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ベーシックエレクトロニクス-半導体
- 半導体*は、抵抗率が導体と絶縁体の間にある物質です。 抵抗率の特性は、材料を半導体として決定する唯一のものではありませんが、次のような特性はほとんどありません。
- 半導体の抵抗率は、絶縁体よりも小さく、導体よりも大きくなっています。
- 半導体には負の温度係数があります。 半導体の抵抗は、温度の低下とともに増加し、逆も同様です。
- 適切な金属不純物が半導体に追加されると、半導体の導電特性が変化します。これは非常に重要な特性です。
半導体デバイスは、エレクトロニクスの分野で広く使用されています。 トランジスタはかさばる真空管に取って代わり、デバイスのサイズとコストが削減され、この革命は集積エレクトロニクスのような新しい発明につながるペースを上げ続けています。 次の図は、半導体の分類を示しています。
半導体の伝導
電子についてある程度の知識を得た後、最外殻には原子核にゆるく結合している*価電子*があることがわかりました。 このような原子は、他の原子に近づけると価電子を持ち、これら両方の原子の価電子が結合して「電子対」を形成します。 この結合はそれほど強くないため、*共有結合*です。
たとえば、ゲルマニウム原子には32個の電子があります。 最初の軌道に2個の電子、2番目の軌道に8個、3番目の軌道に18個、最後の軌道に4個。 これらの4つの電子は、ゲルマニウム原子の価電子です。 これらの電子は、次の図に示すように、隣接する原子の価電子と結合して電子対を形成する傾向があります。
穴の作成
結晶に供給される熱エネルギーにより、一部の電子はその場所から移動して共有結合を破壊する傾向があります。 これらの壊れた共有結合は、ランダムにさまよう自由電子をもたらします。 しかし、*移動した電子*は、背後に空の空間または原子価を作成し、これは*ホール*と呼ばれます。
失われた電子を表すこのホールは、ユニットの正電荷と見なすことができ、電子はユニットの負電荷と見なします。 解放された電子はランダムに移動しますが、外部電界が印加されると、これらの電子は印加電界と反対方向に移動します。 しかし、電子が存在しないために作成されたホールは、印加電界の方向に移動します。
ホール電流
共有結合が切断されると、穴が作成されることはすでに理解されています。 実際、半導体結晶は共有結合を形成する傾向が強い。 そのため、結晶に穴が存在する傾向はありません。 これは、半導体結晶格子を示す次の図でよりよく理解できます。
電子は、場所Aから移動すると、穴が形成されます。 共有結合が形成される傾向があるため、Bからの電子はAにシフトします。 ここで、Bの共有結合のバランスをとるために、電子がCからBにシフトします。 これはパスを構築し続けます。 適用されたフィールドがない場合のこの穴の動きはランダムです。 しかし、電界が印加されると、ホールは印加された電界に沿ってドリフトし、*ホール電流*を構成します。 これはホール電流と呼ばれますが、電子電流ではなく、ホールの動きが電流の流れに寄与するためです。
電子と正孔はランダムに動いているときに、互いに出会ってペアを形成する場合があります。 この再結合により熱が放出され、別の共有結合が破壊されます。 温度が上昇すると、電子と正孔の生成速度が増加するため、再結合の速度が増加し、電子と正孔の密度が増加します。 その結果、半導体の導電率が増加し、抵抗率が低下します。これは、負の温度係数を意味します。
真性半導体
非常に純粋な形の半導体は、*真性半導体*と言われています。 この純粋な半導体の特性は次のとおりです-
- 電子と正孔は、熱励起によってのみ生成されます。
- 自由電子の数は正孔の数に等しい。
- 伝導能力は室温では小さいです。
真性半導体の伝導能力を高めるには、不純物を追加することをお勧めします。 不純物を追加するこのプロセスは、「ドーピング」と呼ばれます。 現在、このドープされた真性半導体は、外因性半導体と呼ばれています。
ドーピング
半導体材料に不純物を追加するプロセスは、ドーピングと呼ばれます。 添加される不純物は、一般に五価および三価の不純物です。
五価不純物
- *五価*不純物は、最も外側の軌道に5つの価電子を持つものです。 例：ビスマス、アンチモン、ヒ素、リン
- 5価の原子は、純粋な半導体原子の伝導帯に1つの電子を供与するため、*ドナー原子*と呼ばれます。
三価不純物
- *三価*不純物は、最も外側の軌道に3つの価電子を持つものです。 例：ガリウム、インジウム、アルミニウム、ホウ素
- 三価原子は、半導体原子から1つの電子を受け取るため、*アクセプタ原子*と呼ばれます。
外因性半導体
純粋な半導体にドーピングして形成される不純な半導体は、*外因性半導体*と呼ばれます。 添加される不純物の種類に応じて、2種類の外因性半導体があります。 それらは、N型外因性半導体とP型外因性半導体です。
N型外因性半導体
純粋な半導体に少量の五価不純物を添加して、N型外因性半導体を生成します。 追加された不純物は、5つの価電子を持っています。
たとえば、ヒ素原子がゲルマニウム原子に追加されると、4つの価電子がGe原子と結合しますが、1つの電子は自由電子として残ります。 これは、次の図に示すとおりです。
これらの自由電子はすべて電子電流を構成します。 したがって、不純物は純粋な半導体に添加されると、伝導のための電子を提供します。
- N型外因性半導体では、伝導は電子を介して行われるため、電子は多数キャリアであり、正孔は少数キャリアです。
- 正または負の電荷が追加されていないため、電子は電気的に中性です。
- 5価の不純物が添加されたN型半導体に電界が印加されると、自由電子は正極に向かって移動します。 これは、負またはN型導電率と呼ばれます。
P型外因性半導体
純粋な半導体に少量の三価不純物を添加して、P型の外因性半導体を生成します。 添加された不純物は3つの価電子を持っています。 たとえば、ホウ素原子がゲルマニウム原子に追加されると、3つの価電子がGe原子と結合して、3つの共有結合を形成します。 しかし、ゲルマニウム内のもう1つの電子は、結合を形成せずに残ります。 共有結合を形成するためにホウ素に電子が残っていないため、空間は穴として扱われます。 これは、次の図に示すとおりです。
少量のホウ素不純物は、伝導に役立つ多くのホールを提供します。 これらの穴はすべて穴電流を構成します。
- P型の外因性半導体では、伝導はホールを介して行われるため、ホールは多数キャリアであり、電子は少数キャリアです。
- ここで追加された不純物は、ゲルマニウム原子から電子を受け取るため、「アクセプター」と呼ばれるホールを提供します。
- 可動性ホールの数はアクセプターの数に等しいままなので、P型半導体は電気的に中性のままです。
- 3価の不純物が添加されたP型半導体に電界が印加されると、正孔は負極に向かって移動しますが、電子よりも遅いペースで移動します。 これはP型導電率と呼ばれます。
- このP型の伝導性では、N型とは異なり、価電子が1つの共有結合から別の共有結合に移動します。
半導体でシリコンが好まれる理由
ゲルマニウムやシリコンなどの半導体材料の中で、さまざまな電子部品の製造に広く使用されている材料は*シリコン（Si）*です。 シリコンは、ゲルマニウムよりも多くの理由で好まれます-
- エネルギーバンドギャップは0.7evですが、ゲルマニウムでは0.2evです。
- 熱ペアの生成は小さくなります。
- SiO2層の形成はシリコンにとって容易であり、これは統合技術とともに多くのコンポーネントの製造に役立ちます。
- SiはGeよりも自然界で簡単に見つかります。
- ノイズは、GeよりもSiで構成されたコンポーネントの方が小さくなっています。
したがって、シリコンは多くの電子部品の製造に使用され、さまざまな目的のために異なる回路を作成するために使用されます。 これらのコンポーネントには、個別のプロパティと特定の用途があります。
主な電子部品には、抵抗、可変抵抗、コンデンサ、可変コンデンサ、インダクタ、ダイオード、トンネルダイオード、バラクタダイオード、トランジスタ、BJT、UJT、FET、MOSFET、LDR、LED、太陽電池、サーミスタ、バリスタ、変圧器、スイッチが含まれます。 、リレーなど
