1.1 Uvod u poluvodiče
Poluvodički uređaji su temeljne komponente elektronskih krugova, a izrađeni su od poluvodičkih materijala. Poluprovodnički materijali definirani su kao tvari s električnom provodljivošću između provodnika i izolatora. Pored provodljivosti između vođenja provodnika i izolatora, poluvodiči također posjeduju sljedeća svojstva:
1, porast temperature može značajno poboljšati provodljivost poluvodiča. Na primjer, otpornost čistog silikona (SI) udvostručuje se kada se temperatura poveća od 30 stepeni do 20 stepeni.
2, u tragovima nečistoća (njihovo prisustvo i koncentracija) može drastično izmijeniti provodljivost poluvodiča. Na primjer, ako je jedan atometar valence (poput {+3 ili {{+3 atomi), otpornost na sobnoj temperaturi (27 stepeni; zato što je opsežna temperatura cijeli brojna, a da je za 0 stepena), stoga t iznosi 27 stepeni) smanjuje se sa 214,000 ω · cm do 0,2 Ω · cm.
3, Izloženost svetlosti može značajno poboljšati provodljivost poluvodiča. Na primjer, film kadamijum sulfid (CD-ovi) koji se polaže na izolacijsku podlogu ima otpor nekoliko megohmskih (Mω) u nedostatku svjetlosti, ali pod osvjetljenjem, otpor se spušta na nekoliko desetina kilometara (Kω).
4, Uz to, magnetska i električna polja mogu također značajno mijenjati provodljivost poluvodiča.
Stoga su poluvodiči materijali s provodljivošću između dirigenata i izolatora, a njihova unutarnja svojstva vrlo su osjetljiva na značajne promjene zbog vanjskih faktora poput svjetla, topline koncentracije i praćenja.
S obzirom na ova povoljna svojstva, poluvodiči se mogu učinkovito iskoristiti. Konkretno, naknadne diskusije o diodama, tranzistorima i terenima - Effect tranzistori pokazuju kako je imovina nečistoća u tragovima značajno mijenjanje provodljivosti poluvodiča.
1.2 unutarnji poluvodiči
Kako uvode nečistoće u tragovima u poluvodiče? Možemo li izravno dodati nečistoće u prirodni kvarc (čija je glavna komponenta SI)? Ne možemo direktno koristiti prirodni silikon jer sadrži različite nečistoće, koje svoju provodljivost čine nekontroliranim. Da bi se služio kao temeljni materijal za sve poluvodiče, primarni cilj je postizanje kontrolizirajuće provodljivosti.
Stoga moramo pročistiti prirodni silikon u čistu silikonsku kristalnu strukturu. Ova čista poluvodička kristalna struktura naziva se intrinzičnim poluvodičem.
Karakteristike unutarnjih poluvodiča: (intrinzični poluvodiči su čiste kristalne konstrukcije)
1, čistoća, što znači da nema nečistoća.
2, kristalna struktura, predstavljanje stabilnosti. Atomi su vezani jedni prema drugima, sprečavajući slobodan pokret, što rezultira ravnomjernom nižom provodljivošću u odnosu na prirodni silikon.
1.2.1 Kristalna struktura unutarnjih poluvodiča
U hemiji smo saznali da su najudaljeniji elektroni dva susjedna silikona (SI) atoma u kristalu postaju podijeljeni elektroni, formiraju kovalentne veze. Međutim, nisu svi najudaljeniji elektroni svakog sita atoma strogo unutar vlastitih kovalentnih obveznica. Razlog za to je da materijal postoji u okruženju sa temperaturom. Pored naručenog pokreta, najudaljenijih elektrona podvrgava se i termičkim kretanjem - nasumičnim pokretom - zbog uticaja temperature. Povremeno, elektron može posjedovati veću energiju od ostalih atoma, omogućavajući mu da se oslobodi kovalentne veze i postane slobodni elektron. Čak i sa malom količinom energije, najudaljeniji elektroni dirigenta može generirati usmjereni pokret.
Intrinzični poluvodiči su bez nečistoća. Kad se elektron oslobodi od kovalentne veze, ostavlja se iza slobodnog mjesta poznatog kao rupa. U intrinzičnim poluvodičima, broj slobodnih elektrona jednak je broju rupa, a oni su generirani u parovima. Kristalna struktura, rupe i besplatni elektroni ilustrirani su na donjoj slici:
1.2.1 Kristalna struktura unutarnjih poluvodiča (nastavak)
Ako se vanjsko električno polje primjenjuje na unutarnzornim poluvodičem:
1, besplatni elektroni semeju smento, formiranjem anElektronska struja.
2 Zbog prisustva rupa, valentne elektrone kreću se u određenom smjeru da ispuni ove rupe, uzrokujući da se rupe također podvrgnu u usmjerenom kretanju (budući da su besplatni elektroni i rupe generirani u parovima). Ovo kretanje rupa formira astruja rupa. Kako besplatni elektroni i rupe nose suprotne troškove i kreću se u suprotnim smjerovima, ukupna struja u unutarnjoj poluvodiču je zbroj ove dvije struje.
Gore navedene pojave pokazuju da i rupe i besplatni elektroni djeluju kao čestice koje nose električni naboj (takve čestice se nazivajuNosači za naplatu). Tako su oba prijevoznika za naplatu. Ovo razlikuje intrinzične poluvodiče iz provodnika: u provodnicima postoji samo jedna vrsta prijevoznika naboja, dok u unutrašnjim poluvodičima postoje dvije vrste prijevoznika na naplatu.
1.2.2 Koncentracija nosača u unutrašnjim poluvodičima
Fenomen gdje se poluvodič stvara besplatni elektron - rupe u termalnoj uzbudnjiIntrinzična uzbuđenja.
Tokom slučajnog kretanja besplatnih elektrona, kada naiđu na rupe, slobodne elektrone i rupe istovremeno nestaju. Ovaj fenomen se zoverekombinacija. Broj slobodnih elektrona - rupe generirane po anketivnim pobudima jednak je broju besplatnog elektrona - rupe pari koji rekombinu, postižu dinamičnu ravnotežu. To znači da su na određenoj temperaturi koncentracije slobodnih elektrona i rupa iste.
Kada se temperatura okoline raste, termički pokret se pojačava i više slobodnih elektrona oslobađa se ograničenja valentnih elektrona, što dovodi do povećanja rupa. Slijedom toga, koncentracija nosača povećava se, poboljšavajući provodljivost. Suprotno tome, kada temperatura opada, koncentracija nosača smanjuje se, smanjuje provodljivost. Kada temperatura padne na apsolutnu nulu (0 k), valentne elektrone nedostaje energija da se oslobodi kovalentnih obveznica, što rezultira ne vođenjem.
U intrinzičnim poluvodičima, provodljivost uključuje pokret dve vrste prevoznika naboja. Iako provodljivost unutarnjih poluvodiča ovisi o temperaturi, ostaje izuzetno loša zbog njihove kristalne strukture. Uprkos njihovoj lošoj provodljivosti, intrinzični poluvodiči pokazuju snažnu kontroličnost u svojim provodljivim svojstvima.
1.3 Dopirani poluvodiči
Ovaj će odjeljak objasniti zašto intrinzični poluvodiči pokazuju tako snažnu kontrolizivost u provodljivosti. Evo, koristit ćemo sljedeću imovinu poluvodiča:Tragovi nečistoća mogu značajno izmijeniti njihovu provodljivost.
"Doping" se odnosi na proces uvođenja odgovarajućih elemenata za nečistoće u unutarnji poluvodič. Ovisno o vrsti dodatnih elemenata nečistoće, dopirani poluvodiči mogu se klasificirati uN - Tip poluvodičiiP- Tip poluvodiči. Kontrolom koncentracije nečistoće elemenata, provodljivost dopiranog poluvodiča može se precizno regulirati.
1.3.1 n - Tip poluvodič
"N" značiNegativan, kao što elektroni nose negativan naboj i lagane su. Uvesti dodatne elektrone u kristalnu strukturu, pentavalentni elementi (npr. Fosfor, P) obično se dopiraju u poluvodiču. Budući da fosfor Atom ima pet valentnih elektrona, nakon formiranja kovalentnih obveznica sa okolnim silicijum atomi, ostaje jedan dodatni elektron. Ovaj elektron može lako postati besplatan elektron sa minimalnim unosom energije. Atom nečistoće, koji je sada fiksiran u kristalnoj rešetki i nedostaje elektrona, postaje nepokretan pozitivan ion. Ovo je prikazano na donjoj slici:
1.3.1 n - Tip poluvodič (nastavak)
U poluvodiču tipa N - koncentracija slobodnih elektrona veća je od rupa. Zbog toga se nazivaju besplatni elektroniVećinski nosači(multiplikatori), dok se nazivaju rupeNosači manjina(maloljetnici). Dakle, provodljivost poluvodiča N - tipa prvenstveno se oslanja na besplatne elektrone. Što je veća koncentracija dopisanih nečistoća, veća je koncentracija većinskih nosača, a jača provodljivost.
Ispitajmo da se koncentracija manjinskih nosača mijenja kada se koncentracija većine nosila povećava. Koncentracija manjinskih nosača smanjuje se jer povećani broj slobodnih elektrona postavlja verovatnoću rekombinacije rupama.
Kada temperatura raste, broj prevoznika se povećava, a povećanje većinskih nosača jednako je povećanju manjinskih nosača. Međutim, procenat se mijenja koncentracije manjina u koncentraciji veća je od većine prijevoznika (zbog različitih osnovnih koncentracija manjina i majora, iako je numerički porast isti). Stoga, iako je koncentracija manjinskih nosača niska, ne treba ih podcijeniti. Nosači manjina kritični su faktor koji utječe na temperaturnu stabilnost poluvodičkih uređaja, a samim tim i njihova koncentracija mora biti razmotrena.
1.3.2 P- Tip poluvodiča
"P" značiPozitivan, nazvan po pozitivno nabijenim rupama. Uvesti dodatne rupe u kristalnu strukturu, trivalentni elementi (npr. Boron, B) obično se dopiraju u poluvodiču. Kada boron atom formira kovalentne obveznice sa okolnim silicijum atomi, stvara slobodno mjesto (što je električno neutralno). Kad se valentna elektron iz susjednog silikonskog atoma ispunjava ovaj konkurs, kovalentna obveznica stvara rupu. Atometar nečistoće tada postaje nepokretan negativan joon. Ovo je prikazano na donjoj slici:
1.3.2 P- Tip poluvodič (nastavak)
U poređenju sa poluvodičima tipa N - u P - Tip poluvodiči:
Rupe su većinski prevoznici, dok su besplatni elektroni nosioci manjina.
Provodljivost se prvenstveno oslanja na rupe. Što je veća koncentracija dopisanih nečistoća, veća je koncentracija rupa, što dovodi do jače provodljivosti (kao slobodna radna mjesta u atomima nečistoće apsorbiraju elektrone). Koncentracija nosača manjina opada.
Kada temperatura raste, procenat promjene u free koncentraciji elektrona je veći od koncentracije rupe.