I det här inlägget lär vi oss grundligt om de grundläggande arbetsprinciperna för halvledaranordningar och hur halvledarnas interna struktur fungerar under påverkan av elektricitet.
Motståndsvärdet mellan dessa halvledarmaterial har varken en fullständig ledarkarakteristik eller en fullständig isolator, det ligger mellan dessa två gränser.
Denna funktion kan definiera materialets halvledaregenskap, men det skulle vara intressant att veta hur en halvledare fungerar mellan en ledare och en isolator.
Motståndskraft
Enligt Ohms lag definieras det elektriska motståndet hos en elektronisk anordning som förhållandet mellan potentialskillnaden mellan komponenten och strömmen som strömmar genom komponenten.
Att använda motståndsmätning kan nu utgöra ett problem, dess värde förändras när det fysiska måttet hos det resistiva materialet förändras.
Till exempel när ett resistivt material ökas i längd ökar dess motståndsvärde också proportionellt.
När dess tjocklek ökade minskar dess motståndsvärde proportionellt.
Behovet här är att definiera ett material som kan indikera en egenskap hos antingen en ledning eller motstånd mot elektrisk ström oavsett dess storlek, form eller fysiska utseende.
Storleken för att uttrycka detta specifika motståndsvärde är känd som Resistivity, som har synbolen ρ, (Rho)
Måttenheten för resistivitet är Ohm-meter (Ω.m), och den kan förstås som en parameter som är omvänd konduktivitet.
För att få jämförelser mellan resistiviteten hos flera material, klassificeras dessa i tre huvudkategorier: Ledare, Isolator och Halvledare. Diagrammet nedan innehåller de uppgifter som krävs:
Som du kan se i figuren ovan finns det en försumbar skillnad mellan resistiviteten hos ledare som guld och silver medan det kan finnas en betydande skillnad i resistiviteten mellan isolatorer som kvarts och glas.
Detta beror på deras reaktion på omgivningstemperatur vilket gör metaller enormt effektiva ledare än isolatorerna
Ledare
Från ovanstående tabell förstår vi att ledare har minst resistivitet, vilket typiskt kan vara i mikroohms / meter.
På grund av deras låga motståndskraft kan elektrisk ström enkelt passera genom dem på grund av tillgången på en stor mängd elektroner.
Dessa elektroner kan dock skjutas endast när de är ett tryck över ledaren, och detta tryck kan bildas genom att applicera en spänning över ledaren.
När en ledare appliceras med en positiv / negativ potentialskillnad tvingas de fria elektronerna i varje atom i ledaren att lossna från sina moderatomer och de börjar glida över i ledaren och är allmänt känd som strömflöde .
Graden i vilken dessa elektroner kan röra sig beror på hur lätt de kan frigöras från sina atomer, som svar på en spänningsskillnad.
Metaller anses allmänt vara bra ledare av elektricitet, och bland metaller är guld, silver, koppar och aluminium de bästa ledarna ordentligt.
Eftersom dessa ledare har väldigt få elektroner i atomernas valensband, lossnar de lätt av en potentialskillnad och de börjar hoppa från en atom till nästa atom genom en process som kallas 'Domino-effekt', vilket resulterar i ett strömflöde över dirigenten.
Även om guld och silver är de bästa ledarna för elektricitet, föredras koppar och aluminium för att tillverka ledningar och kablar på grund av deras låga kostnad och överflöd, och även deras fysiska stabilitet.
Trots det faktum att koppar och aluminium är bra ledare för elektricitet, har de fortfarande ett visst motstånd, för ingenting kan vara 100% idealiskt.
Även om det är litet kan motståndet som dessa ledare erbjuder bli betydande med högre strömmar. Så småningom försvinner motståndet mot högre ström på dessa ledare som värme.
Isolatorer
I motsats till ledare är isolator dåliga ledare av elektricitet. Dessa är i allmänhet i form av icke-metaller och har väldigt lite sårbara eller fria elektroner med sina moderatomer.
Det betyder att elektronerna i dessa icke-metaller är tätt bundna med sina moderatomer, vilket är extremt svårt att lossa med spänningen.
På grund av denna egenskap, när elektrisk spänning appliceras, misslyckas elektronerna att röra sig bort från atomerna vilket resulterar i inget elektronflöde och därför sker ingen ledning.
Denna egenskap leder till mycket högt motståndsvärde för isolator, i storleksordningen många miljoner ohm.
Material som glas, marmor, PVC, plast, kvarts, gummi, glimmer, bakelit är exempel på bra isolatorer.
Precis som ledare spelar isolatorer lika mycket en viktig roll i elektroniken. Utan isolator skulle det vara omöjligt att isolera spänningsskillnader över kretssteg, vilket leder till kortslutning.
Till exempel ser vi användningen av porslin och glas i högspänningstorn för att överföra växelström säkert över kablarna. I ledningar använder vi PVC för att isolera positiva, negativa anslutningar och i kretskort använder vi bakelit för att isolera kopparspår från varandra.
Grunderna i halvledare
Material som kisel (Si), germanium (Ge) och galliumarsenid faller under de grundläggande halvledarmaterialen. Det beror på att dessa material har den egenskapen att de leder elektricitet mellanliggande vilket varken ger ledning eller rätt isolering. På grund av denna egenskap benämns dessa material som halvledare.
Dessa material uppvisar mycket få fria elektroner över sina atomer, vilka är tätt grupperade i en kristallin gitterformning. Ändå kan elektronerna lossna och flöda, men bara när specifika förhållanden används.
Med detta sagt blir det möjligt att förbättra ledningshastigheten i dessa halvledare genom att införa eller ersätta någon form av 'donator' eller 'acceptor' -atomer till den kristallina layouten, vilket möjliggör frigöring av extra 'fria elektroner' och 'hål' eller vice tvärtom.
Detta genomförs genom att införa en viss mängd externt material till det befintliga materialet, såsom kisel eller Germanium.
I sig själv kategoriseras material som kisel och Germanium som inneboende halvledare på grund av sin extrema rena kemiska natur och närvaron av fullständigt halvledande material.
Detta innebär också att vi genom att tillämpa en kontrollerad mängd föroreningar kan bestämma ledningshastigheten i dessa inneboende material.
Vi kan introducera typer av föroreningar som kallas givare eller acceptorer för dessa material för att förbättra dessa med antingen fria elektroner eller fria hål.
I dessa processer när en orenhet läggs till ett inneboende material i andelen 1 orenhetsatom per 10 miljoner halvledarmaterialatom, kallas det som Doping .
Med införandet av tillräcklig orenhet kan ett halvledarmaterial omvandlas till ett N-typ eller P-typmaterial.
Kisel är ett av de mest populära halvledarmaterialen, med fyra valenselektroner över dess yttersta skal, och också omgivet av angränsande atomer som bildar totalt banor om 8 elektroner.
Bindningen mellan de två kiselatomerna utvecklas på ett sådant sätt att det möjliggör delning av en elektron med dess angränsande atom, vilket leder till en bra stabil bindning.
I sin rena form kan en kiselkristall ha mycket få fria valenselektroner, vilket tillskriver den egenskaperna hos en bra isolator med extrema motståndsvärden.
Att ansluta ett kiselmaterial till en potentiell skillnad hjälper inte någon ledning genom det, såvida det inte skapas någon form av positiva eller negativa polariteter i det.
Och för att skapa sådana polariteter implementeras dopningsprocessen i dessa material genom att tillsätta föroreningar som diskuterats i föregående stycken.
Förstå Silicon Atom Structure
I bilderna ovan ser vi hur strukturen hos ett vanligt rent kiselkristallgaller ser ut. För orenheter införs normalt material som arsenik, antimon eller fosfor i halvledarkristallerna som gör dem till yttre, vilket betyder 'att ha orenheter'.
De nämnda orenheterna består av 5 elektroner på deras yttersta band som kallas 'Pentavalent' orenhet, för att dela med sina angränsande atomer.
Detta säkerställer att 4 bland de 5 atomerna kan gå med de angränsande kiselatomerna, exklusive en enda 'fri elektron' som kan frigöras när en elektrisk spänning ansluts.
I den här processen, eftersom de orena atomerna börjar 'donera' varje elektron över sin närliggande atom, kallas 'Pentavalenta' atomer som 'donatorer'.
Använda antimon för dopning
Antimon (Sb) och fosfor (P) blir ofta det bästa valet för att införa 'Pentavalent' orenhet till kisel. 
I Antimon är 51 elektroner inställda över 5 skal runt kärnan, medan dess yttersta band består av 5 elektroner.
På grund av detta kan det grundläggande halvledarmaterialet förvärva ytterligare strömbärande elektroner, som alla tillskrivs en negativ laddning. Därför heter det 'material av N-typ'.
Elektronerna benämns också som 'Majoritetsbärare' och hålen som utvecklas därefter kallas 'Minoritetsbärare'.
När en antimon-dopad halvledare utsätts för en elektrisk potential ersätts elektronerna som råkar bli avstängda omedelbart med de fria elektronerna från Antimon-atomer. Men eftersom processen så småningom håller en fri elektron flytande inom den dopade kristallen, orsakar detta att det är ett negativt laddat material.
I detta fall kan en halvledare benämnas N-typ om den har givardensitet högre än dess acceptordensitet. Betydelse när det finns högre antal fria elektroner jämfört med antalet hål, vilket orsakar en negativ polarisering, som anges nedan.
Förstå P-typ halvledare
Om vi överväger situationen omvänd, införande av en 3-elektron 'Trivalent' förorening i en halvledarkristall, till exempel om vi introducerar aluminium, bor eller indium, som innehåller 3 elektroner i sin valensbindning, blir därför en 4: e bindning omöjlig att bilda.
På grund av detta blir en grundlig anslutning svår, vilket gör att halvledaren kan ha många positivt laddade bärare. Dessa bärare kallas 'hål' över hela halvledargaller, på grund av en hel del saknade elektroner.
Nu, på grund av närvaron av hål i kiselkristallen, lockas en elektron i närheten av hålet och försöker fylla spåret. Men så snart elektronerna försöker göra detta, lämnar den sin position och skapar ett nytt hål i sin tidigare position.
Detta lockar i sin tur nästa närliggande elektron, som återigen lämnar ett nytt hål när man försöker ockupera nästa hål. Processen fortsätter att ge ett intryck av att hålen faktiskt rör sig eller strömmar över halvledaren, vilket vi allmänt känner igen som det konventionella strömningsmönstret för strömmen.
Eftersom 'hålen verkar röra sig' ger upphov till brist på elektroner som gör att hela den dopade kristallen kan få en positiv polaritet.
Eftersom varje orenhetsatom blir ansvarig för att generera ett hål kallas dessa trevärda orenheter 'Acceptorer' på grund av att dessa fortsätter att acceptera fria elektroner kontinuerligt i processen.
Bor (B) är ett av de trevärda tillsatserna som populärt används för den ovan förklarade dopningsprocessen.
När bor används som dopningsmaterial orsakar det att ledningen huvudsakligen har positivt laddade bärare.
Detta resulterar i skapandet av P-typmaterial med positiva hål som kallas 'Majoritetsbärare', medan de fria elektronerna kallas 'Minoritetsbärare'.
Detta förklarar hur ett halvledarbasmaterial förvandlas till en P-typ på grund av en ökad densitet av dess acceptoratomer jämfört med givaratomerna.
Hur Bor används för dopning
Sammanfattar grunderna för halvledare
N-typ halvledare (dopad med en pentavalent orenhet som antimon till exempel)
Sådana halvledare som är dopade med pentavalenta orenhetsatomer kallas donatorer, eftersom de visar ledning genom rörelse av elektroner och därför kallas de som halvledare av N-typ.
I N-typ Semiconductor hittar vi:
- Positivt laddade givare
- Ett stort antal fria elektroner
- Relativt mindre antal 'hål' jämfört med 'fria elektroner'
- Som ett resultat av dopning skapas positivt laddade givare och negativt laddade fria elektroner.
- Tillämpningen av en potentiell skillnad resulterar i utvecklingen av negativt laddade elektroner och positivt laddade hål.
P-typ halvledare (dopad med en trivalent förorening som t.ex. bor)
Sådana halvledare som är dopade med trivalenta orenhetsatomer kallas som acceptorer, eftersom de visar ledning genom rörelse av hål och därför kallas de P-typ halvledare.
I N-typ Semiconductor hittar vi:
- Negativt laddade acceptorer
- Stor mängd hål
- Relativt mindre antal fria elektroner jämfört med närvaron av hål.
- Doping resulterar i skapandet av negativt laddade acceptorer och positivt laddade hål.
- Användning av en spänning som lagras orsakar generering av positivt laddade hål och negativt laddade fria elektroner.
I och för sig råkar P- och N-typ halvledare vara naturligt neutrala.
Vanligtvis är Antimon (Sb) och bor (B) de två materialen som används som dopningsdelar på grund av deras rikliga tillgänglighet. Dessa benämns också som 'mettaloider'.
Med detta sagt, om du tittar på det periodiska systemet, hittar du många andra liknande material som har 3 eller 5 elektroner i deras yttersta atomband. Föreslår att dessa material också kan bli lämpliga för dopningsändamålet.
Periodiska systemet 
Tidigare: Mobiltelefonstyrd hundmatarkrets Nästa: Förstå förstärkarkretsar
