Sadaļā par elektriskās strāvas stiprumu noskaidrots, ka vielas iedala vadītājos, pusvadītājos un izolatoros. Vadītāji elektrisko strāvu vada labi, izolatori – slikti, bet starp tiem atrodas elektronikā nozīmīga vielu grupa – pusvadītāji. Pusvadītājos strāvu vada no atomiem atbrīvotie elektroni un vakances starpatomu saitē jeb caurumi. Atšķirībā no metāliem, kuriem sildot pieaug īpatnējā pretestība (1. att. a), pusvadītājiem temperatūras pieaugums izraisa īpatnējās pretestības samazināšanos (1. att. b). Tas ir tādēļ, ka, pieaugot temperatūrai, no atomiem tiek atrauti arvien vairāk elektronu, līdz ar to palielinās brīvo lādiņnesēju skaits. Elektronikā visplašāk lietotie pusvadītāji ir silīcijs, germānijs un selēns.
1.att. Īpatnējā elektriskā pretestība metālos un pusvadītājos
Pusvadītājiem piemīt divas vadītspējas – elektronu un caurumu. Ja pusvadītāju pieslēdz strāvas avotam (2. att.), tad elektroni pārvietojas pozitīvā pola virzienā, bet caurumi – negatīvā. Caurumu pārvietošanās notiek tā, ka sākotnēji pusvadītājā ir kāds caurums. Uz šo caurumu pārlec elektrons no blakus atoma, līdz ar to blakus atomā rodas caurums, uz kuru atkal pārlec elektrons no blakus atoma. Tādā veidā caurums pārvietojas no atoma uz atomu – tas notiek līdzīgi kā pasākumā, kad rindā sasēdušies skatītāji pārvietojas par vienu brīvo vietu uz priekšu, un brīvā vieta tad pārvietojas pretējā virzienā! Strāvu, ko tīrā pusvadītājā rada brīvie elektroni un caurumi, sauc par pusvadītāja pašvadītspēju. Vēlāk tiks apskatīta tādu pusvadītāju vadītspēja, kuriem ir pievienots kāds piejaukums.
2.att. Elektronu un caurumu vadītspēja
Pusvadītājiem ir sava vieta dažādu materiālu elektrovadītspējas hierarhijā (3. att.). Kā jau minēts, pēc elektrovadīšanas īpašībām pusvadītājs atrodas starp vadītājiem un izolatoriem. Dažādu materiālu vadītspēja var atšķirties pat 1035reizes un vairāk. 3. attēlā pie pusvadītājiem ir norādīta piezīme – pamatvadītspēja. Tas ir tādēļ, ka pusvadītāju vadītspēju var izmainīt, ja tiem pievieno kādus piejaukumus. Tad pusvadītājs iegūst piejaukumu vadītspēju.
3.att. Vadītspēja no supravadītājiem līdz izolatoriem
Ja pusvadītājā ievada piejaukumus, tad ir iespējams palielināt tā vadītspēju. To sauc par piejaukumu vadītspēju. Piemēram, ja silīcijam, kas ir IV grupas pusvadītājs, pievieno fosfora, kas ir V grupas elements, piejaukumu (1. att. a), tad četri fosfora elektroni veido kovalentās saites ar silīcija elektroniem, bet piektais elektrons paliek nepiesaistīts un kļūst par brīvo lādiņnesēju (1. att. a). Šādus pusvadītājus sauc par ntipa pusvadītājiem. Ja silīcijam kā piejaukumu pievieno III grupas elementu, piemēram, boru (1. att. b), tad šajā gadījumā boram trūkst viena elektrona, lai izveidotu ceturto kovalento saiti ar silīciju (1. att. b). Gala rezultātā materiālā rodas elektrona iztūkums jeb caurums, kas arī kalpo kā lādiņnesējs. Šāda tipa pusvadītājus sauc par ptipa pusvadītājiem. Līdz ar to ir noskaidrots, ka n tipa pusvadītājiem galvenie strāvas radītāji ir negatīvi lādēti brīvie elektroni, bet p tipa pusvadītājiem – pozitīvi lādēti caurumi.
1.att. n un p tipa pusvadītāji
Bieži izmanto abu tipu pusvadītājus. Ja mēs paņemam ntipa pusvadītāju, kurā ir negatīvi lādētu elektronu pārsvars un ptipa pusvadītāju, kurā ir pozitīvi lādētu caurumu pārsvars (2. att. a) un saliekam šos abus materiālus kopā, tad pozitīvie caurumi difūzijas ceļā nonāk ntipa pusvadītājā, bet elektroni - ptipa pusvadītājā (2. att. b). Šis difūzijas process neturpinās ilgi, jo vienā brīdī abu materiālu savienojuma vietā ir izveidojies pozitīvi lādēts slānītis ntipa pusvadītāja pusē un negatīvi lādēts slānītis p tipa pusvadītāja pusē, kas ar savu elektrisko lauku Eiaiztur turpmāku lādiņnesēju kustību (2. att. c). Šo lādēto slāni sauc par sprostslāni, kas bez ārēja elektriskā lauka iejaukšanās neļauj lādiņnesējiem pārplūst no viena apgabala uz otru. Izveidoto elementu sauc par p-npārēju un tas ir pamatā daudzām pusvadītāju ierīcēm.
2.att. p-n pārejas izveidošana
Ja p-n pāreju pieslēdz strāvas avotam tā, ka avota pozitīvo polu pievieno n tipa pusvadītājam, bet negatīvo polu p tipa pusvadītājam (3. att. a), tad avota radītais elektriskais lauks Eā ir vērsts sprostslāņa elektriskā lauka virzienā (3. att. a), tādēļ lādiņnesēju kustība no viena p-n pārejas apgabala uz otru tiek vēl spēcīgāk aizturēta. Šādā slēgumā strāva neplūst, jo lādiņnesēji nevar pārvietoties no viena pārejas apgabala uz otru. Ja p-n pāreju avotam pieslēdz otrādi (3. att. b), tad avota elektriskais lauks Eā darbojas pretējā virzienā sprostslāņa elektriskajam laukam Ei. Līdz ar to, ja Eā ir lielāks par Ei, tad lādiņi atkal var pārvietoties no viena pārejas apgabala uz otru. Šādā gadījumā ķēdē plūst strāva, jo lādiņnesēji var šķērsot pāreju, nokļūstot no viena elektroda līdz otram. Līdz ar to esam noskaidrojuši, ka strāva p-n pārejai vienā virzienā plūst brīvi (maza elektriskā pretestība), bet otrā virzienā tā saskaras ar lielu elektrisko pretestību.
3.att. p-n pārejas elektriskajā ķēdē
Viena no vienkāršākajām pusvadītāju ierīcēm ir diode, kas sastāv no vienas p-n pārējas un tai pieslēgtiem pievadiem (4. att. a). Elektriskajā ķēdē diodi apzīmē tā, kā redzams 4. att. a. Bultiņa diodes apzīmējumā norāda virzienu, kurā strāva var brīvi plūst caur šo pusvadītājelementu. Ja diodei uzņem voltampēru raksturlīkni, tad iegūst ainu, kas redzama 4. att. b. Ja diode ir ieslēgta strāvas caurlaidības virzienā, tad, palielinot spriegumu, strāvas stiprums sākotnēji daudz nemainās, jo ārējam elektriskajam laukam Eāir jāpārsniedz sprostslāņa elektriskais lauks Ei, bet, kad tas ir pārsniegts, tad strāvas stiprums sāk pieaug strauji (4. att. b). Pretējam strāvas plūsmas virzienam atklājas, ka strāvas stiprums mainās ļoti minimāli, jo šis ir sprostvirziens jeb virziens, kurā diode strāvu cauri nelaiž (4. att. b).
Izmēģini simulāciju par diodi.
4.att. Diode un tās voltampēru raksturlīkne
Diodes bieži tiek lietotas, lai maiņstrāvu pārvērstu par līdzstrāvu. Piemēram, automašīnu elektriskajā sistēmā ir nepieciešama līdzstrāva, bet automašīnas ģenerators ražo maiņstrāvu. Tāpēc ģeneratorā ir speciāls diožu slēgums, kas “iztaisno” maiņstrāvu. Plaši lietotās LED spuldzes jeb gaismu izstarojošo diožu spuldzes patiesībā ir diodes, kad spīd, ja tās pieslēdz elektrībai (5. att.). LED spuldžu lietojums arvien pieaug un šobrīd ir ļoti plašs: kabatas lukturīši, automašīnu lukturi, luksoforu gaismas, dažādas indikatoru lampiņas un monitoru ekrāni (LED ekrāni). Dažādos sensoros izmanto pretējo efektu: ja uz diodi iedarbojas kāda ārēja enerģija, piemēram, siltums vai gaisma, tad ķēdē sāk plūst strāva.
5.att. LED spuldzes jeb gaismu izstarojošās diodes
Ja savieto divasp-n pārejas, tad iegūst tranzistoru. Ar tranzistora palīdzību ir iespējams palielināt elektrisko signālu. Divas p-n pārejas var savienot divos veidos un iegūt p-n-p vai n-p-n tranzistoru (1. att. a). Tranzistora vidējo daļu sauc par bāzi (B), bet pārējās divas par kolektoru (C) un emiteru (E) (1. att. a). Emitera uzdevums ir nogādāt bāzē brīvos lādiņnesējus, kas pēc tam plūst cauri kolektoram. Tranzistorus elektriskajās shēmas apzīmē tā, kā redzams 1. att. b. Bultiņas virziens apzīmējumos norāda strāvas caurlaidības virzienu (1. att. b).
1.att. Divu veidu tranzistori
Lai tranzistors pastiprinātu strāvu, ir nepieciešamas divas ķēdes, pa kurām var plūst strāva: vienā ķēdē ar strāvas avotu (1) var plūst strāva IB, kuru ir vēlme pastiprināt, bet otrā ķēdē plūst pastiprinātā strāva IC(2. att.); attiecīgi arī strāvas avotam (2), kas rada IC, ir jābūt spēcīgākam. Ja mēs n-p-n tranzistoru vienkārši ieslēgtu ķēdē ar strāvas avotu (2), tad strāva ICbūtu vienāda ar nulli, jo viena no n-p vai p-n pārejām būtu sprostvirzienā, un tādēļ, ja 2. att. redzamajā slēgumā IB = 0, tad arī IC = 0. Ja, izmantojot strāvas avotu (1), ķēdē tiek palaista nenulles strāva IB, tad no emitera (E) lādiņnesēji tiek nogādāti uz bāzi (B) (2. att.). Bāze parasti ir ļoti plāns apgabals, salīdzinot ar emiteru un bāzi, tādēļ, ja tranzistorā darbojas elektriskais lauks, ko rada avots (2), tad lādiņnesēji caur bāzi tiek uz kolektoru (C) un ķēdē plūst strāva IC. Nelielas strāvas izmaiņas IBvar radīt lielas izmaiņas strāvā IC, tādēļ ICsauc par pastiprināto strāvu.
2.att. Tranzistors darbībā
Tranzistori līdz ar diodēm ļoti plaši tiek izmantoti dažādās elektroniskajās shēmās, piemēram, kalkulatoros, mobilajos telefonos, veļas mašīnās un datoros (3. att.). Pusvadītāju ierīces elektronikā aizstāja elektroniskās lampas, līdz ar to elektroniskās ierīces kļuva daudz kompaktākas un ekonomiskākas. Šobrīd viena tranzistora izmērs jau ir sasniedzis neiedomājami mazus apjomus, bet vēl aizvien tiek strādāts, lai turpinātu šo izmēru samazināt. 2013. gadā “Intel” sāka ražot datora procesorus, kuros viena pusvadītāja elementa izmērs ir 22 nm (22·10-9m). Tas nozīmē, ka nepieciešami vairāk nekā 45 miljoni pusvadītājelementu, lai to kopgarums sasniegtu metru.
3.att. Datora mikroshēma
2. solī tika pieminēts, ka diodes tiek izmantotas kā sensori. Piemēram, diodes, kas reaģē uz apgaismojumu, var izmantot prožektoru sensoros (4. att. a). Ja kādreiz ir nācies saskarties ar šādiem prožektoriem, tad ir zināms, ka gaišā dienas laikā tie automātiski neieslēdzas. Tas ir tādēļ, ka pusvadītājsensors ir reaģējis uz āra apgaismojumu un “nodevis ziņu” prožektoram, ka šajā brīdī nav vajadzības ieslēgties. Līdzīga veida pusvadītāji tiek izmantoti Saules baterijās (4. att. b). Šajos pusvadītājos, absorbējot Saules gaismu, plūst strāva, kas pēc tam tiek uzkrāta vai uzreiz izlietota.
4.att. Pusvadītājelementu izmantojums
Lai gan dažādās elektroniskajās ierīcēs pusvadītājelementu ir ļoti daudz (tūkstoši un miljoni), vienkāršas elektroniskas ierīces ir iespējams izveidot tikai no dažiem pusvadītājelementiem. Jauno fiziķu skolas nodarbībā “Radio JFS” dalībnieki būvēja paši savu vidējo viļņu (AM) radio. Kā redzams 5. att., šī radio kopējais elementu skaits ir neliels.
5.att. No dažiem pusvadītājelementiem izveidots AM radio aparāts
Pusvadītājmateriālu var veidot ne tikai viens elements, bet vairāku elementu kombinācija. 6. attēlā redzams, ka viena elementa pusvadītājmateriālus sauc par pamatpusvadītājiem, un daži šādi pusvadītāji atrodas periodiskās tabulas IV grupā. Ja apvieno divus IV grupas pamatpusvadītājus, tad var iegūt bināro pusvadītāju (6. att.). Tā iespējams kombinēt arī trīs, četrus (6. att.) un vairāk elementus no dažādām periodiskās tabulas grupām. To var nosaukt par daudzkāršiem pusvadītājiem.
6.att. Vienkārši un daudzkārši pusvadītāji