Halbleiter

Halbleiter werden weitgehend verwendet, um die Elektronik zu bauen und sind die Grundlage der globalen Halbleiterindustrie.

Ein Halbleiter ist ein fester Stoff, der in der Regel Leitfähigkeit zwischen Isolator und den meisten Metallen wie Kupfer oder Gold. Der am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist kristallines Silizium, das in Form von dünnen, polierte Wafer zur Verfügung gestellt wird.

Es gibt zwei Haupttypen von Halbleitern, p-Typ und n-Typ. Diese sind neben einander und in verschiedenen Konfigurationen, Halbleiter-Bauelemente wie p-n Verzweigungen oder p-n-p-Transistoren bauen hergestellt. Jede Konfiguration besitzt einzigartige elektrische Eigenschaften nützlich in verschiedenen elektronischen Geräten.

Dieses Video präsentieren die Grundprinzipien der Halbleiter-Materialien und Eigenschaften des p-n Verzweigungen in Form einer Diode. Als nächstes wird es eine Schritt für Schritt Protokoll zur Charakterisierung einer Diode, gefolgt von einigen realen Anwendungen von Halbleitern illustrieren.

Die meisten reinen oder intrinsische Halbleiter wie Silizium, sind nicht hervorragende elektrische Leiter. Und zwar deshalb, weil jedes Silizium-Atom vier Elektronen in seiner Wertigkeit oder äußerste Schale hat. Er teilt diese Elektronen mit benachbarten Silizium-Atome zu Form kovalente Bindungen, erstellen eine Gitterstruktur frei von freien Elektronen. So wird ein Halbleiter leitender durch Zugabe von Verunreinigungen, ein Prozess auch bekannt als doping, um dotierten oder extrinsischen Halbleiter zu bilden gemacht.

Diese Verunreinigungen sind von zweierlei Art: Spender und Akzeptoren. "Geber", wie Phosphor und Arsen, haben fünf Elektronen in der äußeren Schale. Vier davon werden verwendet, um kovalente Bindungen mit angrenzenden Silizium-Atome bilden. Die verbleibenden ein Elektron ist dann frei durch das Gitter bewegen. Diese Art von dotierten Halbleiter, in denen Elektronen die dominanten Ladungsträger sind nennt man einen n-Typ-Halbleiter.

Jetzt ist die Verunreinigung ein Akzeptor Molekül, wie Bor oder Aluminium, unterscheidet sich das Ergebnis. Diese Akzeptoren haben nur drei Elektronen in der äußeren Schale. Daher, wenn ein Akzeptor-Atom Anleihen bildet mit den umliegenden Silizium-Atome, hinterlässt es eine Region der positiven Ladung genannt eine "Loch", das effektiv als ein positiv geladenes Elektron verhält. Das Loch ist jetzt frei durch das Gitter bewegen. Diese Art von dotierten Halbleiter, in denen Löcher die meisten Ladungsträger sind nennt man einen p-Typ-Halbleiter.

Jetzt ist wenn eine Region auf einem einzigen Halbleiterkristall oder einem Wafer mit Spender-Atomen dotiert ist und eine angrenzende Region mit Akzeptor Atome dotiert ist, ein p-n-Übergang gebildet. Die Schnittstelle zwischen der p- und n-Regionen nennt man die Kreuzung Grenze.

An der Kreuzung-Grenze die überschüssigen Elektronen im n-Gebiet gegenüber der p-Region zu verbreiten, und gleichzeitig die überschüssige Löcher im p-Gebiet diffundieren in Richtung der n-Region.

Durch diese Diffusion werden die Spender-Atome in der n-Region unbeweglich positive Ionen, während der Akzeptor-Atome im p-Gebiet unbeweglich negativ geladenen Ionen werden. An der Grenze zwischen p und n-Regionen, eine "Raumladungszone", die also einen Mangel an beweglichen Elektronen und Löcher gebildet.

Die negativen Ionen in der p-Typ-Raumladungszone stoßen die Elektronen, die aus der n-Region in die p-Region, zu verbreiten, während die positiven Ionen in der n-Typ Raumladungszone die Löcher stoßen, die aus der p-Region in die n-Region zu verbreiten.

Das heißt, blockiert das elektrische Feld aus den Aufbau von Ionen in der Raumladungszone effektiv Strom fließt über die Kreuzung. Strom kann wieder fließen durch Anlegen einer Spannung über die Kreuzung versucht werden.

Ein positiven Spannungsabfall angewendet wird, reduziert sich auch bekannt als "Forward-Bias", die Breite der Raumladungszone, Verringerung der Region elektrisches Feld, durch die Elektronen und Löcher über die Kreuzung und damit Strom fließt durch die Konfiguration zu springen.

Umgekehrt, wenn ein negative Spannungsabfall über der Kreuzung angewendet wird, bekannt als "rückwärts-Bias", dann die Erschöpfung Region Breite erhöht. Dies wiederum erhöht die Region elektrischen Feldstärke und Strömungswiderstand von Elektronen und Löcher über die Kreuzung.

So fließt der Strom nur in eine Richtung durch einen PN-Übergang. Die Shockley Diode Gleichung kann verwendet werden, um diesen Strom in Abhängigkeit von der Diode Spannungsabfall und Temperatur zu berechnen. "E" ist hier die Elementarladung, ' n ' ist ein Faktor der Idealität, die wie eine echte Diode führt im Vergleich zu einer idealen Diode charakterisiert und 'Kb' ist die Boltzmann-Konstante 'Isat' ist der kleine Ableitstrom, der durch das Gerät fließt, auch wenn es einseitig rückgängig zu machen.

Überprüfen Sie nach Abschluss die Grundlagen, lassen Sie uns jetzt eine schrittweise Protokoll um einen PN-Übergang zu charakterisieren. Zuerst erhalten Sie die notwendigen Materialien und Instrumente, nämlich eine Halbleiterdiode, eine Leuchtdiode oder LED eine Stromquelle, zwei digitale Multimeter, ein 1-Kilo-Ohm-Widerstand, einige Bananen-Kabel und Stecker und ein Thermometer.

Schauen Sie sich die Halbleiterdiode und stellen Sie sicher, dass es eine rote Terminal und eine schwarze Klemme. Die schwarze Klemme heißt der Kathode und die rote Klemme ist die Anode.

Schließen Sie als nächstes den Widerstand in Reihe mit der Anode der Diode. Anschließend verbinden Sie mit den Bananen-Kabeln, den Pluspol der Stromquelle mit unverbundenen Ende des Widerstands. Schließen Sie als nächstes die Kathode der Diode an den Pluspol der ein Amperemeter und das Amperemeter Minus-Pol zum Minuspol der Stromquelle, um den Stromkreis zu schließen den Stromkreis zu schließen.

Die Diode ist jetzt vorwärts voreingenommen. Notieren Sie die Temperatur des Raumes. Richten Sie nun das Netzteil + 5 Volt Gleichstrom durch die Schaltung zu füttern.

Da die Diode vorwärts voreingenommen ist, es sollte ein Strom durch die Schaltung und eine Spannung an der Diode fallen.

Schließen Sie als nächstes die Plusleitung von einem zweiten Multimeter auf die Anode der Diode und die Minusleitung auf der Kathode. Sicherzustellen, dass das Multimeter Voltmeter Modus und den Spannungsabfall zu messen. Beachten Sie auch, die aktuelle, wie durch das Amperemeter aufgezeichnet.

Nun, anpassen der Stromquelle, um einer anderen Spannung zu erzeugen und den entsprechenden Tropfen an der Diode mit dem Voltmeter und der Strom durch das Amperemeter mit aufnehmen.

Auch beachten Sie die Umgebungstemperatur für jede Lesung, und wiederholen Sie das Protokoll für eine Reihe von Diode Spannungen.

Sobald alle Messungen aufgezeichnet sind, trennen Sie das Voltmeter und schalten Sie die Stromversorgung. Halten alles das gleiche, drehen Sie die Diode, so dass die Anode und Kathode Verbindungen jetzt umgekehrt sind und die Diode in der reverse Bias-Modus verbunden ist.

Schalten Sie die Stromversorgung, und schließen Sie das Voltmeter an der Diode mit der Plusleitung des Multimeters an der Anode der Diode und die Minusleitung zur Kathode angeschlossen.

Nehmen Sie den Spannungsabfall über der Diode, die Temperatur und der Strom durch die Diode für verschiedenste Diode Spannungen auf. Schalten Sie die Stromversorgung und trennen Sie die Diode zu.

Zu guter Letzt verbinden Sie eine LED anstelle der Diode zu, und beobachten Sie die LED in forward und reverse Bias Konfigurationen für verschiedenste Spannungsabfälle.

Mit dem Protokoll nun abschließen Sie, betrachten Sie wir die Ergebnisse der beiden das vorwärts- und rückwärts-Bias Experiment über die Diode und die LED. Berechnen Sie zunächst, den Strom durch die Diode für die verschiedenen Spannung sinkt unter Verwendung der Gleichung Shockley Diode und die Hersteller zur Verfügung gestellt Isat Wert. Zum Beispiel kann für eine Temperatur von 293 Kelvin und einer gemessenen Diode Spannung von 555 Milli-Volt, der Strom durch die Diode zu 0,913 Milli-Ampere berechnet werden.

Typische Ergebnisse für die Schaltung-Messungen mit der Diode in vorwärts- und Voreingenommenheit verbunden sind in der Tabelle aufgeführt. Die berechneten und gemessenen Strom wird als Funktion der gemessenen Diode Spannung geplottet. Dies nennt man die "Kennlinie" der Diode.

Die Grafik zeigt die exponentielle Abhängigkeit der gemessenen und berechneten Ströme auf der Diode Spannung. Insbesondere wird festgestellt, dass wenn die Diode nach vorn voreingenommen ist, es den Strom ermöglicht durch.

Aber wenn die Diode ist umgekehrte voreingenommen, kein Strom fließt, wodurch es ein Ventil, das Strom nur in eine Richtung erlaubt. Der kleine Strom, der immer noch gelingt, fließen, auch wenn die Diode Sperrrichtung, ist, ist die aktuelle Sättigung.

Halbleiter bilden die Grundlage für die gesamte Elektroindustrie, angefangen bei der einfachen LEDs in unsere TV-Displays auf die komplexen Super-Computer verwendet für wissenschaftliche Zwecke der Datenverarbeitung verwendet.

Halbleiter sind nicht nur gebrauchte Build p-n Verzweigungen oder Dioden, aber auch Transistoren, die n-p-n oder p-n-p-Kreuzungen. Diese Transistoren sind die Grundlage der modernen Elektronik, wie sie verwendet werden können, um Logik-Gatter, sind Schaltungen, die Boolesche logische Grundoperationen wie AND, OR, nicht durchführen kann und NAND zu errichten. Diese logischen Operationen können kombiniert werden, wie notwendig, um komplexere Operationen wie digitale Addition und Multiplikation. Es kann sogar zur Computer-Prozessoren und Speicher zu bauen.

Halbleiter-Materialien können auch zur Erzeugung von Licht für Anwendung in der optischen Elektronik. Eine Leuchtdiode oder LED Licht ist beispielsweise ein pn-Übergang, das Licht aktiviert. Wenn es eine geeignete Spannung zugeführt wird, rekombinieren Elektronen mit Löchern im Inneren des Gerätes, die Freisetzung von Energie in Form von Licht.

Hergestellt aus Halbleitern LEDs sind weitere energieeffiziente Lichtquellen als die herkömmliche Glühbirne. Daher LEDs haben Anwendungen gefunden, in der Umwelt- und Arbeitsplatzbeleuchtung, elektronische zeigt und fortschrittliche Kommunikationstechnologie.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Halbleitern beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die Grundlagen der Halbleiter und Grundsätze, Funktionsweise und Eigenschaften des p-n-Übergang. Danke fürs Zuschauen!