Ohne sie gäbe es keine Computer, Smartphones und Radiowellen. Halbleiter sind der verborgene Motor der modernen Gesellschaft. Sie befinden sich im Herzen des Mikroprozessors und steuern alle Transistoren des Geräts. Wenn Maschinen Signale berechnen oder übertragen, sind sie auf diese Materialien angewiesen, um zu funktionieren.
Die meisten Chips, die Sie heute sehen, bestehen aus Silizium. Deshalb dominieren Begriffe wie „Silicon Valley“ die Wirtschaftsnachrichten. Dieser Bereich ist nicht nach einem Tech-Startup benannt. Es ist nach seiner Energiequelle benannt. Silizium ist die Grundlage der Elektronikindustrie. Ohne sie gäbe es keine „Siliziumwirtschaft“.
Verstehen Sie die Grundlagen von Dioden
Um zu verstehen, wie Halbleiter funktionieren, muss man mit etwas Einfachem beginnen. Eine Diode ist das einfachste Halbleiterbauelement. Dies ist ein guter Ausgangspunkt, um die Grundlagen zu erlernen. In diesem Ratgeber schauen wir uns genauer an, was genau Halbleiter sind. Finden Sie heraus, wie Dotierung die Eigenschaften eines Materials verändert. Wir untersuchen auch, wie Ingenieure diese Prinzipien nutzen, um Dioden zu entwickeln.
Doch bevor wir uns näher mit der Funktionsweise von Dioden befassen, müssen wir einen genaueren Blick auf das Material selbst werfen. Silizium.
Reichlich Silizium
Silizium ist keine Seltenheit. Es ist überall. Wenn Sie jemals am Strand spazieren gegangen sind oder in einen Kristall geschaut haben, haben Sie ihn gesehen. Sand und Quarz bestehen hauptsächlich aus Silizium.
Silizium nimmt im Periodensystem der Elemente einen besonderen Platz ein. Es liegt neben Aluminium. Es liegt unterhalb von Kohlenstoff. Es ruht über Germanium. Diese Position in der Elementhierarchie verleiht Silizium seine einzigartigen elektrischen Eigenschaften. Das Verständnis seines Platzes auf dem Tisch hilft zu erklären, warum es zu einem Grundmaterial in der Elektronik geworden ist.
Gitterfundament von Halbleitern
Kohlenstoff, Silizium und Germanium weisen alle besondere Eigenschaften in ihrer elektronischen Konfiguration auf. Jedes Element hat 4 Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn. Das ist nicht nur ein kleines Detail. Die Fähigkeit, stabile, sich wiederholende Strukturen zu bilden, treibt ihre Fähigkeit an, stabile, sich wiederholende Strukturen zu bilden.
Diese vier Valenzelektronen sind kovalent an vier benachbarte Atome gebunden. Das Ergebnis ist ein starres Gitter. Betrachten Sie es als ein molekulares Netzwerk. Die Struktur bleibt erhalten, da jede Bindung erfüllt ist.
In Kohlenstoff sieht dieses Gitter aus wie ein Diamant. Hart. Transparent. Wertvoll.
Silizium nimmt optisch eine andere Wendung. Seine kristalline Form sieht metallisch aus. Es hat einen silbernen Glanz. Im Gegensatz zu Kupfer oder Eisen handelt es sich jedoch um einen Halbleiter. In dieser Hinsicht verhält sich Germanium ähnlich wie Silizium. Es befindet sich in derselben Gruppe im Periodensystem. Es hat auch diese vier äußeren Elektronen. Aufgrund dieser Gemeinsamkeit bilden diese beiden Materialien das Rückgrat moderner Elektronik.
Die Vier-Elektronen-Konfiguration ist der Schlüssel. Nun ist eine kovalente Bindung möglich und es entsteht eine vollständige Gitterstruktur.
Dieses Gitter ist nicht nur hübsch. Es ist praktisch. Bestimmt, wie diese Materialien Elektrizität leiten. Ohne diese spezielle Konfiguration von vier Elektronen kann die Kristallstruktur zusammenbrechen oder sich auf unvorhersehbare Weise verhalten. Diese Stabilität hat Silizium zum Standard für Computerchips gemacht.
Metalle leiten Elektrizität durch freie Elektronen. Sie springen leicht zwischen Atomen. Silizium sieht aus wie Metall. Es funkelt. reflektiert Licht. Aber es ist nicht der einzige.
In einem reinen Siliziumkristall sind alle Außenelektronen in vollständigen kovalenten Bindungen geschlossen. sie können sich nicht bewegen. Ergebnis? Nahezu perfekte Isolation. Kein Verkehr.
nicht mehr.
Piidoping verändert alles
Die Siliziumstruktur wird dadurch nicht verändert. Du veränderst die Chemie. Enthält Verunreinigungen.
Dieser Vorgang wird Doping genannt. Verwandelt einen Isolator in einen Halbleiter. Er ist ein Dirigent, aber kein großer Dirigent. Das reicht.
Es gibt zwei Möglichkeiten, Silizium hinzuzufügen. Sie sind vom N-Typ und vom P-Typ.
N-Dotierung: freie Elektronen
Bei der N-Typ-Dotierung werden Elemente mit fünf Außenelektronen verwendet. Lin. Arsen.
Es gibt vier Arten von Silizium.
Wenn Phosphor in das Kristallgitter eindringt, verbinden sich vier Elektronen. Ist es der fünfte? Ich habe keinen Partner. Schwebt frei.
Selbst eine kleine Menge Elektronen kann genügend freie Elektronen erzeugen, um Strom zu leiten. Elektronen sind negativ geladen. Es handelt sich also um Typ N.
P-Typ-Dotierung: Eine Lücke schaffen.
P-Typ-Dotierung dreht das Drehbuch um. Verwenden Sie Bor oder Gallium.
Diese Elemente haben nur drei Außenelektronen.
Wenn sie in den Silikonkäfig passen, bleiben Lücken. “Loch”.
Elektronen von einem Nachbarn gleiten hinein und füllen es. Das Loch bewegt sich. Es wirkt wie eine positive Ladung. Es handelt sich also um einen P-Typ.
Kleine Mengen eines der beiden Additive verwandeln Silizium von einem Isolator in einen verwendbaren Leiter.
Kreuzung: Wo die Magie passiert
Möchten Sie zwischen N-Typ- und P-Typ-Silizium unterscheiden? Langweilig.
Bitte kombinieren Sie sie.
An der Kreuzung passierte etwas Komisches. Dies ist das Herzstück der Diode.
Eine Diode ist das einfachste Halbleiterbauelement. Ermöglicht den Stromfluss in eine Richtung. Es gibt nur eine Sache.
Denken Sie an ein Drehkreuz im Stadion. Sobald ein Mensch einen Weg betritt, kann er nicht mehr auf denselben Weg zurückkehren. Eine Diode ist ein elektronisches unidirektionales Flip-Gate.
Durch die Kombination von N-Typ- und P-Typ-Silizium entsteht eine Barriere. Strom fließt problemlos in eine Richtung. Blockiere den anderen komplett.
Dieses einzigartige Verhalten ist nicht nur theoretisch. Es ist die Grundlage moderner Elektronik. Ohne diese Verbindung geht nichts.
Mit Phosphor dotiertes Silizium erzeugt eine Schicht vom N-Typ. Mit Bor dotiertes Silizium erzeugt eine P-Typ-Schicht. Beide Materialien leiten selbstständig Strom. Setzen Sie sie in der im Diagramm gezeigten Konfiguration zusammen, und nichts passiert. Der Stromkreis ist tot.
Der Grund liegt darin, wie Sie die Stromquelle anschließen. Wenn Sie die Batterie so anbringen, dass der Minuspol zur N-Typ-Seite zeigt, werden die Elektronen von der Verbindungsstelle weggezogen. Gleichzeitig zieht der Pluspol die Löcher auf der P-Typ-Seite von der Mitte weg. Sie bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen voneinander weg. Es fließt kein Strom durch die Lücke. Die Diode blockiert den Durchfluss.
Umkehren der Polarität
Drehen Sie den Akku um. Nun ändert sich das Setup komplett.
Der Minuspol stößt die freien Elektronen im N-Silizium ab und drückt sie in Richtung des Übergangs. Der Pluspol stößt die Löcher im P-Silizium ab und drückt sie in Richtung desselben Treffpunkts. Sie kollidieren. Die Elektronen füllen die Löcher. Sie heben sich gegenseitig auf.
Dies ist keine statische Blockade mehr. Es ist ein dynamischer Fluss. Wenn Elektronen Löcher an der Verbindungsstelle füllen, werden an den Außenkanten neue Löcher und Elektronen erzeugt, um diese zu ersetzen. Der Strom fließt durch die Verbindungsstelle. Die Diode lässt Strom durch.
Dioden und Transistoren
Dieses Richtungsverhalten ist der grundlegende Mechanismus hinter der Art und Weise, wie wir die Leistung in der Elektronik steuern. Im nächsten Abschnitt wird untersucht, wie diese spezifische Eigenschaft den weit verbreiteten Einsatz von Dioden und Transistoren in modernen Geräten ermöglicht.
Wie Dioden in Ihrem Gerät wirklich funktionieren
Eine Diode ist im Grunde ein Einweg-Stromkanal. Es blockiert den Stromfluss in eine Richtung und lässt ihn in die entgegengesetzte Richtung fließen. Wenn Sie jemals eine Batterie in eine Fernbedienung eingelegt haben und diese aufgrund der falschen Polarität nicht funktionierte, ist wahrscheinlich die Diode der Grund dafür, dass sie nicht in Brand geraten ist. Es dient als Sicherheitsvorrichtung. Wenn die Batterie verkehrt herum eingesetzt wird, verhindern die Dioden, dass Strom aus der Batterie abfließt, und schützen die empfindliche interne Elektronik vor Schäden.
Im Idealfall sollte eine Diode in Sperrrichtung den gesamten Strom blockieren. Eigentlich ist es nicht perfekt. Eine echte Diode kann etwa 10 Mikroampere verlieren. In den meisten Anwendungen kann dies ignoriert werden, aber es ist vorhanden. Wenn genügend Sperrspannung (V) an die Verbindungsstelle angelegt wird, bricht diese schließlich zusammen und ermöglicht den Stromfluss. Diese Durchbruchspannung ist typischerweise so hoch, dass Standardschaltungen sie niemals erreichen, sodass sie im täglichen Gebrauch praktisch vernachlässigt werden kann.
Interessant wird es, wenn man eine Vorwärtsorientierung hat. Eine Diode benötigt zum Betrieb eine bestimmte Spannung. Bei Siliziumdioden liegt dieser Schwellenwert bei etwa 0,7 Volt. Dieser Spannungssprung leitet den Loch-Elektron-Verbindungsprozess an der Verbindungsstelle ein. Dies ist eine kleine Hürde, aber wichtig für den ordnungsgemäßen Betrieb des Geräts.
Transistor: Schalter der Natur
Transistoren waren der nächste logische Schritt in der Entwicklung von Halbleitern. Dioden bestehen aus zwei Materialschichten, während Transistoren aus drei Schichten bestehen. Kann als NPN- oder PNP-Sandwichstruktur aufgebaut werden. Dank dieser Struktur kann der Transistor sowohl als Schalter als auch als Verstärker fungieren.
Optisch sieht ein Transistor aus wie zwei entgegengesetzt angeordnete Dioden. Wenn Sie darüber nachdenken, sollte dieses Setup den Strom in beide Richtungen blockieren. Technisch gesehen ja. Aber hier ist der Trick. Wenn Sie einen kleinen elektrischen Strom durch die mittlere Schicht eines Sandwiches leiten, geschieht etwas Magisches. Durch die Struktur können größere Ströme fließen.
Dies ist das Schaltverhalten, das moderne Computer antreibt. Ein kleiner Strom kann einen großen Strom ein- oder ausschalten. Es ist keine Zauberei, es ist lediglich in Wissenschaft verfeinerte Physik.
Vom Silizium zum Mikroprozessor
Ein Siliziumchip ist einfach ein Stück Silizium, das Tausende oder sogar Millionen von Transistoren enthält. Durch die Platzierung eines Transistors als Schalter entsteht ein boolesches Gatter. Durch die Verbindung dieser Gatter entsteht ein logischer Schaltkreis. Wenn Sie genügend davon verbinden, erhalten Sie einen Mikroprozessor.
Der Übergang von reinem Silizium zu dotiertem Silizium, zu Transistoren und schließlich zu komplexen Chips machte Computer sehr billig und für jedermann zugänglich. Das Grundprinzip ist überraschend einfach. Das wahre Wunder ist, wie wir sie verfeinert haben. Wir können jetzt zig Millionen Transistoren auf einem einzigen Chip herstellen, ohne viel Geld auszugeben.
Häufig gestellte Fragen zu Halbleitern
**Ist Silizium ein Halbleiter? **
Ja. Die meisten Halbleiterchips und Transistoren bestehen aus Silizium. Es ist der Rohstoff der Wahl, da seine Struktur stabil und vorhersehbar ist.
**Wofür werden Halbleiter verwendet? **
Sie sind das Rückgrat elektronischer Geräte. Halbleiter werden in Chips, Dioden, Transistoren und integrierten Schaltkreisen verwendet. Alles, was computerisiert ist oder auf Radiowellen basiert, hängt von dieser Materialklasse ab.
Welche Elemente werden in Halbleitern verwendet?
Sie können mit reinen Elementen wie Silizium, Kohlenstoff und Germanium beginnen. Oder man mischt ihnen Unreinheiten bei. Durch die Zugabe von Phosphor oder Arsen entsteht eine N-Dotierung. Durch die Zugabe von Bor oder Gallium entsteht eine P-Dotierung. Durch dieses Verfahren verändert sich die Art und Weise, wie das Material Strom leitet.
**Was ist die Definition von Halbleiter? **
Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen Leitern (z. B. Metallen) und Nichtleitern (z. B. den meisten Keramiken). Sie sind weder vollständig isolierend noch vollständig leitend. Sie existieren im Zwischenbereich der Kontrolle.
**Wer sind die größten Halbleiterunternehmen? **
Die Marktdynamik verändert sich, aber in der Vergangenheit herrschten die Giganten. Den Daten aus dem Jahr 2020 zufolge sind die größten Konkurrenten TSMC mit einem Umsatz von etwa 45,4 Milliarden US-Dollar, Samsung mit einem Umsatz von etwa 52,2 Milliarden US-Dollar und Intel, das mit 73,9 Milliarden US-Dollar die Nummer eins ist. Die Dinge haben sich geändert, aber die Nachfrage nach diesen Chips steigt immer weiter.
