Duonkonduktanto

Duonkonduktanto
vd
Dum	nekonata - nekonata/nuntempe
Partoprenanta	n-type semiconductor • p-type semiconductor vd
	v • d • r

Reviziita versio de ĉi tiu paĝo, aprobita je 21 okt. 2023, estis bazita sur ĉi tiu versio.

Duonkonduktanto^[1] (aŭ duonkonduktaĵo, aŭ semikonduktaĵo) estas materialo kun elektra kondukteco, kiu estas meze inter tiuj de konduktaĵoj kaj izolaĵoj. Semikonduktaĵoj estas utilaj por elektronikaj celoj ĉar ili povas porti elektran kurenton per elektrona propagado kaj trua propagado, kaj ĉar tiu ĉi estas ĝenerale unu-direkta kaj la kvanto da kurento povas esti influita de ekstera peranto (vidu diodo, transistoro, amplifilo, k.t.p.) Elektrona propagado estas la sama speco de kurenta fluo kiel vidata en kutima kupra drato - multaj jonigitaj atomoj transdonas troajn elektronojn tra la drato de unu atomo al alia por movi de pli negative jonigita regiono al malpli negative jonigita regiono. "Trua" propagado estas ĝuste malsama propagado - en la kazo de duonkonduktaĵo spertanta truan propagadon, la ŝargon movas de la pli pozitive jonigita regiono al malpli pozite jonigita regiono per la movado de elektrona truo kreita de la manko de elektrono en preskaŭ plena elektrona ŝelo.

Dum silica duoksido aŭ sablo estas izolaĵo, senkontamina silicio estas duonkonduktaĵo.

La ecoj de duonkonduktaĵo, ekz la nombro da portantoj (kaj tial la superado de elektrona propagado aŭ trua propagado), povas esti regata per "dopado" de la duonkonduktaĵo kun malpuraĵoj. Duonkonduktaĵo kun pli da elektronoj ol truoj nomiĝas n-tipa duonkonduktaĵo, dum duonkonduktaĵo kun pli da truoj ol elektronoj nomiĝas p-tipa duonkonduktaĵo.

Duonkonduktaĵoj estas la fundamentaj materialoj de multaj modernaj elektronikaj aparatoj.

Materialoj

Granda nombro de elementoj kaj kemiaj kombinaĵoj havas duonkonduktajn proprecojn, kiel:^[2]

Puraj elementoj
Binaraj kombinaĵoj
Triarangaj kombinaĵoj
Organikaj duonkonduktantoj kaj
Metal–organikaj duonkonduktantoj

Elektronika strukturo de duonkonduktaĵoj

Semikonduktaĵoj elmontras nombron da utilaj kaj unikaj ecoj rilataj al siaj elektronikaj strukturoj. En solidaĵo, la elektronoj emas okupi variajn energiajn bendojn. La energio asociata kun elektronoj en ilia grunda (plej suba) stato nomiĝas valenta bendo. Tiuj ĉi elektronoj estas senmovaj aŭ statikaj. La energibendo de ekscititaj elektronoj nomiĝas konduta bendo. Tiuj ĉi elektronoj movas libere kaj kutime havas pli altan energion. Kiel la nomo implikas, elektronoj en la kondukta bendo povas kondukti elektron. La energia interspaco inter la valenta bendo kaj la kondukta bendo nomiĝas la energia breĉo aŭ bendbreĉo kaj konformas al la energio necesa por eksciti elektronon de la valenta bendo al la kondukta bendo. Por kelkaj metaloj tiel kiel magnezio, la valenta kaj kondukta bendoj interkovriĝas, kaj tiu korespondas al negativa bendbreĉo. En tiu ĉi situacio ĉiam estas kelkaj elektronoj en la kondukta bendo kaj la materialo estas alte konduktiva. Aliaj metaloj, tiel kiel kupro, havas malplenajn statojn en la valenta bendo. En tiu ĉi kazo, elektronoj en la valenta bendo povas kondukti elektron per movado inter variaj statoj kaj refoje la materialo estas alte konduktiva. Por izolaĵoj, la valenta bendo estas tute plena kaj la bendbreĉo estas relative larĝa, kiu malpermesas konduktadon. Semikonduktaĵoj havas elektronike bendan strukturon similan al tiu de izolaĵoj sed kun relative mallarĝa bendbreĉo, ĝenerale malpli ol 2 eV. Ĉar la bendbreĉo estas relative mallarĝa, la elektronoj povas esti ekscititaj termike en la konduktan bendon, kiu faras duonkonduktaĵojn iom konduktiva ĉe ĉambra temperaturo.

Elektronoj en la kondukta bendo estas liberaj movi tra la materialo konduktante elektron. Aldone kiam elektrono estas ekscitita al la kondukta bendo ĝi postlasas malplenan staton en la valenta bendo, kiu korespondas al mankanta elektrono en kovalenta atoma ligo. Pro la influo de elektra kampo, apuda valenta elektrono eble movas en la lokon de la mankanta elektrono. Tiel kiel elektrono, tiu ĉi mankanta elektrono aŭ truo ankaŭ povas movi tra la materialo, konduktante elektron. Truoj estas konsiderataj havi ŝargon kun la sama magnitudo (1,6E-19 C) sed la malsama signo de elektrono. Tiel, ĉe la ĉeesto de elektra kampo, ekscititaj elektronoj kaj truoj movas en malsamajn direktojn. Elektronoj estas iom pli movebla ol truoj kaj tiel estas pli efikaj pri konduktado de elektro. Ĉar ambaŭ elektronoj kaj truoj kapablas porti elektron, ili nomiĝas "portantoj".

La koncentreco de portantoj forte dependas de temperaturo. Pliigo de temperaturo kondukas al pliiĝo de la nombro da portantoj kaj korespondanta pliiĝo de konduktiveco. Tio ĉi kontrastas akre kun plej multaj konduktaĵoj, kiuj emas fariĝi malpli konduktiva ĉe pli altaj temperaturoj. Tiu ĉi principo uziĝas en termistoroj.

Vidu elektran konduktadon por pli da informoj pri konduktadon en materialoj.

Dopado kaj ekstereca duonkonduktado

Internecaj duonkonduktaĵoj estas tiuj en kiuj la elektra konduto dependas de la elektronika strukturo de la pura materialo. Kaze de internecaj semikondktaĵoj, ĉiuj portantoj kreiĝas de ekscitado de elektronoj en la konduktan bendon. Tiel egalaj nombroj de kondutaj elektronoj kaj truoj kreiĝas. Ekstereca duonkonduktaĵo estas duonkonduktaĵo kiu estas dopita kun variaj malpuraĵoj modifi la nombron de ekscititaj elektronoj kaj truoj. Naturaj bluaj diamantoj (Tipo IIb) kiuj entenas boron kiu havas valentecon tri anstataŭantajn karbonon kiu havas valentecon kvar havas kromajn truojn kaj tiel estas nature okazantaj p-tipajn duonkondutaĵojn.

n-tipa dopado

La kialo de n-tipa dopado estas produkti abundon de portantaj elektronoj en la materialo. Helpi kompreni kiel n-tipa efektiviĝas, konsideru la kazon de silicion (Si). Si-aj atomoj havas kvar valentajn elektronojn, ĉiuj el kiuj estas kovalente ligitaj al unu el kvar apudaj Si-aj atomoj. Se atomo kun kvin valentaj elektonoj, tiel kiel tiuj de grupo VA de la perioda tablo (ekz. fosforo (P), arseno (As), aŭ antimono (Sb)) enkorpiĝas en la kristalan latison anstataŭ Si-a atomo, tiam tiu atomo havas kvar kovalentajn ligojn kaj unu neligitan elektronon. Tiu ĉi ne-liga elektrono estas nur malforte ligita al la atomo kaj povas facile esti ekscitita en la konduktan bendon. Ĉe normalaj temperaturoj, preskaŭ ĉiuj tiaj elektronoj ekcitiĝis en la konduktan bendon. Pro tio ke ekscitado de tiuj ĉi elektonoj ne rezultas en formadon de truo, la nombro de elektronoj multe superas la nombron da truoj. Ĉi kaze la elektronoj estas majoritataj portantoj kaj la truoj estas minoritataj portantoj. Ĉar la kvin-elektronaj atomoj havas kroman elektronon doni, ili nomiĝas donantaj atomoj.

p-tipa Dopado

La celo de p-tipa dopado estas krei abundon de truoj. En tiu ĉi kazo, trivalenta atomo, kutime boro, substituiĝas en la kristala latiso. La rezulto estas ke mankas elektrono de unu el la kvar eblaj kovalentaj ligoj. Tiel la atomo povas akcepti elektronon por tutigi la kvaran ligon kiu rezultas en formado de truo. Tiaj dopantoj nomiĝas akceptantoj. Kiam sufiĉe granda nombro de akceptantoj aldoniĝas, la truoj multe supernombras la ekscititajn elektronojn. Tiel la truoj estas la majoritataj portantoj dum elektronoj estas la minoritataj portantoj en p-tipaj materialoj.

p/n-a Junto

p/n-a junto povus esti kreita per dopado de apudaj regionoj kun p-tipa kaj n-tipa dopantoj. Se pozitiva aldona tensio aplikiĝas al la p-tipa flanko, la superregaj pozitivaj portantoj (truoj) estas puŝataj al la junton. Samtempe, la superregaj negativaj portantoj (elektronoj) en la n-tipa materialo estas tirataj al la junton. Ĉar estas abundo da portanatoj ĉe la junto, kurento povas flui tra la junto de pova provizilo, tiel kiel baterio. Tamen, se la aldona tensio renversiĝas kaj elektronoj tiriĝas for de la junto, lasi regionon de relative ne-konduktan silicion kiu malebligas kurentan fluon. La p/n-a junto estas la bazo de elektronika aparato nomita diodon, kiu allasas elektran kurenton flui nur laŭ unu direkton. Simile, tria regiono povas esti dopita n-tipa aŭ p-tipa por formi tri-terminalan aparato. Tiuj ĉi n/p/n-aj aŭ p/n/p-aj juntaj aparatoj formas la bazon de plej multaj duonkonduktaĵaj aparatoj inklude de la transistoro.

Referencoj

↑ duonkonduktanto (esperante). PIV 2020. Alirita 2023-10-21 . “Substanco, havanta konduktivon inter tiu de izolanta substanco k tiu de konduktanto”.
↑ B. G. Yacobi, Semiconductor Materials: An Introduction to Basic Principles, Springer 2003 (ISBN 0-306-47361-5), pp. 1–3.

Literaturo

(2006) Handbook of Semiconductor Nanostructures and Nanodevices (5-Volume Set). American Scientific Publishers. ISBN 978-1-58883-073-9.

Sze, Simon M.. (1981) Physics of Semiconductor Devices (2a eld.). John Wiley and Sons (WIE). ISBN 978-0-471-05661-4.

Turley, Jim. (2002) The Essential Guide to Semiconductors. Prentice Hall PTR. ISBN 978-0-13-046404-0.

(2004) Fundamentals of Semiconductors : Physics and Materials Properties. Springer. ISBN 978-3-540-41323-3.

Sadao Adachi. (2012) The Handbook on Optical Constants of Semiconductors: In Tables and Figures. World Scientific Publishing. ISBN 978-981-4405-97-3.
G. B. Abdullayev, T. D. Dzhafarov, S. Torstveit (Translator), Atomic Diffusion in Semiconductor Structures, Gordon & Breach Science Pub., 1987 (ISBN 978-2-88124-152-9)