În această postare învățăm în mod cuprinzător cu privire la principiile fundamentale de lucru ale dispozitivelor semiconductoare și cum funcționează structura internă a semiconductoarelor sub influența electricității.
Valoarea rezistivității dintre aceste materiale semiconductoare nu are nici o caracteristică de conductor completă, nici un izolator complet, ea se află între aceste două limite.
Această caracteristică poate defini proprietatea semiconductorului materialului, totuși ar fi interesant să știm cum funcționează un semiconductor între un conductor și un izolator.
Rezistivitate
Conform Legii lui Ohm, rezistența electrică a unui dispozitiv electronic este definită ca raportul dintre diferența de potențial între componentă și curentul care curge prin componentă.
Acum, folosirea măsurării rezistenței poate pune o problemă, valoarea sa se schimbă pe măsură ce se modifică dimensiunea fizică a materialului rezistiv.
De exemplu, atunci când un material rezistiv crește în lungime, valoarea rezistenței sale crește, de asemenea, proporțional.
În mod similar, atunci când grosimea sa a crescut, valoarea rezistenței sale scade proporțional.
Aici este necesar să se definească un material care poate indica o proprietate de conducere sau opoziție la curent electric, indiferent de dimensiunea, forma sau aspectul său fizic.
Mărimea pentru exprimarea acestei valori de rezistență este cunoscută sub numele de Rezistivitate, care are synbol ρ, (Rho)
Unitatea de măsură pentru rezistivitate este Ohm-metru (Ω.m) și poate fi înțeleasă ca un parametru care inversează conductivitatea.
Pentru a obține comparații între rezistivitățile mai multor materiale, acestea sunt clasificate în 3 categorii principale: conductori, izolatori și semiconductori. Graficul de mai jos oferă detaliile necesare:
După cum puteți vedea în figura de mai sus, există o diferență neglijabilă între rezistivitatea conductoarelor, cum ar fi aurul și argintul, în timp ce poate exista o diferență semnificativă în rezistivitatea dintre izolatori, cum ar fi cuarțul și sticla.
Acest lucru se datorează răspunsului lor la temperatura ambiantă, ceea ce face ca metalele să fie extrem de eficiente decât conductele izolatoare
Conductori
Din graficul de mai sus înțelegem că conductoarele au cea mai mică cantitate de rezistivitate, care poate fi de obicei în microohmi / metru.
Datorită rezistivității lor reduse, curentul electric poate trece ușor prin ele, datorită disponibilității unei cantități mari de electroni.
Cu toate acestea, acești electroni pot fi împinși numai atunci când este o presiune peste conductor și această presiune poate fi formată prin aplicarea unei tensiuni peste conductor.
Astfel, atunci când un conductor este aplicat cu o diferență de potențial pozitiv / negativ, electronii liberi ai fiecărui atom al conductorului sunt forțați să fie dislocați de la atomii lor părinți și încep să se deplaseze în interiorul conductorului și este, în general, cunoscut sub numele de flux de curent. .
Gradul în care acești electroni sunt capabili să se miște depinde de cât de ușor pot fi eliberați de atomii lor, ca răspuns la o diferență de tensiune.
Metalele sunt, în general, considerate bune conductoare de electricitate, iar printre metale, aurul, argintul, cuprul și aluminiul sunt cei mai buni conductori ordonați.
Deoarece acești conductori au foarte puțini electroni în banda de valență a atomilor lor, ei sunt ușor dislocați de o diferență de potențial și încep să sară de la un atom la următorul atom printr-un proces numit „Efect Domino”, rezultând un flux de curent conductorul.
Deși aurul și argintul sunt cei mai buni conductori ai energiei electrice, cuprul și aluminiul sunt preferate pentru realizarea firelor și cablurilor datorită costului și abundenței lor reduse, precum și a rezistenței lor fizice.
În ciuda faptului că cuprul și aluminiul sunt buni conductori de energie electrică, au încă o anumită rezistență, deoarece nimic nu poate fi ideal 100%.
Deși mică, rezistența oferită de acești conductori poate deveni semnificativă odată cu aplicarea curenților mai mari. În cele din urmă, rezistența la curent mai mare pe acești conductori este disipată sub formă de căldură.
Izolatori
Spre deosebire de conductori, izolatorii sunt conductori răi ai electricității. Acestea sunt, în general, sub formă de nemetale și au foarte puțini electroni vulnerabili sau liberi cu atomii lor părinți.
Adică electronii acestor nemetale sunt strâns legați de atomii lor părinți, care sunt extrem de dificil de dislocat cu aplicarea tensiunii.
Datorită acestei caracteristici, atunci când se aplică tensiunea electrică, electronii nu reușesc să se îndepărteze de atomi, rezultând lipsa fluxului de electroni și, prin urmare, nu are loc o conducție.
Această proprietate duce la o rezistență foarte mare la izolator, în ordinea a multe milioane de ohmi.
Materiale precum sticla, marmura, PVC-ul, materialele plastice, cuarțul, cauciucul, mica, bakelita sunt exemple de izolați buni.
La fel ca conductorul, izolatorii joacă în egală măsură un rol important în domeniul electronicii. Fără izolator ar fi imposibil să se izoleze diferențele de tensiune între etapele circuitului, ducând la scurtcircuite.
De exemplu, vedem utilizarea porțelanului și a sticlei în turnurile de înaltă tensiune pentru transmiterea în siguranță a curentului alternativ prin cabluri. În fire folosim PVC pentru izolarea bornelor pozitive și negative, iar în PCB folosim Bakelite pentru a izola urmele de cupru unele de altele.
Bazele semiconductorilor
Materiale precum siliciu (Si), germaniu (Ge) și arsenură de galiu intră sub materialele semiconductoare de bază. Acest lucru se datorează faptului că aceste materiale au caracteristica de a conduce electricitatea în mod intermediar, dând naștere nici unei conducții adecvate, nici unei izolații adecvate. Datorită acestei proprietăți, aceste materiale sunt denumite semiconductori.
Aceste materiale prezintă foarte puțini electroni liberi de-a lungul atomilor lor, care sunt strâns grupați într-un tip de rețea cristalină de formare. Cu toate acestea, electronii sunt capabili să se deplaseze și să curgă, dar numai atunci când sunt utilizate condiții specifice.
Acestea fiind spuse, devine posibilă creșterea ratei de conducere a acestor semiconductori prin introducerea sau înlocuirea unui fel de atomi de „donator” sau „acceptor” în structura cristalină, permițând eliberarea unor „electroni liberi” și „găuri” sau vice versa.
Acest lucru este implementat prin introducerea unei anumite cantități de material extern în materialul existent, cum ar fi siliciu sau germaniu.
În sine, materialele precum siliciu și germaniu sunt clasificate ca semiconductori intrinseci, datorită naturii lor chimice pure extreme și prezenței materialului semiconductor complet.
Acest lucru înseamnă, de asemenea, că, aplicând o cantitate controlată de impuritate în ele, suntem capabili să determinăm rata de conducere în aceste materiale intrinseci.
Putem introduce tipuri de impurități denumite donatori sau acceptori în aceste materiale pentru a le îmbunătăți fie cu electroni liberi, fie cu găuri libere.
În aceste procese, când o impuritate este adăugată la un material intrinsec în proporția de 1 atom de impuritate la 10 milioane de atomi de material semiconductor, este denumită ca Dopajul .
Odată cu introducerea unei impurități suficiente, un material semiconductor ar putea fi transformat într-un material de tip N sau tip P.
Siliciul este printre cele mai populare materiale semiconductoare, având 4 electroni de valență peste învelișul său exterior și, de asemenea, înconjurat de atomi adiacenți care formează o orbită totală de 8 electroni.
Legătura dintre cei doi atomi de siliciu este dezvoltată în așa fel încât să permită împărțirea unui electron cu atomul său adiacent, ducând la o legătură stabilă bună.
În forma sa pură, un cristal de siliciu poate avea foarte puțini electroni de valență liberi, atribuindu-i proprietățile unui bun izolator, având valori de rezistență extreme.
Conectarea unui material de siliciu la o diferență de potențial nu va ajuta la nici o conducere prin el, cu excepția cazului în care se creează în acesta un fel de polarități pozitive sau negative.
Și pentru a crea astfel de polarități, procesul de dopaj este implementat în aceste materiale prin adăugarea de impurități așa cum sa discutat în paragrafele anterioare.
Înțelegerea structurii atomului de siliciu
În imaginile de mai sus vedem cum arată structura unui rețea cristalină de siliciu pur regulat. Pentru impuritate, în mod normal, materiale precum arsenic, antimoniu sau fosfor sunt introduse în cristalele semiconductoare transformându-le în extrinseci, adică „având impurități”.
Impuritățile menționate sunt alcătuite din 5 electroni pe banda lor exterioară cunoscută sub numele de impuritate „pentavalentă”, pentru a le împărtăși cu atomii lor adiacenți.
Acest lucru asigură că 4 dintre cei 5 atomi sunt capabili să se unească cu atomii de siliciu alăturați, excluzând un singur „electron liber” care poate fi eliberat atunci când este conectată o tensiune electrică.
În acest proces, deoarece atomii impuri încep să „doneze” fiecare electron de pe atomul lor din apropiere, atomii „pentavalenți” sunt numiți „donatori”.
Folosirea antimoniului pentru dopaj
Antimoniul (Sb) și fosforul (P) devin adesea cea mai bună alegere pentru introducerea impurității „pentavalente” în siliciu. 
În Antimoniu, 51 de electroni sunt dispuși pe 5 cochilii în jurul nucleului său, în timp ce banda sa exterioară este formată din 5 electroni.
Datorită acestui fapt, materialul semiconductor de bază este capabil să dobândească electroni care transportă curent suplimentar, fiecare atribuit cu o sarcină negativă. Prin urmare, este denumit „material de tip N”.
De asemenea, electronii sunt numiți „purtători majoritari”, iar găurile care se dezvoltă ulterior sunt denumite „purtători minoritari”.
Atunci când un semiconductor dopat cu antimoniu este supus unui potențial electric, electronii care se întâmplă să fie doborâți sunt înlocuiți instantaneu cu electronii liberi din atomii de antimoniu. Cu toate acestea, deoarece procesul menține în cele din urmă un electron liber plutind în cristalul dopat, acest lucru îl face să fie un material încărcat negativ.
În acest caz, un semiconductor poate fi denumit tip N dacă are o densitate a donorului mai mare decât densitatea acceptorului său. Adică atunci când există un număr mai mare de electroni liberi în comparație cu numărul de găuri, provocând o polarizare negativă, așa cum se indică mai jos.
Înțelegerea semiconductorului de tip P
Dacă luăm în considerare situația invers, introducerea unei impurități „trivalente” cu 3 electroni într-un cristal semiconductor, de exemplu, dacă introducem aluminiu, bor sau indiu, care conțin 3 electroni în legătura lor de valență, prin urmare o legătură a 4-a devine imposibil de format.
Din acest motiv, o conexiune completă devine dificilă, permițând semiconductorului să aibă o mulțime de purtători încărcați pozitiv. Acești purtători sunt numiți 'găuri' pe întreaga rețea semiconductoare, din cauza unei mulțimi de electroni lipsă.
Acum, datorită prezenței găurilor în cristalul de siliciu, un electron din apropiere este atras de gaură, încercând să umple slotul. Cu toate acestea, de îndată ce electronii încearcă să facă acest lucru, își eliberează poziția creând o nouă gaură în poziția sa anterioară.
La rândul său, acesta atrage următorul electron din apropiere, care lasă din nou o nouă gaură în timp ce încearcă să ocupe următoarea gaură. Procesul continuă dând impresia că, de fapt, găurile se mișcă sau curg pe semiconductor, pe care, în general, le recunoaștem drept modelul de curent convențional al curentului.
Pe măsură ce „găurile par să se miște” dă naștere unui deficit de electroni, permițând întregului cristal dopat să dobândească o polaritate pozitivă.
Deoarece fiecare atom de impuritate devine responsabil pentru generarea unei găuri, aceste impurități trivalente sunt numite „acceptori” datorită faptului că aceștia continuă să accepte electroni liberi în mod continuu în acest proces.
Borul (B) este unul dintre aditivii trivalenți care este utilizat în mod popular pentru procesul de dopaj explicat mai sus.
Când borul este utilizat ca material dopant, acesta determină conducerea să aibă în principal purtători încărcați pozitiv.
Acest lucru are ca rezultat crearea unui material de tip P cu găuri pozitive numite „purtători majoritari”, în timp ce electronii liberi sunt numiți „purtători minoritari”.
Acest lucru explică modul în care un material de bază semiconductor se transformă într-un tip P datorită densității crescute a atomilor acceptori ai săi în comparație cu atomii donatori.
Cum se utilizează borul pentru dopaj
Rezumând elementele de bază ale semiconductorilor
Semiconductor de tip N (dopat cu o impuritate pentavalentă, cum ar fi Antimoniu, de exemplu)
Astfel de semiconductori care sunt dopați cu atomi de impuritate pentavalenți sunt denumiți donatori, deoarece aceștia prezintă conducere prin mișcarea electronilor și, prin urmare, sunt numiți ca semiconductori de tip N.
În semiconductorul de tip N găsim:
- Donatori cu taxă pozitivă
- Număr abundent de electroni liberi
- Numărul relativ mai mic de „găuri” comparativ cu „electronii liberi”
- Ca urmare a dopajului, se creează donatori încărcați pozitiv și electroni liberi încărcați negativ.
- Aplicarea unei diferențe de potențial are ca rezultat dezvoltarea electronilor încărcați negativ și a găurilor încărcate pozitiv.
Semiconductor de tip P (dopat cu o impuritate trivalentă, cum ar fi borul, de exemplu)
Astfel de semiconductori care sunt dopați cu atomi de impuritate trivalenți sunt numiți acceptori, deoarece prezintă conducere prin mișcarea găurilor și, prin urmare, sunt denumiți ca semiconductori de tip P.
În semiconductorul de tip N găsim:
- Acceptori încărcați negativ
- Cantitate abundentă de găuri
- Număr relativ mic de electroni liberi comparativ cu prezența găurilor.
- Dopajul are ca rezultat crearea acceptorilor încărcați negativ și a găurilor încărcate pozitiv.
- Aplicarea unei tensiuni depuse generează găuri încărcate pozitiv și electroni liberi încărcați negativ.
În sine, semiconductorii de tip P și N se întâmplă să fie neutri din punct de vedere electric, în mod natural.
În mod obișnuit, Antimoniul (Sb) și Borul (B) sunt cele două materiale care sunt utilizate ca membri dopatori datorită disponibilității lor abundente. Acestea sunt denumite și „mettaloizi”.
Acestea fiind spuse, dacă vă uitați la tabelul periodic, veți găsi multe alte materiale similare care au 3 sau 5 electroni în banda lor atomică cea mai exterioară. Implică faptul că aceste materiale pot deveni și adecvate scopului de dopaj.
Tabelul periodic 
Precedent: Circuit de alimentare pentru câini controlat de telefonul mobil Următorul: Înțelegerea circuitelor amplificatorului
