Elektronik Basics: Vad är en halvledare? - dummies

Halvledare används i stor utsträckning i elektroniska kretsar. Som namnet antyder är en halvledare ett material som driver ström, men endast delvis. Ledningsförmågan hos en halvledare är någonstans mellan den hos en isolator, som nästan har ingen ledningsförmåga och en ledare, som har nästan full ledningsförmåga. De flesta halvledare är kristaller gjorda av vissa material, oftast kisel.

För att förstå hur halvledare fungerar, måste du först förstå lite om hur elektroner är organiserade i en atom. Elektronerna i en atom är organiserade i lager. Dessa lager heter skal. Det yttersta skalet kallas valence skalet.

Elektronerna i detta skal är de som bildar bindningar med närliggande atomer. Sådana bindningar kallas kovalenta bindningar . De flesta ledare har bara en elektron i valensskalet. Halvledare har däremot vanligtvis fyra elektroner i sitt valensskal.

Om alla närliggande atomer är av samma typ, är det möjligt för alla valenselektroner att binda med valenselektroner från andra atomer. När det händer reglerar sig atomarna sig i strukturer som kallas kristaller . Halvledare är gjorda av sådana kristaller, vanligtvis kiselkristaller.

Här representerar varje cirkel en kiselatom, och linjerna mellan atomerna representerar de delade elektronerna. Var och en av de fyra valenselektronerna i varje kiselatom delas med en angränsande kiselatom. Sålunda är varje kiselatom bunden med fyra andra kiselatomer.

Rena kiselkristaller är inte alla användbara elektroniskt. Men om du introducerar små mängder av andra element i en kristall börjar kristallen att utföra på ett intressant sätt.

Processen att avsiktligt införa andra element i en kristall kallas doping . Det element som införs genom dopning kallas en dopant . Genom att noggrant styra dopningsprocessen och dopmedlen som används kan kiselkristaller förvandlas till en av två distinkta typer av ledare:

• Halvledare av N-typ: Skapas när dopmedlet är ett element som har fem elektroner i dess valensskikt. Fosfor används vanligen för detta ändamål.

  Fosforatomerna förenas rätt i kristallstrukturen av kisel, var och en bindande med fyra intilliggande kiselatomer precis som en kiselatom skulle. Eftersom fosforatomen har fem elektroner i sitt valensskal, men endast fyra av dem är bundna till intilliggande atomer, är den femte valenselektronen kvar att hänga med ingenting att binda till.

  De extra valenselektronerna i fosforatomerna börjar fungera som de enskilda valenselektronerna i en vanlig ledare, såsom koppar. De är fritt att röra sig om. Eftersom denna typ av halvledare har extra elektroner kallas den för en N-typ halvledare.

  

• Halvledare av p-typ: Händer när dopmedlet (t.ex. bor) bara har tre elektroner i valensskalet. När en liten mängd inkorporeras i kristallen, kan atomen binda med fyra kiselatomer, men eftersom det bara har tre elektroner att erbjuda, skapas ett hål . Hålet beter sig som en positiv laddning, så halvledare dopade på detta sätt kallas halvledare av P-typ.

  Som en positiv laddning lockar hål elektroner. Men när en elektron flyttar in i ett hål lämnar elektronen ett nytt hål vid sin tidigare plats. Således rör sig hål i en halvledare av P-typ konstant runt kristallen, eftersom elektronerna ständigt försöker fylla dem.

  

När spänning appliceras på antingen en halvledare av typen N eller P, strömmar strömmen av samma anledning som det strömmar i en vanlig ledare: Spänningens negativa sida trycker på elektroner och den positiva sidan drar dem. Resultatet är att den slumpmässiga elektron- och hålrörelsen som alltid finns i en halvledare blir organiserad i en riktning, vilket ger mätbar elektrisk ström.