Полупроводник

Од Википедија, слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај

Полупроводници се кристални тела по кои степенот на спроводливоста на електричната струја се наоѓаат помеѓу металите и изолаторите.

Носители на електричеството низ полупроводниците во електричното поле се празнините кои се движат во насока на електричното поле и електроните кои се движат во насока спротивна на насоката на електричното поле.

Има 2 вида полупроводници:

  • Н-тип(негативен), полупроводник кој се добива кога силициум се допингува со атоми со повисок број валентни електрони од силициум, како на пример петтовалентен фосфор.
Полупроводник од типот Н
  • П-тип(позитивен), полупроводник кој се добива кога силициум се допингува со атоми со помал број валентни електрони од силициум, како на пример тривалентен бор.
Полупроводник од типот П





Вовед[уреди]

Проводливоста на материјата е мерка за можноста низ неа да тече електрична струја ако врз неа се дејствува со електрично поле . Електричната струја настанува како резултат на насочено движење на наелектризирани честички. Проводливоста на материјата зависи од повеќе услови – природата на материјата, температура, осветленост, допингување со хемиски нечистотии, механички деформации на материјалот и др. кои можат да доведат до зголемување или намалување на проводливоста на самата материја.

Полупроводници се материјали чиј степен на проводливоста на електричната струја се наоѓа помеѓу металите и изолаторите. Носители на електричеството низ полупроводниците во електричното поле се празнините кои се движат во насока на електричното поле и електроните кои се движат во насока спротивна на насоката на електричното поле.Во практиката идеално хемиски чисти полупроводници не постојат. Постоењето и на најмали примеси од други елементи во структурата на полупроводниците, многу ја менува нивната проводливост. Зголемувањето на проводливоста на полупроводниците под дејство на примесите, се должи на зголемување на бројот на слободни електрони, или на зголемување на бројот на шуплини. Бидејќи спроводливоста на полуспроводниците може да се менува со контролирано додавање на примеси или со дејствување на електрично поле или светлина, тие се многу корисни уреди за амплификација на сигнали и конверзија на енергија. Исто така, денес се и основна градбена единка на компјутерскиот хардвер, сообраќајните показатели, големите телевизиски екрани, сензори, радио и т.н. За да се објаснат својствата на полуспроводниците се осврнуваме кон теоријата на квантната физика со помош на која се прикажува движењето на електроните низ кристалната решетка на атомот.


Кристална структура на полупроводниците[уреди]

Кога атомите ќе се приближат на блиско растојание , тие се поврзуваат и формираат стабилно цврсто тело, со врски помеѓу соседните атоми. Кај полупроводникот, тенденцијата на секој атом да формира пополнета надворешна електронска лушпа е задоволена со помош на ковалентна врска. Соседните атоми ги делат електроните како заеднички и се лоцирани најмногу во зоната помеѓу атомите. Ова ковалентно поврзување може да се изведе квантитативно со помош на квантната механика, со решавање на Шредингеровта равенка. Се добиваат високи вредности за |ψ|2¬ на средината помеѓу јадрата, што значи дека постои голема веројатност поврзувачките електрони да се наоѓаат таму. Елементите кои се основни полупроводнички материјали формираат ковалентни врски. Овие ковалентни кристали се карактеризираат со сјај и тврдина затоа што соседните атоми мора да го задржат правилниот просторен распоред, бидејќи врските се строго насочени долж линијата што ги поврзува атомите, како и заради големата јачина на парното електронско поврзување. Најважни елементарни полупроводници се во IV група на периодниот систем: Јаглерод C6 (2p2), силициум Si14 (3p2), германиум Ge32 (4p2) и калај Sn50 (5p2). Елементите во соседните колони B, P, As, Sb, S, Se, Te, I, исто, повеќе или помалку, имаат некои полупроводнички особини.


Ако се гледаат елементите од IV група, заедничко им е што имаат 4 електрони во надворешната електронска лушпа (s + p) и имаат 4 празни места (бидејќи можно е пополнување до p6), па овие елементи се четиривалентни и се очекува да имаат слични механизми на поврзување и хемиски особини. Заради тенденцијата на атомите да ја пополнат надворешната електронска лушпа овие елементи кристализираат во т.н. дијамантска структура. Секој атом се поврзува со 4 соседни атоми делејќи ги со нив валентните електрони. Тридимензионално оваа структура изгледа како на слика1. Друга важна група полупроводници се соединенијата формирани од III и IV група елементи во периодниот систем. Најпознати се : GaAs, InSb. Со оглед на тоа што едниот елемент има три празни места, а другиот има пет празни места во валентната лушпа, карактерот на врските е ковалентен, со кристална структура слична на дијамантската, со алтернативни атоми од III, односно IV група. Иако подготовката на овие соединенија за производство на единствен кристал со доволно добар квалитет е потешка отколку кај елементарните полупроводници, тие имаат дополнителни технички предности.


Општи особини на полупроводниците[уреди]

Главна особина на полупроводниците претставува наглата промена на бројот на носители, а со тоа и на електричните особини под влијание на надворешни дејства: -промена на температурата, -осветленост, -електрично и магнетно поле, -внесување примеси.

Во зависност од наведените фактори, бројот на носители во полупроводниците може да се менува повеќе милиони пати. При ниски температури, кои се приближни до апсолутна нула, не доаѓа до премин на електроните од пополнета во слободната зона, бидејќи енергијата на електронот од пополнетата зона не е доволна да ја совлада забранетата зона. Тогаш полупроводникот се однесува како одличен диелектрик, односно изолатор. При собна температура, енергијата на еден дел од електроните во пополнетата зона е доволна да ја совлада забранетата зона и електроните да преминат во слободната зона (валентната). Со зголемување на температурата на полупроводникот, енергијата на електронот се зголемува и се зголемува бројот на електрони кои можат да преминат од забранетата во слободната зона, т.е. се зголемува бројот на носители.


Процеси и проведување во полупроводниците[уреди]

Во отсуство на термичка екситација или надворешна стимулација валентната зона е пополнета, а проводната е празна, односно, ако кристалот е доволно ладен, заштитен од светлина и друго, валентните електрони се вклучени во ковалентните врски и нема слободни електрони во кристалот кој би можеле да се движат. За да се случи проведување мора валентните електрони да преминат во повисоки енергии, но на ниски температури нема расположиви празни енергетски нивоа во валентната зона, а енергетските нивоа во проводната зона можат да се достигнат само ако електроните добијат енергија поголема од Еg. Јасно е дека ковалентните врски можат да бидат раскинати ако се доведе доволно енергија. Поврзувањето помеѓу кристалното прикажување и зонското е тоа да минимумот енергија за да се раскине една ковалентна врска е токму Еg. Ковалентните врски можат да се раскинат на различни начини со додавање на надворешна енергија. Ослободениот електрон може да се движи низ материјалот под дејство на применетите полиња, се додека не наиде на друга раскината врска каде ќе биде зафатен за да ја комплетира, односно се рекомбинира и повеќе да не учествува во процесот на проведување. Така, со зголемување на температурата на полупроводникот од 0 К нагоре, неговите особини се менуваат од изолатор до проводник. Кога една ковалентна врска се раскинува испуштајќи еден електрон се појавува вкупен позитивен полнеж поврзан со ковалентна врска, заради отсуството на електронот. Ова би била кристалографска манифестација на празнините, кои беа дискутирани претходно. Ако се примени електрично поле, постои можност еден од електроните од соседните ковалентни врски да се придвижи да ја пополни празнината. Овој процес се повторува така што движењето на електроните предизвикува движење на празнините во правец на електричното поле. Така, празнините се движат како фиктивни позитивни честици. Овој концепт на празнини е погоден заради тоа што е поедноставено да се третира движењето на позитивно наелектризирани честици отколку движењето на врзаните електрони кои се движат по празнините.


Безпримесни полупроводници[уреди]

Безпримесни (чисти, интрисични) полупроводници не се идеално чисти полупроводници, но се така наречени бидејќи степенот на присуство на нечистотии приближно нема никакво влијание врз електричното однесување на полупроводникот. Пример за такви полупроводници се они составени од атоми само на силициум или само на германиум. Силициумот (Si) е четиривалентен атом кој образува ковалентни врски со соседните атоми на силициум и генерира регуларна структура која ја нарекуваме кристал. Валентните електрони се во надворешниот електронски слој и тие го одредуваат типот на хемиска врска која ќе се образува ( ковалентна, водородна, јонска, метална, вандервалсова). При температура од 0 К, сите електрони се наоѓаат во валентната врска и се дел од ковалентни врски, за разлика од проводната зона каде нема електрони. Од друга страна, на повисоки температури (пр. температура од 300 К), доаѓа до возбудување на електроните од валентната зона, нивен премин на повисоки енергетски нивоа при што овие електрони ја достигнуваат проводната зона и обезбедуваат можност за спроведување на електрична струја. Притоа, Бројот на електрони во проводната зона е еднаков со бројот на празнини (шуплини) кои остануваат во валентната зона. За разлика од изолаторите, кај полупроводникот постои конечна веројатност дека на било која температура над 0 К, електрон од валентната зона ќе премине во проводната зона оставајќи едно празно место во валентната зона.


Примесни полупроводници[уреди]

Примеси (допанти) се атоми од друг материјал кои во мал процент се додаваат во кристалната решетка на полупроводникот, со цел да се промени неговата проводност и типот на носители кои се одговорни за таа спроводливост. Најважните примеси кои се додаваат во полупроводниците (Si, Ge) се елементите од III-та и IV-та група елементи од периодниот систем. Додавањето на контролирана количина на овие примеси се вика допингување (допирање).

Екстринсичен полупроводник се добива со допингување, односно со внесување на многу мало количество туѓи атоми во еден интристичен полупроводник ( идеално чист полупроводник е една идеализација - и најчистиот полупроводник сепак содржи извесно количество туѓи атоми- таков полупроводник наречен е уште и интринсичен полупроводник или безпримесен полупроводник. Таквиот полупроводник има релативно висок специфичен отпор и воглавно се користи како појдовен материјал за изработка на т.н. екстринсични (допирани, примесни) полупроводници). Обично се додаваат малку примеси: 1 дел на 1010 до 1 дел на 103. Примесните полупроводници се класифицирани во две групи според типот носители кој е доминантен: n – тип и p – тип.


n – тип[уреди]

Ако на сопствениот полупроводник му се додаде контролирано количество на примес од V група (P,As,Sb) материјалот се збогатува со проводни електрони и тој се нарекува полупроводник од n – тип. Овие примеси имаат 5 валентни електрони. Петтиот (несврзан) електрон донор (на примесот од n-тип), не може да оствари ковалентна врска со атом домаќин, па се наоѓа на доста повисоко енергетско ниво одошто четирите останати електрони. Затоа тој може лесно да го напушти донорот, градејќи со тоа позитивен јон. Енергетски се наоѓа под проводната зона и може многу полесно од електронот од валентната зона да помине во проводната зона оставајќи позитивно јонизиран донор.

Ако туѓите атоми имаат поголем број валентни електрони отколку атомите домаќини (4 електрони кај Si и Ge) се работи за екстринсичен полупроводник од тип n, бидејќи сега мнозински носители на товар ќе бидат електроните. Допирањето со донори всушност во структурата на енергетските зони се одразува со појава на една дополнителна, многу тесна зона на дозволени енергии поставени на ниво наречено донорско ниво. Тоа ниво се наоѓа веднаш под проводната зона. Основна разлика помеѓу овие механизми и механизмот кај сопствените полупроводници е што јонизираните примеси остануваат како фиксни позитивни наелектризирани центри во кристалната решетка и не се создаваат празнини. Така Vтата група примеси даваат електрони и се викаат донори. Во шемата на енергетски зони секој донорски атом доведува до појава на ново изолирано донорско ниво ЕD, малку под дното на проводната зона. Така, со воведување на примеси се воведува дискретно енергетско ниво во забранетата зона. На 0 К сите донорски нивоа се пополнети, но на собна температура тие се празни. Бидејќи на собна температура секој примесен атом дава дополнителен носител, мали концентрации на примеси значајно ја зголемуваат концентрацијата на носители, а со тоа и проводноста. Примесите со атоми на фосфор, арсен или антимон, кои имаат по 5 валентни електрони се користат за донирање во полуспроводниците од n-тип. Наброените елементи се викаат уште и донори, бидејќи тие даваат електрони во проводната зона.

Спроводливоста на полупроводникот од N – тип ќе ја објасниме преку пример, т.е. полупроводникот го вклучуваме во струјното коло преку контактните плочки, така што под дејство на ЕМС на изворот, во него се создава електрично поле со јачина Е. Насоката на полето оди од позитивната кон негативната контактна плочка. Под дејство на силата на електричното поле, слободните електрони ќе се движат во насока спротивна на насоката на полето. Така, во колото ќе протече струја од негативниот кон позитивниот пол на изворот преку полупроводникот. Спроводливоста на овој полупроводник ќе зависи од бројот на слободните електрони, а тоа значи, од процентот на атомите на арсенот.


Ако го промениме поларитетот на изворот, се менува и насоката на електричното поле. Сега слободните електрони ќе се движат во обратна насока на првиот случај. Јачината на струјата во обата случаи е иста. Од тоа произлегува дека во блокот на полупроводникот од N-тип нема појава на исправување на струјата.

P - тип[уреди]

Полупроводниците со мнозинство носители – празнини (шуплини) се нарекува полуспроводник од р-тип. Тие се добиваат со додавање на примеси од III група (Ba,Al,Ga,In) нa Si или Ge. Три сврзани електрони на акцепторот (примес од р-тип) сврани се ковалентно со 3 атоми на силициум, додека врската со четвртиот атом Si останува непотполна и одговара на енергетската состојба која се наоѓа над валентната зона. Оваа дозволена состојба може многу полесно (поверојатно) да се исполни со електрон од валентната зона и со тоа да создаде празнина во валентната зона, отколку електрон од валентната зона би поминал во проводната зона оставајќи шуплина. Всушност, над температура од 0 К, електрон од соседните атоми може да го пополни празното електронско место, оставајќи празно место во валентната зона за проведување. Со тоа акцепторот станува негативно наелектризиран и е т.н јонизиран акцептор. И акцепторите се наоѓаат во супституциска положба во кристалот, но сега нив им недостасува еден електрон за да остварат валентни врски со своите соседни атоми од домаќините. Празните енергетски нивоа предизвикани од туѓите атоми прават една многу тесна дозволена енергетска зона наречена акцепторско ниво поставено во непосредна близина над врвот на валентната зона на основниот материјал, на типично растојание од 0,01–0,1 еV. Со ова се објаснува преодот на електроните од валентната зона на енергетските нивоа на акцепторите и при мали енергетски побуди. Спроводливоста на полупроводникот од P-тип ќе ја објасниме на следниов начин. Електричното поле што го создава изворот на ЕМС во блокот на германиумот, им дејствува со извесна сила на слободните електрони, кои што се добиени со топлинско раскинување на валентните врски на тој начин, што движејќи се во обратна насока на полето на својот пат тие вршат пополнување на шуплините.


Енергетски влијанија врз својствата на полупроводниците[уреди]

Врз својствата на полупроводниците влијаат следните појави:

  1. Влијание на деформацијата врз спроводноста ;
  2. Топлински својства на полупроводниците;
  3. Термоелектрични појави;
  4. Влијание на електрични полиња врз спроводноста;
  5. Влијание на светлината врз спроводливоста;
  6. Фреквентна зависност на фотопроводноста
  7. Зависност на фотопроводливоста од интензитетот на осветлувањето
  8. Квантен прираст на внатрешен фотоефект
  9. Релаксација на фотопроводноста
  10. Фотонапонски ефект


1.Влијание на деформацијата врз спроводливоста: Проводноста на тврдите кристални тела какви што се полупроводниците трпи промени при промена на меѓуатомските растојанија предизвикани од механички деформации. Притоа се менува и концентрацијата на носителите и нивната подвижност. Концентрацијата може да стане помала и поголема, зависно од промената на ширината на забранетата енергетска зона на кристалот и енергетските нивоа на примесите. Со тоа се менуваат и енергиите на активирање на носителите и нивните ефективни маси. Подвижноста на носителите може да биде променета заради промена на амплитудата на осцилирање на атомите и промена на нивното меѓусебно растојание. Додека кај металите при деформации најмногу се менува подвижноста на носителите (електроните), кај полупроводниците пред се, се менува концентрацијата заради промена на енергијата на активирање. Ширината на забранетата зона при доближување на атомите може и да се намалува и да се зголемува. Кај разни полупроводници иста деформација може да предизвика и зголемување и намалување на проводливоста. Промената на специфичната електрична проводливост при деформација се карактеризира со величината тензочувствителност d што всушност претставува однос на релативната промена на специфичниот електричен отпор спрема релативната промена на релативната деформација.

2.Топлински својства на полупроводниците: Кај полупроводниците топлинската енергија се пренесува и преку слободните носители (електрони и празнини) и преку атомите кои осцилираат околу рамнотежната положба. При собни и повисоки температури проводните материјали подобро водат топлина, додека при ниски температури тие не се разликуваат. Дијамантот подобро проведува топлина од бакарот на високи температури.

3.Влијание на светлината врз спроводливоста: Светлинската енергија која ја апсорбира полупроводникот може да предизвика во него зголемено количество на носители во однос на рамнотежното ниво кое е дефинирано од темпертурата. Ова доведува до зголемена електрична проводност и ова се користи кај фотоотпорниците. Фотопроводност σ е зголемена електрична проводност на материјалите под дејство на електромагнетни зрачења. При фотопроводноста се манифестира квантната природа на светлината. Бидејќи ширината на забранетата енергетска зона е различна кај разни полупроводници, фотопроводноста се јавува од инфрацрвеното па се до ултравиолетовото подрачје на спектарот.

4.Фотонапонски ефект: Фотонапонски ефект е појава на електричен напон на краевите од полупроводникот (p-n премин) заради апсорпција на светлоста во полуспроводникот. Електроните и празнините кои се создаваат заради апорпција на светлината може да се разделат преку внатрешниот потенцијал кој постои во осиромашениот p-n премин. Во p-n преминот се смалува внатрешниот потенцијал и таа потенцијална разлика во однос на вредноста при термичка рамнотежа се јавува како фотонапон. Овој фотонапон може да создаде електрична струја во надворешно коло. Според тоа, можно е претворање на светлосната енергија во електрична. Ова е физичка основа на сончевите ќелии (фотоелементи).

5.Влијание на електрични полиња врз спроводноста: Јачината на електричното поле кое делува врз полупроводникот може да влијае врз спроводноста. При слаби јачини на полето до извесна критична вредност важи Омовиот закон, а специфичната електрична проводност е независна од јачината на полето. При посилни електрични полинња расте експоненцијално, при што може да настане разрушување на полупроводникот. Со пораст на температурата, кривата се поместува нагоре, но наклонот на стрмниот дел е поблаг. При јаки полиња може да настане ефект на судирна јонизација што доведува во одредени услови до разрушување на полупроводникот.

Полуспроводнички уреди[уреди]

Диода[уреди]

Диодата е електронска компонента која дозволува проток на електрична струја во една насока без отпор,додека во спротивна насока претставува бесконечен отпор. Затоа кај диодите постои проводна и непроводна насока. Може да се смета дека за протекување на струја во проводната насока, диодата има отпорност со вредност приближна на нула, а додека во непроводната насока отпорноста може да достигне приближно бесконечна вредност.

Диодите воглавно се произведуваат од полупроводнички материјали како што се силициум или германиум. Меѓутоа, сеуште постојат диоди со термојонска емисија, некогаш познати како електронски цевки. Исто како сијалица со вжарено влакно, така и вакумските цевки имаат конец кој се вжарува кога низ него ќе протече струја. Вжарениот конец во вакуум емитира електрони, а потоа електричен напон помеѓу електроните, придвижувајќи ги електроните од вжарената електрода, кон другата,ладна електрода. Така, текот на електронот од вжарениот конец во вакуум до другата електрода, претставува проток на електрична струја. Загреаната електрода која е извор на електрони, се вика катода, а ладната електрода се вика анода. Повеќето современи диоди се засновани на полупроводничките p-n споеви. Кај полупроводничките диоди струјата тече од p-страна (анодата) кон n -страна(катодата), но не и во спротивна насока како кај вакуумските цевки.


Полуспроводничка диода[уреди]

Уредите, кои се направени преку комбинација на два полупроводника од P и N-тип и служат за исправување на наизменичната струја, се нарекуваат полупроводнички кристални диоди. Во зависност од конструкцијата на диодите тие можат да бидат точкасти и слојни.

Точкаста диода[уреди]

Точкаста диода се изработува од чист германиум, во вид на тенок лист, којшто најпрво се заварува на метална подлога, а потоа се поставува во цилиндар од изолациона маса. Во цилиндарот се воведува тенка спирална жичка од волфрам, платина или злато, со многу тенок врв, кој се заварува со листот од германиумот по електричен пат. За да се создаде PN-спојот, најпрво диодата се оптоварува со нормална јачина на струјата, а потоа се пропуштаат импулси на десетпати појака струја од максимално дозволената. Притоа се развива голема топлина околу точкасѕо заварената жичка и се формира кратер околу нејзиниот врв. Со помош на дифузија на границата помеѓу P-областа и N-областа се создава PN-спој со мала контакта површина. Точкастата диода се користи во електрониката за исправување и демодулација на високофреквентни струи со мала моќност. Основен недостаток на точкастата диода е што, поради малата допирна површина на контактот не можат да се добијат јаки струи. За отклонување на овој недостаток конструирана е слојната диода.

Слојна диода[уреди]

Слојна диода претставува PN-спој и може да биде поларизирана во пропустлива и непропустлива насока. Ако позитивниот пол на изворот е сврзан за P-областа, а негативниот за N-областа од кристалот, диодата ќе биде поларизирана во пропустлива насока.Во тој случај, мал напон предизвикува протекување на многу јака струја. Отпорот на диодата во пропустливата насока е многу мал. Затоа во надорешното коло треба да се вклучи отпорник за да се заштити диодата од пробивање. Во случај позитивниот пол на изворот да е врзан за N-ОБЛАСТА, а негативниот за P-областа, диодата ќе биде поларизирана во непропустлива насока. Струјата во диодата, тогаш има обратна насока и е многу слаба. Со зголемување на напонот, таа малку расте. Оваа струја е наречена инверзна струја, а напонот, на кој е вклучена диодата, се нарекува инверзен напон. Инверзниот напон не смее да се зголемува над една одредена граница, која најчесто за слојната диода изнесува околу 900 V. Ако се пречекори дадената вредност на максималниот инверзен напон, инверзната струја ќе стане толку јака, што едноставно ќе ја разори потенцијалната бариера и ќе дојде до пробивање на PN-спојот и оштетување на диодата.

Светлински диоди (LED)[уреди]

Повеќето диоди емитираат зрачење, но тоа не го напушта полупроводникот и се наоѓа во фреквентен опсег на инфрацрвеното зрачење. Изборот на полупроводничкиот материјалот ја одредува бојата на светлината. Црвената боја одговара на напон од 1.2 V, а напонот од 2.4 V одговарана биолетовата боја. Денес постојат диоди и за ултравиолетова светлина. Првите светлински диоди биле жолти и црвени, а останатите настанале подоцна. Важно е дека сите светлински диоди се еднобојни.

фото диода[уреди]

Фото диодата реагира на појавата на светлина генерирајќи електрична струја. Фото диодите многу се користат и како соларни или фотонапонски ќелии и во фотометријата. Ако фотонот нема доволно енергија, нема да се возбуди електронот. Дури и светлинските диоди можат да се употребат како фото диоди со ниска ефикасност во некои примени. Понекогаш светлинските диоди и фото диодата се спакувани во исто куќиште. Овој уред се нарекува “Опто изолатор” . За разлика од трансформаторот , овој уред дозволува галванско раздвојување на еднонасочен напон. Ова е многу корисно, на пример кај заштитата на пациентите кои се приклучени на медицински уреди. Соларните ќелии се исто така еден вид на фото диоди.

Транзистори[уреди]

Полупроводниците можат да послужат и за правење на засилувачи на променливи електрични сигнали. Засилувачите се прават со комбинација од еден P-тип и два N-типа, или со еден N-тип и два P-типа полупроводници и се наречени полупроводнилки триоди или кратко познати како транзистори. Името транзистори доаѓа од англиските зборови TRANSFER RESISTOR, кои во превод значат пренослив, односно транзитен отпор. Принципот на работа на транзисторот први го дале по Втората светска војна, во 1948 год. Барден и Брејтон. Според својата намента транзисторите се изработувале во повеќе типови, но најширока примена во практиката имаат биполарните транзистори. Според начинот на изработка транзисторите можат да бидат: слојни,еднослојни,со точкасти слоеви итн. Денес се произведуваат најмногу биполарни слојни транзистори, па затоа и нашето внимание ќе се задржи на овој тип транзистор. По својата структура биполарниот транзистор претставува двое PN-спој, којшто, во зависност од редоследот на полупроводничкиот материјал, може да биде PNP или NPN слоен транзистор.


Соларна ќелија[уреди]

Соларната ќелија е полупроводнички уред кој ја претвара сончевата енергија во електрична енергија со помош на фотоелектричен ефект. Група ќелии формираат соларни модули, познати како соларни панели или фотонапонски плочи. Ќелиите се користат за детекција на светлина или друг облик на електромагнетно зрачење близу видливиот спектар, на пример детектор на инфрацрвено зрачење или мерење на интензитетот на светлината. Фотонапонските ќелии можат да се користат како самостојни извори на енергија или како додатни извори на енергија. Како самостојни извори на енергија се користат за: сателити, сообраќајни знаци, калкулатори и други објекти кои бараат долготраен извор на енергија. Како додатен извор на енергија, фотонапонските ќелии можат да се приклучат на електрична мрежа, но засега тоа е неисплатливо. Соларните ќелии често се спојуваат и се затвораат во модули. Фотонапонските модули воглавно имаат стаклена плоча која ја пропушта светлината и во исто време го штити полупроводникот од природните појави. Соларните ќелии исто така се често споени сериски во модул, создавајќи вкупен напон. Доколку се споени паралелно тогаш се формира поголема струја. Потоа модулите се спојуваат меѓусебно сериски или паралелно или и на двата начина. За да се искористи практично енергијата добиена од сонцето, електрицитетот најчесто се предава на електрична мрежа со употреба на “инвертор”. Во самостојните системи за чување на енергија која моментално не е потребна се користат батерии. Соларните панели можат да се користат за погон или полнење на преносливи уреди.

Како работат соларните ќелии??

1.Фотоните од сончевата светлина удараат во соларните панели и полупроводничиот материјал како силициумот ги апсорбира.

2.Електроните се потиснуваат од атомот и стануваат слободни, т.е. можат слободно да протекуваат низ материјалот, со што се формира струја. Поради специфичната градба на соларните ќелии, електроните можат да се движат само во една насока.

3.Полето на соларни ќелии ја претвара сончевата енергија во употребливо количество на еднонасочна струја.


Силициум(Si) и германиум(Ge)[уреди]

Иако развојот на полупроводничката електроника започнува со Ge , со појавата на микролектрониката, Si станува најважен полупроводнички елемент. Силициум е најупотребуваниот полупроводнички материјал кој е основа во структурата на компјутерскуте чипови и останатиот хардвер. Ултрачистиот силициум може да биде смешан со други елементи за да се прилагоди неговиот електричен одговор со контролирање на бројот и полнежот (позитивен и негативен) на постоечките серии. Таква контрола е потребна за транзисторите, сончевите ќелии, полуспроводнички детектори и други полуспроводнички направи кои се користат во електрониката и другите високотехнолошки апликации.

Силициумот секогаш содржи различни примеси кои, зависно дали нивните нивоа се поблиску до валентната зона или проводната зона, можат да се однесуваат како акцептори или донори. Ова по правило важи за тривалентните (акцепторски) примеси односно петовалентните (донорски) примеси. Ако кристалниот силициум се помеша со примес од друг материјал, проводноста на силициумот може да се смени. Силициумот има 4 валентни електрони во највисокиот енергетски слој. Ако на силициумот се додаде мала количина на пример од материјал кој има 5 валентни електрони (фосфор,арсен или друг елемент од 5 група), ќе се појават вишок слободни електрони кои ја зголемуваат проводноста на силициумот. Таквите примеси се викаат донорски примеси, бидејќи тие даваат електрони, а така добиениот силициум се вика н-тип на силициум, бидејќи има повеќе слободни носители на негативни полнежи отколку празнини.

Ако на силициумот се додаде мала количина на пример од материјал кој има 3 валентни електрони (бор, индиум или други елементи од 3та група), ќе се појават вишок на шуплини кои на тој начин ја зголемуваат проводноста на силициумот. Таквите примеси се викаат акцепторски примеси бидејќи привлекуваат (примаат) слободни електрони, а така добиениот силициум се нарекува p-тип на силициум, бидејќи има повеќе слободни носители на позитивен полнеж (шуплини) отколку електрони.

Si ги има следниве предности:

  • Si е значително полесен (2 пати) , што е важно за изработка на лесни склопови.
  • Распространет е , во вид на евтини суровини (SiO3 , кварцен песок)
  • Има 2 пати поголема топлинска проводност , што оневозможува локални загревања кај микроелектронските кола
  • Максималната работна температура му е до 200̊̊C, a за Ge е под 100̊C
  • Si многу лесно оксидира и создава стабилен изолациски SiO2 слој што е важно во технологијата за изработка на интегрирани кола.

Силициумот се употребува во :

-Интегрираните кола
-Полупроводничките мемории
-Фотодетектори
-Балистички кола
-Тиристори
-Сончеви ќелии

Иако развојот на полупроводничката електроника е поврзан со Ge, тој денес се употребува само за изработка на специјални полупроводнички направи. Негова посебно добра особина е високата подвижност на носителите, поради што се применува во детекторите на оптички и нуклеарни зраци.


Полупроводнички соединенија и легури[уреди]

Заради потребата од полупроводнички материјали со сакана големина на енергетски процеп и подвижност на носителите во последните 30 години интензивно се истражува добивањето на монокристални полупроводнички соедниненија и легури, што доведе до голем напредок во оптоелектрониката и микроелектрониката. Најважни полупроводнички соединенија, кои практично може да се добијат во ултрачисти монокристали и монокристални слоеви без дефеткти, се соединенијата и легурите од тип III-V; Галиум арсенидот(GaAs) и индиум антимонидот(InSb). Употребата на GaAs е во голема експанзија за изработка на оптоелектронки направи, ултрабрзи компјутери и дискретни микробранови направи.

Овој материјал има низа предности во однос на Si:

  • Има значително поголема електронска подвижност и средна брзина на поместување при заситување, што овозможува изработка на побрзи компјутери и работа на повисоки фреквенции.
  • GaAs – Подлога допирана со хром има полуизолациски особини, заради што можат да се намалат паразитните капацитивности и да се зголеми горната гранична фреквенција на интегрираните кола и микробрановите направи.
  • Максималната работна температура на GaAs p-n споеви достига 300 ̊ C (додека кај Si е 200 ̊ С), поради значително поголемиот енергетски процеп, односно редуцираната сопствена термичка генерација на парови електрон – празнина;
  • Редуцираната сопствена термичка генерација на парови овозможува работа на помали напони и помала дисипација
  • Големината и директниот тип на енергетскиот процеп кај GaAs овозможува негова примена за ласери за разлика од Si кој има индиректн енергетски процеп.
  • Секако покрај многуте предности постои еден недостаток, а тоа е високата цена.


Органски полуспроводници[уреди]

Во последниве години внимание привлекуваат органските полуспроводници, особено проводните полимери, со особина на контролирано допирање, така што својствата можат да им се менуваат во широки граници од диелектрични до проводни филмови на полиацетилен (CH)n . Со напарување на донори (алкални метали) или акцептори (халогени елементи) се менува специфичната електрична отпорност од 107 Ωm до 10-5 Ωm. Слично се допираат полипарафенилен, полипарафенилен сулфид, полипирол, политиофен и др.

Полупроводнички суперрешетки: Суперрешетките се структури со еднодимензионално периодичен потенцијал, со период од околу 10 nm. Овој потенцијал се создава со селективно допирање или со регуларно повторување на хетероспоеви на два материјала со различни дебелини и енергетски процепи. Најчесто користени се суперрешетките кај кои енергетскиот процеп на еден материјал во енергетската скала се наоѓа во енергетскиот процеп на другиот материјал. Доколку слоевите во материјалот со потесен енергетски процеп се тесни во споредба со брановите должини на електроните и празнините, тогаш енергиите на електроните и празнините се квантизирани во правец на суперрешетката. Затоа валентната и проводната зона на полупроводниците се разбиваат на подзони. Заради ова доаѓа до ефективно зголемување на енергетскиот процеп Еg2 ( растојание меѓу најниските мини-зони во валентната и проводната зона). Ова особина на променлив ефективен процеп Еg2 зависно од дебелинaта на слојот може да се нарече проектирање на енергетскиот процеп. Суперрешетката може да се разгледува како нов материјал кој се разликува од материјалите од кои е направен. Комерцијалната примена на суперрешетките би била во изработка на ласери и инфрацрвени-детектори.


Постапки за добивање на полупроводни материјали[уреди]

Полупроводните материјали од кои се градат полупроводните компоненти треба да ги имаат следните својства: -Голема хемиска чистота, без која ефектот на допирањето кое се остварува во многу мали концентрации не би можел да се манифестира. -Потребна е голема перфекција во кристалната структура, односно отсуство на дефекти кои би довеле до појава на дополнителни енергетски нива. Ако на пример во еден p-n преод би се јавила една граница на зрната, исправувачкиот ефект би исчезнал или многу би се намалил. Исто би делувала и зголемена концентрација на дислокации.


Големата хемиска чистота се постига со методата на зонско топење: При зонското топење, цилиндрично парче од полупроводничкиот материјал се става во графитно садче. Завојница со високофреквентна струја полека се движи така што го опфаќа садчето заедно со полупроводникот. Во полупроводникот се индуцираат Фукоови струи кои предизвикуваат локално топење на полупроводникот. При придвижувањето, растопената зона ги повлекува нечистотиите од полупроводникот, бидејќи во стопениот делтие полесно се раствораат. Оцврстениот дел на тој начин се пречистува, а нечистотиите се однесуваат на крајот од шипката од материјалот, од каде се одстрануваат со отсекување. Постапката треба да се обави во контролирана атмосфера за да се одбегне загадување кое би дошло од атмосферата. Со едно поминување на грејачот преку полупроводникот концентрацијата на нечистотии само се намалува, а не се отстранува докрај. Затоа, потребно е постапката да се повтори повеќе пати. Обично тоа се обавува на тој начин, што високофреквентниот греач има повеќе групи навивки на извесно растојание, па истовремено постојат повеќе стопени зони.

Откако се постигне потребната хемиска чистота, потребно е да се обезбеди и потребната кристална совршеност, односно да се добие полупроводникот во вид на големо парче монокристал.

Обично за ова се користи методата на Чохралски: При оваа метода, полупроводникот се наоѓа во стопена состојба во сад при температура малку повисока од точката на топење. Мал монокристал наречен “ семе “ од истиот полупроводник каков се извлекува и ориентиран во саканиот правец, прицврстен е на крајот од едно вретено и ставен во контакт со површината на растопениот полупроводник. Отпрво се остава семето лесно површински да се растопи со цел да се натопи од сите страни со течниот полупроводник. Притоа преку вретеното се одзема извесно количество топлина, така што ќе започне оцврстување на слоевите околу семето во продолжение на кристалните оски, односно ќе почне кристалот да “расте” или да се “извлекува”. Во ова фаза вретеното се става во многу спора ротација и уште поспоро дигање нагоре, така што секогаш се одржува меѓуспојот цврсто тело - течност во близината на површината. Со ротацијата се спречува постоење на температурни разлики кои би го нарушиле правилното формирање на кристалот. На ваков начин се растат шипки од монокристален полупроводник со дијаметар до 10 cm и со должина до 1 m. Потоа од монокристалот се сечат тенки плочки врз кои се градат полупроводните компоненти, диоди, транзистори, интегрирани кола.


Заклучок:[уреди]

Ниту самите научници кои работеле на истражувањето на полупроводничките материјали не можеле да замислат калкаво влијание нивниот труд би оставил врз идните генерации.

Денес поголемиот дел од електронските компоненти и направи не можат да се замислат без полупроводничките материјали, како основни.

Полупроводничките материјали ги користиме за производство на интегрирани кола, за изработка на електронски компоненти, ласери, ќелии и за многу други работи без кои денес животот не може да се замисли.

Сите уреди, кои ние ги применуваме во секојдневната употреба, всушност, се состојат од полупроводници , и затоа скоро секој современ уред може да се нарече полупроводнички.

За подобро да се разбере зошто полупроводниците се толку корисни, накратко објаснавме некои нивни основни карактеристики, видови на полупроводници, својства, постапки за добивање и примена во секојдневниот живот.