Puolijohteet ovat yksi tämän päivän tekniikan tärkeimmistä osista, ja niitä on monenlaisissa laitteissa, joita käytämme jokapäiväisessä elämässämme älypuhelimista tietokoneisiin. Tämäntyyppiset materiaalit ovat mullistaneet teollisuuden vuosien varrella, koska ne pystyvät hallitsemaan sähkövirtaa tehokkaasti ja taloudellisesti. Kaikki puolijohteet eivät kuitenkaan ole samoja, ja tässä näkyy kaksi termiä, jotka voivat olla hämmentäviä niille, jotka eivät tunne tätä alaa: sisäiset ja ulkoiset puolijohteet.
Elektroniikan alalla näiden kahden puolijohdetyypin välisen eron tunteminen on ratkaisevan tärkeää laitteiden toiminnan ymmärtämiseksi ja miksi tietyt sovellukset suosivat toisiaan. Tässä artikkelissa erittelemme perusteellisesti molempien puolijohdetyyppien ominaisuudet ja kuinka niiden rakenne vaikuttaa niiden käyttäytymiseen. Valmistele hermosolusi, koska olemme sukellustamassa yhteen materiaalifysiikan ja modernin elektroniikan pilareista!
Mikä on sisäinen puolijohde?
Los sisäiset puolijohteet Niillä on puhdas rakenne, mikä tarkoittaa, että ne eivät sisällä epäpuhtauksia, joita on joutunut dopingprosessin kautta. Tämän tyyppistä puolijohdetta pidetään materiaalin "perustilana", koska sen sähköiset ominaisuudet riippuvat yksinomaan materiaalin sisäisistä ominaisuuksista. Pii (Si) ja germanium (Ge) ovat yleisimpiä sisäisiä puolijohteita, koska niiden elektroniset ominaisuudet tekevät niistä ihanteellisia käytettäväksi elektronisten laitteiden valmistuksessa.
Huoneenlämmössä sisäisillä puolijohteilla on heikko sähkönjohtavuus. Lämpötilan noustessa valenssikuorensa elektronit saavat kuitenkin tarpeeksi energiaa hypätäkseen johtavuuskaistalle, jolloin virta pääsee kulkemaan. Tämä ilmiö tekee sisäisistä puolijohteista varsin mielenkiintoisia materiaaleja sovelluksiin, joissa vaaditaan tiukkaa lämmönjohtavuuden hallintaa.
On tärkeää huomata, että puhtaassa puolijohteessa elektronien määrä johtavuuskaistalla ja reikien määrä valenssikaistalla on sama. Tämä johtaa täydelliseen tasapainoon molempien varauksenkuljettajien välillä, mikä viittaa siihen, että johtavuus luontaisessa materiaalissa on erittäin puhdas ja säännöllinen ilmiö.
Mikä on ulkoinen puolijohde?
Toisin kuin sisäinen puolijohde, ulkoiset puolijohteet Ne ovat niitä, jotka on seostettu epäpuhtauksilla ajokyvyn parantamiseksi. Nämä epäpuhtaudet tulevat tyypillisesti kolmiarvoisista (kuten alumiini) tai viisiarvoisista (kuten fosfori) alkuaineista, ja kun niitä lisätään kontrolloituina määrinä, ne muuttavat peruspuolijohteen elektronisia ominaisuuksia. Tämä seostus saa aikaan elektronien ylikyllästyksen (N-tyypin puolijohteet) tai aukkojen ylikyllästyksen (P-tyypin puolijohteet).
N-tyypin puolijohteet ovat sellaisia, joissa materiaali on seostettu elementeillä, joissa on enemmän elektroneja kuin puolijohde tarvitsee kovalenttisia sidoksia varten. Tämä ylimääräinen elektroni pääsee liikkumaan vapaasti, mikä lisää huomattavasti materiaalin johtavuutta. Fosfori, antimoni ja arseeni ovat yleisiä esimerkkejä lisäaineista, joita käytetään N-tyypin puolijohteiden valmistukseen.
Toisaalta P-tyyppiset puolijohteet ovat sellaisia, joissa materiaali on seostettu elementeillä, joilla on vähemmän elektroneja käytettävissä kovalenttisten sidosten muodostamiseksi, mikä synnyttää reikien muodostumista. Nämä reiät käyttäytyvät kuin liikkuvat positiiviset varaukset, jotka päästävät virran kulkemaan läpi. Boori, gallium ja indium ovat esimerkkejä lisäaineelementeistä, joita käytetään P-tyypin puolijohteiden luomiseen.
Sisäisten ja ulkoisten puolijohteiden vertailu
Sekä sisäisillä että ulkoisilla puolijohteilla on keskeinen rooli elektroniikassa, mutta niiden erot ovat niiden kemiallisessa koostumuksessa ja niiden käyttäytymisessä tietyissä olosuhteissa. Seuraavaksi aiomme tehdä kattavan vertailun molempien puolijohdetyyppien tärkeimmistä ominaisuuksista:
- Materiaalin puhtaus: Sisäiset puolijohteet ovat täysin puhtaita, kun taas ulkoiset puolijohteet on seostettu epäpuhtauksilla niiden johtavuuden parantamiseksi.
- Sähkönjohtavuus: Sisäisillä puolijohteilla on paljon pienempi johtavuus verrattuna ulkoisiin puolijohteisiin. Sisäinen johtavuus riippuu vain lämpötilan vaihteluista.
- Taakkatelineet: Sisäisissä puolijohteissa elektronien määrä ja reikien määrä ovat yhtä suuret. Ulkoisissa puolijohteissa tämä pariteetti katkeaa dopingin vuoksi, mikä johtaa ylimääräisiin elektroneihin (N-tyyppi) tai reikiin (P-tyyppi).
- Tekniikka ja sovellukset: Ulkopuoliset puolijohteet ovat hyödyllisempiä käytännön sovelluksissa, koska niillä on suurempi kyky johtaa sähköä. Ne ovat käytännöllisesti katsoen kaiken nykyaikaisen elektroniikan perusta, mukaan lukien transistorit ja diodit.
P-tyypin ja N-tyypin puolijohteet
Ulkoisten puolijohteiden kahdesta päätyypistä on N-tyyppinen puolijohde sisältää enemmän vapaita elektroneja, kun taas P-tyyppinen puolijohde Siinä on enemmän reikiä. N-tyypin puolijohteiden elektronit toimivat tärkeimpinä varautuneina hiukkasina johtavana sähköä, kun taas P-tyypin puolijohteissa reiät (positiivisesti varautuneet hiukkaset) mahdollistavat sähkövirran.
Yksi tärkeimmistä eroista molempien tyyppien välillä on tapa, jolla ne käyttäytyvät, kun ne on liitetty ulkoiseen virtalähteeseen. Kun potentiaalieroa sovelletaan kahden alueen (PN) välillä, mitä tunnemme nimellä PN-liitos, rakenne, joka on ratkaiseva laitteiden, kuten diodien, toiminnan kannalta. Kun liitos on "polarisoitu" yhteen suuntaan, se sallii virran kulkea; Jos napaisuus on käänteinen, se toimii eristeenä.
Dopingin merkitys ulkoisissa puolijohteissa
Ulkoisissa puolijohteissa dopingprosessi lisää epäpuhtauksia puolijohdekiteeseen, mikä muuttaa sen luonnollista tasapainoa ja lisää sen johtavuuskapasiteettia. N-tyypin puolijohteiden luomiseen käytetään seostusaineita, joissa on viisi valenssielektronia, kun taas P-tyypin puolijohteiden perusmateriaali seostetaan elementeillä, joissa on vain kolme valenssielektronia. Tämä prosessi vaikuttaa suoraan materiaalin sähköisiin ominaisuuksiin ja parantaa sen tehokkuutta sovelluksissa, joissa virran tarkka säätö on välttämätöntä.
Tätä dopingia käytetään monenlaisiin käyttötarkoituksiin, kuten bipolaaristen transistorien ja integroitujen piirien luomiseen muiden nykyaikaisen elektroniikan olennaisten komponenttien joukossa.
Ulkoisten ja sisäisten puolijohteiden sovellukset
Sisäisillä puolijohteilla on rajalliset sovellukset niiden alhaisen johtavuuden vuoksi. Ne ovat kuitenkin hyödyllisiä ympäristöissä, joissa vaaditaan tarkkaa reagointia lämpötilan muutoksiin, kuten lämpötila-antureissa. Ulkoisia puolijohteita puolestaan käytetään niiden parempien johtavuusominaisuuksien vuoksi monissa erilaisissa elektronisissa laitteissa transistoreista diodeihin ja integroituihin piireihin.
Esimerkiksi mikroprosessoreissa kyky vaihtaa ulkoisten N-tyypin ja P-tyypin puolijohteiden johtavan ja ei-johtavan tilan välillä antaa tietokoneille mahdollisuuden suorittaa loogisia operaatioita, tallentaa ja käsitellä tietoa tehokkaasti.
On syytä mainita, että puolijohteiden ala kehittyy edelleen, ja puolijohdemateriaalien, kuten piikarbidin (SiC) ja galliumarsenidin (GaAs) viimeaikaisten edistysten myötä kehitetään yhä nopeampia ja tehokkaampia laitteita.
Insinööreille ja tutkijoille sisäisten ja ulkoisten puolijohteiden välisten erojen ymmärtäminen on välttämätöntä tehokkaampien laitteiden suunnittelun lisäksi myös olemassa olevien tekniikoiden parantamiseksi.