У овом посту свеобухватно учимо о основним принципима рада полупроводничких уређаја и о томе како унутрашња структура полупроводника функционише под утицајем електричне енергије.
Вредност отпорности између ових полупроводничких материјала нема нити комплетну карактеристику проводника нити потпуни изолатор, она је између ове две границе.
Ова карактеристика може дефинисати својство полупроводника материјала, али било би занимљиво знати како полупроводник ради између проводника и изолатора.
Отпорност
Према Охмовом закону, електрични отпор електронског уређаја дефинише се као однос разлике потенцијала у компоненти и струје која пролази кроз компоненту.
Сада коришћење мерења отпора може представљати један проблем, чија се вредност мења како се мења физичка димензија отпорног материјала.
На пример, када се отпорни материјал повећа у дужини, његова вредност отпора се такође пропорционално повећава.
Слично томе, када се његова дебљина повећа, вредност отпора пропорционално опада.
Овде је потребно дефинисати материјал који може указивати на својство или проводљивости или супротности електричној струји, без обзира на њену величину, облик или физички изглед.
Величина за изражавање ове посебне вредности отпора позната је као Отпорност (Ресистивити), која има синбол ρ, (Рхо)
Мјерна јединица отпорности је Охм-метар (Ω.м) и може се схватити као параметар обрнут од проводљивости.
Да би се дошло до поређења између отпорности неколико материјала, они су класификовани у 3 главне категорије: проводници, изолатори и полупроводници. Графикон испод даје потребне детаље:
Као што видите на горњој слици, постоји занемарљива разлика у отпорности проводника попут злата и сребра, док може постојати значајна разлика у отпорности изолатора попут кварца и стакла.
То је због њиховог одговора на температуру околине што чини метале изузетно ефикасним проводницима од изолатора
Диригенти
Из горње табеле схватамо да проводници имају најмању отпорност, која обично може бити у микроохм / метар.
Због њихове мале отпорности електрична струја може лако да прође кроз њих, због доступности велике количине електрона.
Међутим, ови електрони се могу потискивати само када је њихов притисак преко проводника, а тај притисак може настати применом напона на проводнику.
Дакле, када се проводник примени са позитивном / негативном разликом потенцијала, слободни електрони сваког атома проводника су присиљени да се истисну из својих матичних атома и они почну да се провлаче унутар проводника, и обично је познат као ток струје .
Степен у коме се ови електрони могу кретати зависи од тога колико лако се могу ослободити својих атома, као одговор на разлику напона.
Метали се генерално сматрају добрим проводницима електричне енергије, а међу металима су злато, сребро, бакар и алуминијум најбољи проводници.
Пошто ови проводници имају врло мало електрона у валентном појасу својих атома, они се лако померају због разлике потенцијала и почињу да скачу са једног атома на следећи атом кроз процес назван „Домино ефекат“, што резултира протоком струје преко диригент.
Иако су злато и сребро најбољи проводници електричне енергије, бакар и алуминијум су пожељни за израду жица и каблова због своје ниске цене и обиља, као и због физичке чврстоће.
Упркос чињеници да су бакар и алуминијум добри проводници електричне енергије, они и даље имају одређени отпор, јер ништа не може бити 100% идеално.
Иако мали отпор који пружају ови проводници може добити значајан применом већих струја. На крају се отпор веће струје на овим проводницима расипа као топлота.
Изолатори
Супротно проводницима, изолатори су лоши проводници електричне енергије. Они су углавном у облику неметала и имају врло мало рањивих или слободних електрона са родитељским атомима.
Значи, електрони ових неметала су чврсто повезани са својим матичним атомима, које је изузетно тешко одвојити применом напона.
Због ове особине, када се примени електрични напон, електрони се не одмичу од атома што резултира протоком електрона и због тога се не одвија проводљивост.
Ово својство доводи до врло високе вредности отпора према изолатору, реда од много милиона Охма.
Примери добрих изолатора су материјали попут стакла, мермера, ПВЦ-а, пластике, кварца, гуме, лискуна, бакелит.
Баш као и проводници, изолатори једнако играју важну улогу у пољу електронике. Без изолатора било би немогуће изоловати разлике напона у фазама кола, што доводи до кратког споја.
На пример, видимо употребу порцелана и стакла у високонапонским торњевима за безбедан пренос АЦ снаге преко каблова. У жицама користимо ПВЦ за изолацију позитивних, негативних стезаљки, а у ПЦБ-има користимо бакелит да бисмо међусобно изоловали бакарне трагове.
Основи полупроводника
Материјали попут силицијума (Си), германијума (Ге) и галијум арсенида потпадају под основне полупроводничке материјале. То је зато што ови материјали имају карактеристику интермедијарног провођења електричне енергије, што не доводи до одговарајуће проводљивости нити одговарајуће изолације. Због ове особине ови материјали су названи полупроводницима.
Ови материјали показују врло мало слободних електрона преко својих атома, који су чврсто груписани у кристалну решеткасти облик. Ипак, електрони могу да се померају и струје, али само када се користе одређени услови.
Када ово кажемо, постаје могуће повећати брзину проводљивости у овим полупроводницима увођењем или заменом неке врсте „донора“ или „акцепторског“ атома у кристални распоред, омогућавајући ослобађање додатних „слободних електрона“ и „рупа“ или порока обрнуто.
Ово се примењује увођењем одређене количине спољног материјала у постојећи материјал као што су силицијум или германијум.
Сами по себи, материјали попут силицијума и германијума су категорисани као својствени полупроводници, због њихове екстремно чисте хемијске природе и присуства комплетног полупроводничког материјала.
То такође значи да смо применом контролисане количине нечистоће у њима у стању да одредимо брзину проводљивости ових унутрашњих материјала.
У ове материјале можемо да унесемо врсте нечистоћа које називамо донорима или акцепторима како бисмо их побољшали било слободним електронима било слободним рупама.
У овим процесима када се нечистоћа дода унутрашњем материјалу у омјеру 1 атом нечистоће на 10 милиона атома полупроводничког материјала, то се назива Допинг .
Увођењем довољне количине нечистоће, полупроводнички материјал би могао да се трансформише у материјал Н-типа или П-типа.
Силицијум је међу најпопуларнијим полупроводничким материјалима, има 4 валентна електрона преко своје најудаљеније љуске, а такође је окружен суседним атомима који чине укупне орбите од 8 електрона.
Веза између два атома силицијума је развијена на такав начин да омогућава дељење једног електрона са суседним атомом, што доводи до добре стабилне везе.
У свом чистом облику, кристал силицијума може имати врло мало слободних валентних електрона, приписујући му својства доброг изолатора, који има екстремне вредности отпора.
Повезивање силицијумског материјала са потенцијалном разликом неће помоћи проводењу кроз њега, осим ако се у њему не створе неке врсте позитивних или негативних поларитета.
Да би се створили такви поларитети, у ове материјале се примењује поступак допинга додавањем нечистоћа као што је објашњено у претходним параграфима.
Разумевање структуре атома силицијума
На горњим сликама видимо како изгледа структура правилне чисте решетке од чистог силицијума. За нечистоће, обично се материјали попут арсена, антимона или фосфора уносе у полупроводничке кристале претварајући их у вањске, што значи „имају нечистоће“.
Поменуте нечистоће су сачињене од 5 електрона на њиховом најудаљенијем појасу познатом под називом „петовалентна“ нечистоћа, ради дељења са њиховим суседним атомима.
Ово осигурава да се 4 од 5 атома могу спојити са суседним атомима силицијума, искључујући један „слободни електрон“ који се може ослободити када је прикључен електрични напон.
У овом процесу, јер нечисти атоми почињу да „донирају“ сваки електрон преко свог оближњег атома, „петовалентни“ атоми се називају „донорима“.
Коришћење антимона за допинг
Антимон (Сб) и фосфор (П) често постају најбољи избор за увођење „петовалентне“ нечистоће у силицијум. 
У антимону је 51 електрон постављен преко 5 љуски око његовог језгра, док се његов најудаљенији појас састоји од 5 електрона.
Захваљујући томе, основни полупроводнички материјал може да стекне додатне електроне који носе струју, а сваком се приписује негативан набој. Због тога је назван „материјал типа Н“.
Такође, електрони су названи „носиоци већине“, а рупе које се касније развијају назване су „мањине носиоци“.
Када је полуводич допиран антимоном подвргнут електричном потенцијалу, електрони који се случајно сруше тренутно су замењени слободним електронима из атома антимона. Међутим, пошто процес на крају задржава слободни електрон да плута унутар допираног кристала, то доводи до тога да је то негативно наелектрисани материјал.
У овом случају, полупроводник се може назвати Н-типом ако има густину донора већу од његове густине акцептора. То значи када постоји већи број слободних електрона у поређењу са бројем рупа, што узрокује негативну поларизацију, као што је приказано доле.
Разумевање полупроводника типа П
Ако ситуацију размотримо обрнуто, увођење нечистоће са три електрона „тровалентна“ у полупроводнички кристал, на пример ако уведемо алуминијум, бор или индијум, који садрже 3 електрона у својој валентној вези, па 4. везу постаје немогуће формирати.
Због тога темељна веза постаје тешка, омогућавајући полупроводнику да има пуно позитивно наелектрисаних носача. Ови носачи се зову „рупе“ на целој полупроводничкој решетки, због пуно недостајућих електрона.
Због присуства рупа у силицијумском кристалу, оближњи електрон привлачи рупу, покушавајући да попуни отвор. Међутим, чим то покушају електрони, они напуштају свој положај стварајући нову рупу у свом претходном положају.
Ово заузврат привлачи следећи оближњи електрон, који опет оставља нову рупу док покушава да заузме следећу рупу. Процес се наставља дајући утисак да се заправо рупе крећу или струје кроз полупроводник, што ми генерално препознајемо као уобичајени образац протока струје.
Како се „рупе чине да се крећу“, долази до несташице електрона, што омогућава целом допираном кристалу да добије позитиван поларитет.
Будући да је сваки атом нечистоће одговоран за стварање рупе, ове тровалентне нечистоће називају се „акцептори“ због чињенице да они непрекидно у процесу прихватају слободне електроне.
Бор (Б) је један од тровалентних адитива који се популарно користи за горе објашњени поступак допинга.
Када се бор користи као материјал за допинг, доводи до тога да проводљивост углавном има позитивно наелектрисане носаче.
То резултира стварањем материјала типа П са позитивним рупама названим „носачи већине“, док се слободни електрони називају „носиоци мањина“.
Ово објашњава како се полупроводнички основни материјал претвара у П-тип због повећане густине његових акцепторских атома у поређењу са донаторским атомима.
Како се бор користи за допинг
Резимирање основа полупроводника
Полупроводник Н-типа (допиран са петовалентном нечистоћом, на пример антимон)
Такви полупроводници који су лепирани са петовалентним атомима нечистоћа називају се донорима, јер показују проводљивост кроз кретање електрона, па се стога називају и полупроводницима Н-типа.
У полупроводнику Н-типа налазимо:
- Позитивно набијени донатори
- Обиље броја слободних електрона
- Релативно мањи број „рупа“ у поређењу са „слободним електронима“
- Као резултат допинга стварају се позитивно наелектрисани донатори и негативно наелектрисани слободни електрони.
- Примена потенцијалне разлике резултира развојем негативно наелектрисаних електрона и позитивно наелектрисаних рупа.
Полупроводник типа П (допиран тровалентном нечистоћом као што је на пример бор)
Такви полупроводници који су лепирани тровалентним атомима нечистоћа називају се акцепторима, јер показују проводљивост кроз кретање рупа, па се стога називају и полупроводницима типа П.
У полупроводнику Н-типа налазимо:
- Негативно напуњени акцепти
- Обилна количина рупа
- Релативно мањи број слободних електрона у поређењу са присуством рупа.
- Допинг резултира стварањем негативно наелектрисаних акцептора и позитивно наелектрисаних рупа.
- Примена напона доводи до стварања позитивно наелектрисаних рупа и негативно наелектрисаних слободних електрона.
Сами по себи, полупроводници типа П и Н су природно електрично неутрални.
Антимон (Сб) и бор (Б) су обично два материјала која се користе као допинг чланови због њихове обилне доступности. Они се такође називају и „метталоиди“.
Рекавши ово, ако погледате периодни систем, наћи ћете много других сличних материјала који имају 3 или 5 електрона у свом најудаљенијем атомском појасу. То имплицира да ови материјали такође могу постати погодни за допинг сврху.
Периодни систем 
Претходно: Круг за напајање паса којим управља мобител Следеће: Разумевање кругова појачала
