Ημιαγωγός

Ένας ημιαγωγός είναι ένα υλικό που σε ορισμένες περιπτώσεις θα άγει τον ηλεκτρισμό, αλλά όχι σε άλλες. Οι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί, όπως ο χαλκός ή ο άργυρος, επιτρέπουν εύκολα τη ροή του ηλεκτρισμού μέσα από αυτούς. Τα υλικά που εμποδίζουν τη ροή του ηλεκτρισμού, όπως το καουτσούκ ή το πλαστικό, ονομάζονται μονωτές. Οι μονωτές χρησιμοποιούνται συχνά για την προστασία των ανθρώπων από την ηλεκτροπληξία. Όπως υποδηλώνει και το όνομά του, ένας ημιαγωγός δεν άγει τόσο καλά όσο ένας αγωγός. Το πυρίτιο είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος ημιαγωγός, αλλά χρησιμοποιείται επίσης το αρσενιούχο γάλλιο.

Με την προσθήκη διαφορετικών ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα (πλέγμα) του ημιαγωγού αλλάζει η αγωγιμότητά του, καθιστώντας ημιαγωγούς τύπου n και τύπου p. Το πυρίτιο είναι ο σημαντικότερος εμπορικός ημιαγωγός, αν και χρησιμοποιούνται πολλοί άλλοι. Μπορούν να κατασκευαστούν τρανζίστορ, τα οποία είναι μικροί ενισχυτές. Τα τρανζίστορ χρησιμοποιούνται σε υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές συσκευές αναπαραγωγής ήχου και πολλές άλλες ηλεκτρονικές συσκευές.

Όπως και σε άλλα στερεά, τα ηλεκτρόνια στους ημιαγωγούς μπορούν να έχουν ενέργεια μόνο μέσα σε ορισμένες ζώνες (δηλ. περιοχές ενεργειακών επιπέδων) μεταξύ της ενέργειας της βασικής κατάστασης, που αντιστοιχεί σε ηλεκτρόνια στενά συνδεδεμένα με τους ατομικούς πυρήνες του υλικού, και της ενέργειας του ελεύθερου ηλεκτρονίου, η οποία είναι η ενέργεια που απαιτείται για να διαφύγει ένα ηλεκτρόνιο εξ ολοκλήρου από το υλικό.

Ηλεκτρονικά εξαρτήματα με βάση τον ημιαγωγό

Ιστορία

Οι ημιαγωγοί μελετήθηκαν στα εργαστήρια ήδη από τη δεκαετία του 1830. Το 1833 ο Michael Faraday πειραματιζόταν με θειούχο άργυρο. Ανακάλυψε ότι καθώς το υλικό θερμαινόταν, οδηγούσε καλύτερα τον ηλεκτρισμό. Αυτό ήταν το αντίθετο από τον τρόπο με τον οποίο ενεργούσε ο χαλκός. Όταν ο χαλκός θερμαίνεται άγει λιγότερο τον ηλεκτρισμό. Ορισμένοι άλλοι πρώτοι πειραματιστές ανακάλυψαν και άλλες ιδιότητες των ημιαγωγών. Το 1947 στα εργαστήρια Bell Labs στο Νιου Τζέρσεϊ, εφευρέθηκε το τρανζίστορ. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, τα οποία τροφοδοτούν σχεδόν όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές σήμερα.

Ημιαγωγός-ντοπάρισμα

Doping

Η πρόσμιξη είναι η διαδικασία προσθήκης μιας μικρής πρόσμιξης σε έναν καθαρό ημιαγωγό για να αλλάξουν οι ηλεκτρικές του ιδιότητες. Οι ελαφρώς και μέτρια προσμίξεις ημιαγωγών ονομάζονται εξωγενείς. Ένας ημιαγωγός που είναι ντοπαρισμένος σε τόσο υψηλά επίπεδα ώστε να συμπεριφέρεται περισσότερο σαν αγωγός παρά σαν ημιαγωγός ονομάζεται εκφυλισμένος. Οι περισσότεροι ημιαγωγοί αποτελούνται από κρυστάλλους πυριτίου. Το καθαρό πυρίτιο έχει μικρή χρήση, αλλά το ντοπαρισμένο πυρίτιο αποτελεί τη βάση για τους περισσότερους ημιαγωγούς. Η κοιλάδα του πυριτίου ονομάστηκε έτσι λόγω του μεγάλου αριθμού νεοφυών εταιρειών ημιαγωγών που βρίσκονταν εκεί.

Ημιαγωγοί σήμερα

Σήμερα, οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως. Οι ημιαγωγοί βρίσκονται σχεδόν σε κάθε ηλεκτρονική συσκευή. Οι επιτραπέζιοι υπολογιστές, το Διαδίκτυο, οι συσκευές tablet, τα smartphones, όλα αυτά δεν θα ήταν δυνατά χωρίς ημιαγωγούς. Οι ημιαγωγοί μπορούν να γίνουν πολύ ακριβείς διακόπτες με μια μικρή ποσότητα τάσης. Η τάση που δεν χρειάζεται ο ημιαγωγός μπορεί να σταλεί σε άλλα ηλεκτρικά εξαρτήματα της συσκευής. Οι ημιαγωγοί μπορούν επίσης να γίνουν πολύ μικροσκοπικοί και πολλοί από αυτούς μπορούν να χωρέσουν σε ένα αρκετά μικρό κύκλωμα. Δεδομένου ότι μπορούν να γίνουν τόσο μικροί, οι ηλεκτρικές συσκευές σήμερα μπορούν να γίνουν λεπτές και ελαφριές χωρίς να διακυβεύεται η επεξεργαστική ισχύς. Ορισμένες από τις κυρίαρχες εταιρείες στον τομέα των ημιαγωγών είναι η Intel Corporation, η Samsung Electronics, η TSMC, η Qualcomm και η Micron Technology.

Σχετικές σελίδες

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Q: Τι είναι ένας ημιαγωγός;

A: Ένας ημιαγωγός είναι ένα υλικό το οποίο σε ορισμένες περιπτώσεις άγει τον ηλεκτρισμό αλλά όχι σε άλλες. Δεν άγει τόσο καλά όσο οι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί, όπως ο χαλκός ή ο άργυρος, και δεν εμποδίζει τη ροή του ηλεκτρισμού όπως οι μονωτές, όπως το καουτσούκ ή το πλαστικό.

Ερ: Τι είναι οι ημιαγωγοί τύπου n και p;

Α: Οι ημιαγωγοί τύπου n και p δημιουργούνται με την προσθήκη διαφορετικών ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα (πλέγμα) του ημιαγωγού, το οποίο αλλάζει την αγωγιμότητά του.

Ερ: Σε τι χρησιμοποιείται το πυρίτιο;

Α: Το πυρίτιο είναι ο σημαντικότερος εμπορικός ημιαγωγός και μπορεί να κατασκευαστεί σε τρανζίστορ, τα οποία είναι μικροί ενισχυτές που χρησιμοποιούνται σε υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές συσκευές αναπαραγωγής ήχου και πολλές άλλες ηλεκτρονικές συσκευές.

Ερ: Ποια άλλα υλικά χρησιμοποιούνται ως ημιαγωγοί;

Α: Εκτός από το πυρίτιο, ως ημιαγωγός χρησιμοποιείται και το αρσενιούχο γάλλιο.

Ερ: Πώς συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια σε ένα στερεό υλικό;

Α: Τα ηλεκτρόνια στα στερεά υλικά μπορούν να έχουν ενέργεια μόνο μέσα σε ορισμένες ζώνες (δηλ. περιοχές ενεργειακών επιπέδων) μεταξύ της ενέργειας της βασικής κατάστασης, που αντιστοιχεί σε ηλεκτρόνια στενά συνδεδεμένα με τους ατομικούς πυρήνες του υλικού, και της ενέργειας του ελεύθερου ηλεκτρονίου, που είναι η ενέργεια που απαιτείται για να διαφύγει ένα ηλεκτρόνιο εξ ολοκλήρου από το υλικό.

Ερ: Γιατί οι μονωτές χρησιμοποιούνται συχνά για την προστασία των ανθρώπων από την ηλεκτροπληξία;

Α: Οι μονωτές εμποδίζουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος και έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία των ανθρώπων από την ηλεκτροπληξία, εμποδίζοντας το ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει από μέσα τους.

Ερ: Πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ;

Α: Τα τρανζίστορ λειτουργούν ως μικροί ενισχυτές που λαμβάνουν ένα σήμα εισόδου και το ενισχύουν πριν το εξάγουν σε υψηλότερο επίπεδο από αυτό που αρχικά εισήχθη.