Materiali - Introduzione

Ogni materialin natura ha determinate proprietà. Queste proprietà definiscono il comportamento dei materiali. La Scienza dei Materiali è una branca dell'elettronica che si occupa dello studio del flusso di elettroni in vari materiali o spazi, quando sono sottoposti a varie condizioni.

A causa della mescolanza di atomi nei solidi, invece di singoli livelli di energia, si formeranno bande di livelli di energia. Questi set di livelli di energia, che sono strettamente imballati, sono chiamati comeEnergy bands.

Tipi di materiali

Viene chiamata la banda di energia in cui sono presenti gli elettroni di valenza Valence band, mentre viene chiamata la banda in cui sono presenti gli elettroni di conduzione Conduction band. Il divario energetico tra queste due bande è chiamato comeForbidden energy gap.

Elettronicamente, i materiali sono generalmente classificati come isolanti, semiconduttori e conduttori.

  • Insulators- Gli isolanti sono quei materiali in cui la conduzione non può avvenire, a causa dell'ampio spazio proibito. Esempi: legno, gomma.

  • Semiconductors- I semiconduttori sono quei materiali in cui il gap energetico proibito è piccolo e la conduzione avviene se viene applicata una certa energia esterna. Esempi: silicio, germanio.

  • Conductors- I conduttori sono quei materiali in cui il gap energetico proibito scompare quando la banda di valenza e la banda di conduzione diventano molto vicine da sovrapporsi. Esempi: rame, alluminio.

Di tutti e tre, gli isolanti vengono utilizzati dove si desidera la resistività all'elettricità e i conduttori vengono utilizzati dove la conduzione deve essere elevata. I semiconduttori sono quelli che danno luogo a un interesse specifico per come vengono utilizzati.

Semiconduttori

UN Semiconductorè una sostanza la cui resistività si trova tra i conduttori e gli isolanti. La proprietà della resistività non è l'unica che decide un materiale come semiconduttore, ma ha poche proprietà come segue.

  • I semiconduttori hanno una resistività inferiore a quella degli isolanti e maggiore dei conduttori.

  • I semiconduttori hanno un coefficiente di temperatura negativo. La resistenza nei semiconduttori aumenta con il diminuire della temperatura e viceversa.

  • Le proprietà conduttive di un semiconduttore cambiano quando viene aggiunta un'adeguata impurità metallica, che è una proprietà molto importante.

I dispositivi a semiconduttore sono ampiamente utilizzati nel campo dell'elettronica. Il transistor ha sostituito gli ingombranti tubi a vuoto, da cui sono diminuite le dimensioni e il costo dei dispositivi e questa rivoluzione ha continuato ad aumentare il suo ritmo portando a nuove invenzioni come l'elettronica integrata. I semiconduttori possono essere classificati come mostrato di seguito.

Si dice che un semiconduttore nella sua forma estremamente pura sia un intrinsic semiconductor. Ma la capacità di conduzione di questa forma pura è troppo bassa. Per aumentare la capacità di conduzione del semiconduttore intrinseco, è meglio aggiungere alcune impurità. Questo processo di aggiunta di impurità è chiamato comeDoping. Ora, questo semiconduttore intrinseco drogato è chiamato come unExtrinsic Semiconductor.

Le impurità aggiunte sono generalmente pentavalent e trivalentimpurità. A seconda di questi tipi di impurità, viene eseguita un'altra classificazione. Quando unpentavalent l'impurità viene aggiunta a un semiconduttore puro, si chiama come N-type extrinsic Semiconductor. Inoltre, quando un filetrivalent l'impurità viene aggiunta a un semiconduttore puro, si chiama come P-type extrinsic Semiconductor.

Giunzione PN

Quando un elettrone si sposta dal suo posto, si dice che si formi un buco. Quindi, un buco è l'assenza di un elettrone. Se si dice che un elettrone viene spostato dal terminale negativo a quello positivo, significa che un buco viene spostato dal terminale positivo a quello negativo.

I materiali sopra menzionati sono le basi della tecnologia dei semiconduttori. IlN-type il materiale formato aggiungendo impurità pentavalenti ha electrons as its majority carrierse buchi come portatori di minoranza. Mentre ilP-type materiale formato aggiungendo impurità trivalenti ha holes as its majority carriers ed elettroni come portatori di minoranza.

Cerchiamo di capire cosa succede quando i materiali P e N vengono uniti insieme.

Se un materiale di tipo P e uno di tipo N vengono avvicinati l'uno all'altro, entrambi si uniscono per formare una giunzione, come mostrato nella figura seguente.

Un materiale di tipo P ha holes come la majority carriers e un materiale di tipo N ha electrons come la majority carriers. Poiché le cariche opposte si attraggono, pochi buchi nel tipo P tendono ad andare sul lato n, mentre pochi elettroni nel tipo N tendono ad andare sul lato P.

Mentre entrambi viaggiano verso la giunzione, i buchi e gli elettroni si ricombinano tra loro per neutralizzare e formare ioni. Ora, in questo incrocio, esiste una regione in cui si formano gli ioni positivi e negativi, chiamata comePN junction o barriera di giunzione come mostrato in figura.

La formazione di ioni negativi sul lato P e di ioni positivi sul lato N determina la formazione di una stretta regione caricata su entrambi i lati della giunzione PN. Questa regione è ora libera da portatori di carica mobili. Gli ioni qui presenti sono rimasti stazionari e mantengono una regione di spazio tra di loro senza portatori di carica.

Poiché questa regione funge da barriera tra i materiali di tipo P e N, viene anche chiamata come Barrier junction. Questo ha un altro nome chiamato comeDepletion regionil che significa che esaurisce entrambe le regioni. Si verifica una differenza di potenziale V D dovuta alla formazione di ioni, attraverso la giunzione chiamata comePotential Barrierpoiché impedisce l'ulteriore movimento di buchi ed elettroni attraverso la giunzione. Questa formazione è chiamata come aDiode.

Biasing di un diodo

Quando un diodo o due componenti terminali qualsiasi sono collegati in un circuito, ha due condizioni polarizzate con l'alimentazione fornita. Loro sonoForward biased condizione e Reverse biased condizione.

Condizione prevenuta in avanti

Quando un diodo è collegato in un circuito, con il suo anode to the positive terminale e cathode to the negative terminale dell'alimentazione, si dice che tale connessione sia forward biased condizione.

Questo tipo di connessione rende il circuito sempre più polarizzato in avanti e aiuta in una maggiore conduzione. Un diodo conduce bene in condizione di polarizzazione diretta.

Condizione di polarizzazione inversa

Quando un diodo è collegato in un circuito, con il suo anode to the negative terminale e cathode to the positive terminale dell'alimentazione, si dice che tale connessione sia Reverse biased condizione.

Questo tipo di connessione rende il circuito sempre più polarizzato inversamente e aiuta a minimizzare e prevenire la conduzione. Un diodo non può condurre in condizioni di polarizzazione inversa.

Con le informazioni di cui sopra, ora abbiamo una buona idea di cosa sia una giunzione PN. Con questa conoscenza, andiamo avanti e impariamo a conoscere i transistor nel prossimo capitolo.