Polovodiče jsou jednou z nejdůležitějších součástí dnešní technologie, která je přítomna v široké škále zařízení, která používáme v našem každodenním životě, od chytrých telefonů po počítače. Tento typ materiálu způsobil v průběhu let revoluci v průmyslu díky své schopnosti řídit tok elektřiny efektivně a ekonomicky. Ne všechny polovodiče jsou však stejné a právě zde se objevují dva termíny, které mohou být matoucí pro ty, kteří nejsou obeznámeni s tímto oborem: vnitřní a vnější polovodiče.
V oblasti elektroniky je znalost rozdílu mezi těmito dvěma typy polovodičů zásadní pro pochopení toho, jak zařízení fungují a proč některé aplikace preferují jeden před druhým. V tomto článku důkladně rozebereme vlastnosti obou typů polovodičů a to, jak jejich struktura ovlivňuje jejich chování. Připravte své neurony, protože se chystáme ponořit do jednoho z pilířů fyziky materiálů a moderní elektroniky!
Co je to vlastní polovodič?
L vlastní polovodiče Mají čistou strukturu, což znamená, že neobsahují žádné nečistoty vnesené dopingovým procesem. Tento typ polovodiče je považován za „základní stav“ materiálu, protože jeho elektrické vlastnosti závisí výhradně na vnitřních vlastnostech materiálu. Křemík (Si) a germanium (Ge) jsou nejběžnější vlastní polovodiče, protože jejich elektronické vlastnosti je činí ideálními pro použití při výrobě elektronických zařízení.
Při pokojové teplotě mají vlastní polovodiče slabou elektrickou vodivost. Se zvyšující se teplotou však elektrony ve svém valenčním obalu získávají dostatek energie, aby přeskočily do vodivostního pásma a umožnily tak proudění. Tento jev dělá z vnitřních polovodičů docela zajímavé materiály pro aplikace, kde je vyžadována přísná kontrola vodivosti teplem.
Je důležité si uvědomit, že v čistém polovodiči je počet elektronů ve vodivém pásmu a počet děr ve valenčním pásmu stejný. To vede k dokonalé rovnováze mezi oběma nosiči náboje, což naznačuje, že vodivost ve vnitřním materiálu je velmi čistý a uspořádaný jev.
Co je to vnější polovodič?
Na rozdíl od vlastního polovodiče, vnější polovodiče Jsou to ty, které byly dopovány nečistotami pro zlepšení jejich jízdních schopností. Tyto nečistoty typicky pocházejí z trojmocných (jako je hliník) nebo pětimocných (jako je fosfor) prvků, a když jsou přidány v kontrolovaných množstvích, mění elektronické vlastnosti základního polovodiče. Toto dopování vytváří elektronové přesycení (polovodiče typu N) nebo děrové přesycení (polovodiče typu P).
Polovodiče typu N jsou takové, ve kterých byl materiál dotován prvky, které mají více elektronů, než polovodič potřebuje pro své kovalentní vazby. Tento přebytečný elektron se může volně pohybovat, což značně zvyšuje vodivost materiálu. Fosfor, antimon a arsen jsou běžné příklady dopantů používaných k výrobě polovodičů typu N.
Na druhou stranu polovodiče typu P jsou takové, kde je materiál dotován prvky, které mají k dispozici méně elektronů pro vytvoření kovalentních vazeb, což generuje tvorbu děr. Tyto díry se chovají jako mobilní kladné náboje, které umožňují průchod proudu. Bór, gallium a indium jsou příklady dotovacích prvků používaných k vytvoření polovodičů typu P.
Srovnání vnitřních a vnějších polovodičů
Vnitřní i vnější polovodiče hrají v elektronice zásadní roli, ale jejich rozdíly spočívají v jejich chemickém složení a v tom, jak se chovají za určitých podmínek. Dále provedeme vyčerpávající srovnání klíčových charakteristik mezi oběma typy polovodičů:
- Čistota materiálu: Vnitřní polovodiče jsou zcela čisté, zatímco vnější polovodiče byly dopovány nečistotami, aby se zlepšila jejich vodivost.
- Elektrická vodivost: Vlastní polovodiče mají mnohem nižší vodivost ve srovnání s vnějšími. Vlastní vodivost závisí pouze na změnách teploty.
- Nosiče nákladu: V intrinsických polovodičích je počet elektronů a počet děr stejný. U vnějších polovodičů je tato parita porušena v důsledku dopingu, což má za následek přebytečné elektrony (typ N) nebo díry (typ P).
- Technologie a aplikace: Vnější polovodiče jsou pro praktické aplikace užitečnější díky jejich větší schopnosti vést elektřinu. Jsou základem prakticky veškeré moderní elektroniky včetně tranzistorů a diod.
Polovodiče typu P a N
Ze dvou hlavních typů vnějších polovodičů, Polovodič typu N obsahuje více volných elektronů, zatímco Polovodič typu P Má více děr. Elektrony v polovodičích typu N fungují jako hlavní nabité částice pro vedení elektřiny, zatímco v polovodičích typu P jsou otvory (kladně nabité částice) tím, co umožňuje elektrický proud.
Jedním z nejdůležitějších rozdílů mezi oběma typy je způsob, jakým se chovají při připojení k externímu zdroji napájení. Když je mezi těmito dvěma oblastmi aplikován potenciální rozdíl (PN), to, co známe jako PN přechod, struktura rozhodující pro provoz zařízení, jako jsou diody. Když je přechod "polarizován" v jednom směru, umožňuje průchod proudu; Pokud je polarita přepólována, funguje jako izolant.
Význam dopingu ve vnějších polovodičích
U vnějších polovodičů dopovací proces zavádí nečistoty do krystalu polovodiče, aby se změnila jeho přirozená rovnováha a zvýšila se jeho vodivost. Pro vytvoření polovodičů typu N se používají dopanty s pěti valenčními elektrony, zatímco u polovodičů typu P je základní materiál dotován prvky, které mají pouze tři valenční elektrony. Tento proces přímo ovlivňuje elektrické vlastnosti materiálu a zlepšuje jeho účinnost v aplikacích, kde je nezbytná přesná kontrola proudu.
Tento doping se promítá do široké škály použití, jako je vytváření bipolárních tranzistorů a integrovaných obvodů, mimo jiné nezbytných součástí moderní elektroniky.
Aplikace vnějších a intrinsických polovodičů
Vlastní polovodiče mají omezené použití kvůli jejich nízké vodivosti. Jsou však užitečné v prostředích, kde je vyžadována přesná odezva na změny teploty, jako jsou teplotní senzory. Vnější polovodiče se díky svým lepším vodivým schopnostem používají v široké škále elektronických zařízení, od tranzistorů po diody a integrované obvody.
Například u mikroprocesorů možnost přepínat mezi vodivými a nevodivými stavy vnějších polovodičů typu N a P umožňuje počítačům provádět logické operace, efektivně ukládat a zpracovávat informace.
Stojí za zmínku, že oblast polovodičů se neustále vyvíjí a s nedávným pokrokem v oblasti polovodičových materiálů, jako je karbid křemíku (SiC) a arsenid galia (GaAs), se vyvíjejí stále rychlejší a účinnější zařízení.
Pro inženýry a vědce je pochopení rozdílů mezi vnitřními a vnějšími polovodiči zásadní nejen pro navrhování efektivnějších zařízení, ale také pro zlepšování stávajících technologií.