priemaišų, patekusių per dopingo procesą. Šio tipo puslaidininkiai yra laikomi medžiagos „pagrindine būsena“, nes jo elektrinės savybės priklauso tik nuo vidinių medžiagos savybių. Silicis (Si) ir germanis (Ge) yra labiausiai paplitę vidiniai puslaidininkiai, nes dėl jų elektroninių savybių jie idealiai tinka naudoti elektroninių prietaisų gamyboje.
Kambario temperatūroje vidiniai puslaidininkiai turi silpną elektros laidumą. Tačiau kylant temperatūrai, elektronai jų valentiniame apvalkale įgyja pakankamai energijos, kad galėtų įšokti į laidumo juostą, taip leisdami tekėti srovei. Dėl šio reiškinio vidiniai puslaidininkiai yra gana įdomios medžiagos, skirtos naudoti, kai reikalinga griežta šilumos laidumo kontrolė.
Svarbu pažymėti, kad gryname puslaidininkyje elektronų skaičius laidumo juostoje ir skylių skaičius valentinėje juostoje yra vienodas. Dėl to susidaro puiki pusiausvyra tarp abiejų krūvininkų, o tai rodo, kad laidumas vidinėje medžiagoje yra labai švarus ir tvarkingas reiškinys.
Kas yra išorinis puslaidininkis?
Priešingai nei vidinis puslaidininkis, išoriniai puslaidininkiai Tai tie, kurie buvo legiruoti priemaišomis, kad pagerintų jų vairavimo įgūdžius. Šios priemaišos paprastai gaunamos iš trivalenčių (pvz., aliuminio) arba penkiavalenčių (pvz., fosforo) elementų, o pridėjus kontroliuojamą kiekį jos pakeičia bazinio puslaidininkio elektronines savybes. Šis dopingas sukuria elektronų persotinimą (N tipo puslaidininkiai) arba skylių persotinimą (P tipo puslaidininkiai).
N tipo puslaidininkiai yra tie, kuriuose medžiaga buvo legiruota elementais, turinčiais daugiau elektronų, nei puslaidininkiui reikia kovalentiniams ryšiams. Šis elektronų perteklius gali laisvai judėti, o tai žymiai padidina medžiagos laidumą. Fosforas, stibis ir arsenas yra įprasti priedų, naudojamų N tipo puslaidininkiams gaminti, pavyzdžiai.
Kita vertus, P tipo puslaidininkiai yra tie, kuriuose medžiaga yra legiruota elementais, kuriuose yra mažiau elektronų kovalentiniams ryšiams sudaryti, todėl susidaro skylės. Šios skylės elgiasi kaip mobilieji teigiami krūviai, leidžiantys srovei praeiti. Boras, galis ir indis yra priemaišų elementų, naudojamų kuriant P tipo puslaidininkius, pavyzdžiai.
Vidinių ir išorinių puslaidininkių palyginimas
Tiek vidiniai, tiek išoriniai puslaidininkiai atlieka pagrindinį vaidmenį elektronikoje, tačiau skiriasi jų cheminė sudėtis ir jų elgesys tam tikromis sąlygomis. Toliau mes atliksime išsamų pagrindinių abiejų tipų puslaidininkių charakteristikų palyginimą:
- Medžiagos grynumas: Vidiniai puslaidininkiai yra visiškai gryni, o išoriniai puslaidininkiai buvo legiruoti priemaišomis, siekiant pagerinti jų laidumą.
- Elektros laidumas: Vidiniai puslaidininkiai turi daug mažesnį laidumą, palyginti su išoriniais. Savitasis laidumas priklauso tik nuo temperatūros svyravimų.
- Krovinių vežėjai: Vidiniuose puslaidininkiuose elektronų skaičius ir skylių skaičius yra lygūs. Išoriniuose puslaidininkiuose šis paritetas nutrūksta dėl dopingo, todėl susidaro elektronų perteklius (N tipo) arba skylės (P tipo).
- Technologijos ir programos: Išoriniai puslaidininkiai yra naudingesni praktiniam naudojimui dėl didesnio jų gebėjimo praleisti elektrą. Jie yra beveik visos šiuolaikinės elektronikos, įskaitant tranzistorius ir diodus, pagrindas.
P tipo ir N tipo puslaidininkiai
Iš dviejų pagrindinių išorinių puslaidininkių tipų yra N tipo puslaidininkis yra daugiau laisvųjų elektronų, tuo tarpu P tipo puslaidininkis Turi daugiau skylių. Elektronai N tipo puslaidininkiuose veikia kaip pagrindinės įkrautos dalelės, laidančios elektrą, o P tipo puslaidininkiuose skylės (teigiamai įkrautos dalelės) įgalina elektros srovę.
Vienas iš svarbiausių skirtumų tarp abiejų tipų yra jų elgesys prijungus prie išorinio maitinimo šaltinio. Kai tarp dviejų regionų taikomas potencialų skirtumas (PN), mes žinome kaip PN sankryža, struktūra, labai svarbi prietaisų, tokių kaip diodai, veikimui. Kai sandūra yra „poliarizuota“ viena kryptimi, ji leidžia praeiti srovei; Jei poliškumas yra atvirkštinis, jis veikia kaip izoliatorius.
Dopingo svarba išoriniuose puslaidininkiuose
Išoriniuose puslaidininkiuose dopingo procesas įneša į puslaidininkių kristalą priemaišų, kad pakeistų natūralią pusiausvyrą ir padidintų laidumo pajėgumą. N tipo puslaidininkiams sukurti naudojami priedai su penkiais valentiniais elektronais, o P tipo puslaidininkiams pagrindinė medžiaga legiruojama elementais, turinčiais tik tris valentinius elektronus. Šis procesas tiesiogiai veikia medžiagos elektrines savybes, pagerindamas jos efektyvumą tais atvejais, kai būtina tiksliai valdyti srovę.
Šis dopingas naudojamas įvairiais būdais, pvz., Bipolinių tranzistorių ir integrinių grandynų kūrimas, be kitų esminių šiuolaikinės elektronikos komponentų.
Išorinių ir vidinių puslaidininkių taikymas
Dėl mažo laidumo vidiniai puslaidininkiai pritaikomi ribotai. Tačiau jie naudingi aplinkoje, kur reikia tiksliai reaguoti į temperatūros pokyčius, pavyzdžiui, temperatūros jutikliuose. Savo ruožtu išoriniai puslaidininkiai dėl geresnių laidumo galimybių yra naudojami įvairiausiuose elektroniniuose įrenginiuose – nuo tranzistorių iki diodų ir integrinių grandynų.
Pavyzdžiui, mikroprocesoriuose išorinių N tipo ir P tipo puslaidininkių laidžiosios ir nelaidžiosios būsenos perjungimas leidžia kompiuteriams atlikti logines operacijas, efektyviai saugoti ir apdoroti informaciją.
Verta paminėti, kad puslaidininkių sritis toliau vystosi, o pastaruoju metu tobulėjant puslaidininkinėms medžiagoms, tokioms kaip silicio karbidas (SiC) ir galio arsenidas (GaAs), kuriami vis greitesni ir efektyvesni įrenginiai.
Inžinieriams ir mokslininkams suprasti skirtumus tarp vidinių ir išorinių puslaidininkių yra būtina ne tik norint sukurti efektyvesnius įrenginius, bet ir tobulinti esamas technologijas.