1.1 Wprowadzenie do półprzewodników
Urządzenia półprzewodnikowe są podstawowymi elementami obwodów elektronicznych i są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych. Materiały półprzewodnikowe są definiowane jako substancje o przewodności elektrycznej między przewodami i izolatorami. Oprócz przewodnictwa między przewodami i izolatorami, półprzewodnicy mają również następujące właściwości:
1, wzrost temperatury może znacznie zwiększyć przewodność półprzewodników. Na przykład rezystywność czystego krzemu (SI) podwaja się, gdy temperatura wzrasta z 30 stopni do 20 stopni.
2, Śladowe ilości zanieczyszczeń (ich obecność i stężenie) mogą drastycznie zmienić przewodność półprzewodników. Na przykład, jeśli jeden atom zanieczyszczenia (taki jak +3 lub +5 element) zostanie wprowadzony na milion atomów krzemowych, rezystywność w temperaturze pokojowej (dlaczego wartość 27 stopni w temperaturze pomieszczeń to 300 K, heng to 27 stopnia). zmniejsza się z 214 000 Ω · cm do 0,2 Ω · cm.
3, Ekspozycja światła może znacznie poprawić przewodność półprzewodników. Na przykład folia siarczku kadmu (CDS) osadzona na podłożu izolacyjnym ma rezystancję kilku megohmów (Mω) przy braku światła, ale przy oświetleniu oporność spada do kilku dziesiątek kilohmów (KΩ).
4 Ponadto pola magnetyczne i elektryczne mogą również znacznie zmienić przewodność półprzewodników.
Dlatego półprzewodniki są materiałami o przewodności między przewodnikami i izolatorami, a ich właściwości wewnętrzne są wysoce podatne na znaczące zmiany z powodu czynników zewnętrznych, takich jak światło, ciepło, magnetyzm, pola elektryczne i stężenia zanieczyszczenia śladowego.
Biorąc pod uwagę te korzystne właściwości, półprzewodniki można skutecznie wykorzystać. W szczególności kolejne dyskusje na temat diod, tranzystorów i pola - tranzystory efektu pokażą, w jaki sposób właściwość śladowych zanieczyszczeń znacząco zmienia przewodność półprzewodników.
1.2 Wewnętrzne półprzewodniki
Jak wprowadzić śladowe zanieczyszczenia do półprzewodników? Czy możemy bezpośrednio dodać zanieczyszczenia do naturalnego kwarcu (którego głównym składnikiem jest SI)? Nie możemy bezpośrednio używać naturalnego krzemu, ponieważ zawiera on różne zanieczyszczenia, które sprawiają, że jego przewodność jest niekontrolowana. Aby służyć jako podstawowy materiał dla wszystkich półprzewodników, głównym celem jest osiągnięcie kontrolowanej przewodności.
Dlatego musimy oczyszczyć naturalny krzem w czystej strukturze krystalicznej krzemowej. Ta czysta półprzewodnikowa struktura krystaliczna jest określana jako wewnętrzny półprzewodnik.
Charakterystyka wewnętrznych półprzewodników: (wewnętrzne półprzewodniki to czyste struktury krystaliczne)
1, czystość, co oznacza brak zanieczyszczeń.
2, struktura krystaliczna, reprezentująca stabilność. Atomy są ze sobą związane, zapobiegając swobodnego ruchu, co powoduje jeszcze niższą przewodność w porównaniu z naturalnym krzemionem.
1.2.1 Struktura krystaliczna wewnętrznych półprzewodników
W chemii dowiedzieliśmy się, że najbardziej zewnętrzne elektrony dwóch sąsiednich atomów krzemowych (SI) w krysztale stają się wspólnymi elektronami, tworząc kowalencyjne wiązania. Jednak nie wszystkie najbardziej zewnętrzne elektrony każdego atomu SI pozostają ściśle w ich własnych kowalencyjnych wiązaniach. Powodem tego jest to, że materiał istnieje w środowisku o temperaturze. Oprócz uporządkowanego ruchu, najbardziej zewnętrzne elektrony ulegają również ruchowi termicznemu - ruch losowy - ze względu na wpływ temperatury. Czasami elektron może mieć wyższą energię niż inne atomy, pozwalając mu uwolnić się od kowalencyjnego wiązania i stać się wolnym elektronem. Nawet przy niewielkiej ilości energii najbardziej zewnętrzne elektronom przewodnika mogą generować ruch kierunkowy.
Wewnętrzne półprzewodniki są wolne od zanieczyszczeń. Kiedy elektron uwolni się od kowalencyjnego wiązania, pozostawia wakat znany jako dziura. W wewnętrznych półprzewodnikach liczba wolnych elektronów jest równa liczbie otworów i są one generowane w parach. Struktura krystaliczna, otwory i wolne elektrony są zilustrowane na poniższym rysunku:
1.2.1 Struktura krystaliczna wewnętrznych półprzewodników (ciąg dalszy)
Jeśli zewnętrzne pole elektryczne jest nakładane na wewnętrzny półprzewodnik:
1, wolne elektrony poruszają się kierunkowo, tworzącprąd elektronowy.
2, ze względu na obecność otworów, walencyjne elektrony poruszają się w określonym kierunku, aby wypełnić te otwory, powodując, że otwory ulegają również ruchowi kierunkowemu (ponieważ wolne elektrony i otwory są generowane w parach). Ten ruch dziur tworzyprąd otworu. Ponieważ wolne elektrony i otwory niosą przeciwne ładunki i poruszają się w przeciwnych kierunkach, całkowity prąd w wewnętrznym półprzewodniku jest sumą tych dwóch prądów.
Powyższe zjawiska pokazują, że zarówno otwory, jak i wolne elektrony działają jako cząstki noszące ładunek elektryczny (takie cząstki są nazywaneOpłata przewoźników). Zatem oba są przewoźnikami. To odróżnia wewnętrzne półprzewodniki od przewodów: w przewodach istnieje tylko jeden rodzaj nośnika ładunku, podczas gdy w wewnętrznych półprzewodnikach istnieją dwa rodzaje nośników ładunku.
1.2.2 Stężenie nośnika w wewnętrznych półprzewodnikach
Zjawisko, w którym półprzewodnik generuje wolne elektron - pary otworów przy wzbudzeniu termicznym, nazywane jestWewnętrzne wzbudzenie.
Podczas losowego ruchu wolnych elektronów, gdy napotykają otwory, wolne elektrony i otwory jednocześnie znikają. To zjawisko nazywa sięrekombinacja. Liczba pary otworów wolnych - generowanych przez wewnętrzne wzbudzenie równa się liczbie pary dziury wolnych -, które rekombinują, osiągając równowagę dynamiczną. Oznacza to, że w pewnej temperaturze stężenia wolnych elektronów i otworów są takie same.
Gdy temperatura otoczenia wzrasta, ruch termiczny nasila się, a więcej wolnych elektronów uwolni się od ograniczeń elektronów walencyjnych, co prowadzi do wzrostu otworów. W konsekwencji stężenie nośnika wzrasta, zwiększając przewodność. I odwrotnie, gdy temperatura maleje, stężenie nośnika zmniejsza się, zmniejszając przewodność. Gdy temperatura spada do bezwzględnego zera (0 K), walencyjne elektrony nie mają energii do uwolnienia się od wiązań kowalencyjnych, co powoduje przewodność.
W wewnętrznych półprzewodnikach przewodność obejmuje ruch dwóch rodzajów nośników ładunku. Chociaż przewodność wewnętrznych półprzewodników zależy od temperatury, pozostaje wyjątkowo słaba ze względu na ich strukturę krystaliczną. Pomimo złej przewodności wewnętrzne półprzewodniki wykazują silną kontrolę w swoich właściwościach przewodzących.
1.3 Domieszkowane półprzewodniki
W tej sekcji wyjaśniono, dlaczego wewnętrzne półprzewodniki wykazują tak silną kontrolę w przewodności. Tutaj wykorzystamy następującą właściwość półprzewodników:Śladowe ilości zanieczyszczeń mogą znacząco zmienić ich przewodność.
„Doping” odnosi się do procesu wprowadzania odpowiednich elementów zanieczyszczeń do wewnętrznego półprzewodnika. W zależności od rodzaju dodanych elementów zanieczyszczenia, półprzewodniki domieszkowane można podzielić naN - Wpisz półprzewodnikiIP - Wpisz półprzewodniki. Kontrolując stężenie elementów zanieczyszczenia, przewodność domieszkowanego półprzewodnika może być precyzyjnie regulowana.
1.3.1 n - Typ półprzewodnik
„N” oznaczaNegatywny, ponieważ elektrony mają ładunek ujemny i są lekkie. Aby wprowadzić dodatkowe elektrony do struktury krystalicznej, pierwiastki pentalalentne (np. Fosfor, P) są zwykle domieszkowane do półprzewodnika. Ponieważ atom fosforu ma pięć elektronów walencyjnych, po utworzeniu kowalencyjnych wiązań z otaczającymi atomami krzemu pozostaje jeden dodatkowy elektron. Ten elektron może z łatwością stać się wolnym elektronem z minimalnym wejściem energii. Atom zanieczyszczenia, teraz ustalony w sieci kryształowej i pozbawiony elektronu, staje się nieruchomy jon dodatni. Jest to zilustrowane na poniższym rysunku:
1.3.1 N - Typ Semiconductor (ciąg dalszy)
W półprzewodnik n - stężenie wolnych elektronów jest większe niż stężenie otworów. Dlatego nazywane są wolne elektronywiększość przewoźników(mnożniki), podczas gdy nazywane są dziuryNośnik mniejszościowy(nieletni). Zatem przewodność n - półprzewodnika typu zależy przede wszystkim na wolnych elektronach. Im wyższe stężenie domieszkowanych zanieczyszczeń, tym większe stężenie większości nosicieli i silniejsza przewodność.
Sprawdźmy, w jaki sposób zmienia się stężenie nośników mniejszościowych, gdy wzrasta stężenie większości nośnika. Stężenie nośnika mniejszości zmniejsza się, ponieważ zwiększona liczba wolnych elektronów podnosi prawdopodobieństwo rekombinacji z otworami.
Gdy temperatura rośnie, liczba przewoźników wzrasta, a wzrost liczby przewoźników większości jest równy wzrostowi przewoźników mniejszościowych. Jednak procentowa zmiana stężenia nośnika mniejszościowego jest wyższa niż w przypadku przewoźników większościowych (ze względu na różne podstawowe stężenia mniejszości i kierunków, mimo że wzrost liczbowy jest taki sam). Dlatego, chociaż stężenie nośników mniejszościowych jest niskie, nie należy ich niedoceniać. Nosiciele mniejszości są kluczowym czynnikiem wpływającym na stabilność temperatury urządzeń półprzewodników, a zatem należy również wziąć pod uwagę ich stężenie.
1.3.2 P - Typ Semiconductor
„P” oznaczaPozytywny, nazwane na cześć pozytywnie naładowanych dziur. Aby wprowadzić dodatkowe otwory do struktury krystalicznej, elementy trójwartościowe (np. Bor, B) są zwykle domieszkowane do półprzewodnika. Kiedy atom boru tworzy kowalencyjne wiązania z otaczającymi atomami krzemu, tworzy wakat (który jest neutralny elektrycznie). Gdy elektron walencyjny z sąsiedniego atomu krzemu wypełnia to wakat, wiązanie kowalencyjne wytwarza dziurę. Atom zanieczyszczenia staje się następnie nieruchomym jonem ujemnym. Jest to zilustrowane na poniższym rysunku:
1.3.2 P - Typ Semiconductor (ciąg dalszy)
W porównaniu z n - Typ półprzewodników, w p - Typ Semiconductors:
Otwory są przewoźnikami większości, a wolne elektrony są nośnikami mniejszościowymi.
Przewodność polega przede wszystkim na otworach. Im wyższe stężenie domieszkowanych zanieczyszczeń, tym większe stężenie otworów, co prowadzi do silniejszej przewodności (jako wolne miejsca w atomach zanieczyszczeń pochłaniają elektrony). Stężenie nośnika mniejszości zmniejsza się.
Gdy temperatura rośnie, procentowa zmiana stężenia wolnego elektronu jest wyższa niż w stężeniu otworu.