HALBLEITER: TYPEN, ANWENDUNGEN UND BEISPIELE - DUDAS - 2025

Die Halbleiter sind Elemente, die abhängig von den äußeren Bedingungen, denen sie ausgesetzt sind, wie Temperatur, Druck, Strahlung und elektrischen oder magnetischen Feldern, die Funktion haben, selektiv leitend oder isolierend zu sein.

Im Periodensystem sind 14 Halbleiterelemente vorhanden, darunter Silizium, Germanium, Selen, Cadmium, Aluminium, Gallium, Bor, Indium und Kohlenstoff. Halbleiter sind kristalline Feststoffe mit mittlerer elektrischer Leitfähigkeit, so dass sie doppelt als Leiter und Isolator verwendet werden können.

Wenn sie als Leiter verwendet werden, erlauben sie unter bestimmten Bedingungen die Zirkulation von elektrischem Strom, jedoch nur in eine Richtung. Darüber hinaus haben sie keine so hohe Leitfähigkeit wie leitfähige Metalle.

Halbleiter werden in elektronischen Anwendungen verwendet, insbesondere zur Herstellung von Komponenten wie Transistoren, Dioden und integrierten Schaltkreisen. Sie werden auch als Zubehör oder Ergänzung für optische Sensoren wie Festkörperlaser und einige Leistungsgeräte für elektrische Energieübertragungssysteme verwendet.

Gegenwärtig wird diese Art von Element für technologische Entwicklungen in den Bereichen Telekommunikation, Steuerungssysteme und Signalverarbeitung sowohl in Haushalts- als auch in Industrieanwendungen verwendet.

Typen

Es gibt verschiedene Arten von Halbleitermaterialien, abhängig von den vorhandenen Verunreinigungen und ihrer physikalischen Reaktion auf verschiedene Umweltreize.

Eigenhalbleiter

Sie sind jene Elemente, deren Molekülstruktur aus einem einzigen Atomtyp besteht. Zu diesen Arten von intrinsischen Halbleitern gehören Silico und Germanium.

Die Molekülstruktur intrinsischer Halbleiter ist tetraedrisch; Das heißt, es hat kovalente Bindungen zwischen vier umgebenden Atomen, wie im Bild unten dargestellt.

Jedes Atom eines intrinsischen Halbleiters hat 4 Valenzelektronen; das heißt, 4 Elektronen, die in der äußersten Hülle jedes Atoms umkreisen. Jedes dieser Elektronen bildet wiederum Bindungen mit benachbarten Elektronen.

Auf diese Weise hat jedes Atom 8 Elektronen in seiner oberflächlichsten Schicht, wodurch eine feste Bindung zwischen den Elektronen und den Atomen, aus denen das Kristallgitter besteht, gebildet wird.

Aufgrund dieser Konfiguration bewegen sich Elektronen nicht leicht innerhalb der Struktur. Daher verhalten sich intrinsische Halbleiter unter Standardbedingungen wie ein Isolator.

Die Leitfähigkeit des intrinsischen Halbleiters steigt jedoch immer dann an, wenn die Temperatur steigt, da einige Valenzelektronen Wärmeenergie absorbieren und sich von den Bindungen trennen.

Diese Elektronen werden zu freien Elektronen und können, wenn sie durch eine Differenz des elektrischen Potentials richtig gelenkt werden, zum Stromfluss innerhalb des Kristallgitters beitragen.

In diesem Fall springen die freien Elektronen in das Leitungsband und gehen zum positiven Pol der Potentialquelle (z. B. einer Batterie).

Die Bewegung der Valenzelektronen induziert ein Vakuum in der Molekülstruktur, was sich in einem ähnlichen Effekt niederschlägt wie der einer positiven Ladung im System, weshalb sie als Träger positiver Ladung angesehen werden.

Dann tritt ein umgekehrter Effekt auf, da einige Elektronen vom Leitungsband zur Valenzschale fallen können und dabei Energie freisetzen, was als Rekombination bezeichnet wird.

Extrinsische Halbleiter

Sie passen sich an, indem sie Verunreinigungen in die intrinsischen Leiter aufnehmen. das heißt, durch Einbau von dreiwertigen oder fünfwertigen Elementen.

Dieser Prozess ist als Dotierung bekannt und dient dazu, die Leitfähigkeit von Materialien zu erhöhen und ihre physikalischen und elektrischen Eigenschaften zu verbessern.

Durch Ersetzen eines intrinsischen Halbleiteratoms durch ein Atom einer anderen Komponente können zwei Arten von extrinsischen Halbleitern erhalten werden, die nachstehend detailliert beschrieben werden.

Halbleiter vom P-Typ

In diesem Fall ist die Verunreinigung ein dreiwertiges Halbleiterelement; das heißt, mit drei (3) Elektronen in seiner Valenzschale.

Die aufdringlichen Elemente innerhalb der Struktur werden als Dotierungselemente bezeichnet. Beispiele für diese Elemente für Halbleiter vom P-Typ sind Bor (B), Gallium (Ga) oder Indium (In).

Ohne ein Valenzelektron zur Bildung der vier kovalenten Bindungen eines intrinsischen Halbleiters weist der Halbleiter vom P-Typ eine Lücke in der fehlenden Bindung auf.

Dies führt den Durchgang von Elektronen, die nicht zum Kristallgitter gehören, durch dieses Loch, das eine positive Ladung trägt.

Aufgrund der positiven Ladung der Bindungslücke werden diese Leitertypen mit dem Buchstaben "P" bezeichnet und folglich als Elektronenakzeptoren erkannt.

Der Elektronenfluss durch die Löcher in der Bindung erzeugt einen elektrischen Strom, der entgegengesetzt zu dem von den freien Elektronen abgeleiteten Strom zirkuliert.

Halbleiter vom Typ N.

Das aufdringliche Element in der Konfiguration ist durch fünfwertige Elemente gegeben; das heißt, diejenigen, die fünf (5) Elektronen im Valenzband haben.

In diesem Fall sind die Verunreinigungen, die in den intrinsischen Halbleiter eingebaut werden, Elemente wie Phosphor (P), Antimon (Sb) oder Arsen (As).

Dotierstoffe haben ein zusätzliches Valenzelektron, das sich ohne freie kovalente Bindung automatisch frei durch das Kristallgitter bewegen kann.

Hier zirkuliert der elektrische Strom dank des Überschusses an freien Elektronen, die vom Dotierstoff bereitgestellt werden, durch das Material. Daher werden Halbleiter vom N-Typ als Elektronendonoren betrachtet.

Eigenschaften

Halbleiter zeichnen sich durch ihre doppelte Funktionalität, Energieeffizienz, Anwendungsvielfalt und geringen Kosten aus. Die hervorstechenden Eigenschaften von Halbleitern sind nachstehend aufgeführt.

- Die Reaktion (leitend oder isolierend) kann je nach Empfindlichkeit des Elements gegenüber Beleuchtung, elektrischen Feldern und Magnetfeldern in der Umgebung variieren.

- Wenn der Halbleiter einer niedrigen Temperatur ausgesetzt wird, bleiben die Elektronen im Valenzband vereint und es entstehen daher keine freien Elektronen für die Zirkulation von elektrischem Strom.

Wenn andererseits der Halbleiter hohen Temperaturen ausgesetzt wird, kann eine thermische Schwingung die Stärke der kovalenten Bindungen der Atome des Elements beeinflussen und freie Elektronen für die elektrische Leitung zurücklassen.

- Die Leitfähigkeit von Halbleitern variiert in Abhängigkeit vom Anteil an Verunreinigungen oder Dotierungselementen innerhalb eines intrinsischen Halbleiters.

Wenn beispielsweise 10 Boratome in einer Million Siliziumatomen enthalten sind, erhöht dieses Verhältnis die Leitfähigkeit der Verbindung tausendmal im Vergleich zur Leitfähigkeit von reinem Silizium.

- Die Leitfähigkeit von Halbleitern variiert je nach Art des verwendeten chemischen Elements in einem Intervall zwischen 1 und 10 ^-6 S.cm ^-1 .

- Verbund- oder extrinsische Halbleiter können optische und elektrische Eigenschaften aufweisen, die den Eigenschaften von intrinsischen Halbleitern erheblich überlegen sind. Ein Beispiel hierfür ist Galliumarsenid (GaAs), das vorwiegend in Hochfrequenz- und anderen Anwendungen optoelektronischer Anwendungen verwendet wird.

Anwendungen

Halbleiter werden häufig als Rohstoff für die Montage elektronischer Elemente verwendet, die Teil unseres täglichen Lebens sind, wie z. B. integrierte Schaltkreise.

Eines der Hauptelemente einer integrierten Schaltung sind Transistoren. Diese Geräte erfüllen die Funktion, ein Ausgangssignal (oszillierend, verstärkt oder gleichgerichtet) gemäß einem bestimmten Eingangssignal bereitzustellen.

Darüber hinaus sind Halbleiter auch das Hauptmaterial für Dioden, die in elektronischen Schaltungen verwendet werden, damit elektrischer Strom nur in eine Richtung fließen kann.

Für das Diodendesign werden extrinsische Halbleiterübergänge vom P-Typ und N-Typ gebildet. Durch abwechselndes Elektronendonor- und Trägerelement wird ein Ausgleichsmechanismus zwischen beiden Zonen aktiviert.

Somit schneiden sich die Elektronen und Löcher in beiden Zonen und ergänzen sich bei Bedarf. Dies geschieht auf zwei Arten:

- Der Elektronentransfer von der N-Zone in die P-Zone erfolgt. Die N-Zone erhält eine überwiegend positive Ladungszone.

- Es gibt einen Durchgang von elektronentragenden Löchern von der Zone vom P-Typ zur Zone vom N-Typ. Die Zone vom P-Typ erhält eine überwiegend negative Ladung.

Schließlich wird ein elektrisches Feld gebildet, das die Zirkulation des Stroms nur in eine Richtung induziert; das heißt, von Zone N zu Zone P.

Darüber hinaus können durch die Verwendung von Kombinationen von intrinsischen und extrinsischen Halbleitern Bauelemente hergestellt werden, die ähnliche Funktionen wie eine Vakuumröhre ausführen, die das Hundertfache ihres Volumens enthält.

Diese Art der Anwendung gilt für integrierte Schaltkreise wie Mikroprozessorchips, die eine beträchtliche Menge elektrischer Energie abdecken.

Halbleiter sind in elektronischen Geräten enthalten, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, wie z. B. Geräten mit brauner Leitung wie Fernsehgeräten, Videoplayern und Tongeräten. Computer und Handys.

Beispiele

Der in der Elektronikindustrie am häufigsten verwendete Halbleiter ist Silizium (Si). Dieses Material ist in den Geräten enthalten, aus denen die integrierten Schaltkreise bestehen, die Teil unseres täglichen Lebens sind.

Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) werden in integrierten Hochgeschwindigkeitsschaltungen für Radargeräte und Verstärker von elektrischen Instrumenten wie E-Gitarren verwendet.

Ein weiteres Beispiel für einen Halbleiter ist Galliumarsenid (GaAs), das in Signalverstärkern weit verbreitet ist, insbesondere für Signale mit hoher Verstärkung und niedrigem Rauschpegel.

Verweise

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