1.1 Вступ до напівпровідників
Напівпровідникові пристрої є основними компонентами електронних схем, і вони виготовлені з напівпровідникових матеріалів. Напівпровідникові матеріали визначаються як речовини з електропровідністю між провідниками та ізоляторами. Окрім провідності між провідниками та ізоляторами, напівпровідники також мають такі властивості:
1, підвищення температури може значно підвищити провідність напівпровідників. Наприклад, опір чистого кремнію (СІ) подвоюється, коли температура збільшується з 30 градусів до 20 градусів.
2, простежування кількості домішок (їх наявність та концентрація) може різко змінити провідність напівпровідників. Наприклад, якщо один атом домішки (наприклад, +3 або +5 валентний елемент) вводиться на мільйон атомів кремнію, опір при кімнатній температурі (27 градусів; чому кімнатна температура 27 градусів? Тому Від 214 000 Ом · см до 0,2 Ом · см.
3, опромінення світла може значно покращити провідність напівпровідників. Наприклад, плівка сульфіду кадмію (CDS), осаджена на ізоляційному субстраті, має опір декількох мегом (МОм) за відсутності світла, але при освітленні опір падає до декількох десятків кілохмів (Kω).
4, крім того, магнітні та електричні поля також можуть помітно змінити провідність напівпровідників.
Тому напівпровідники - це матеріали з провідністю між провідниками та ізоляторами, а їх внутрішні властивості дуже сприйнятливі до значних змін через зовнішні фактори, такі як світло, тепло, магнетизм, електричні поля та концентрація домішок.
Враховуючи ці вигідні властивості, напівпровідники можна ефективно використовувати. Зокрема, наступні дискусії щодо діодів, транзисторів та поля - транзистори продемонструють, як властивість слідових домішок, що значно змінюють напівпровідникову провідність.
1.2 Внутрішні напівпровідники
Як ми вводимо сліди домішок у напівпровідники? Чи можемо ми безпосередньо додати домішки до природного кварцу (основним компонентом якого є SI)? Ми не можемо використовувати природний кремній безпосередньо, оскільки він містить різні домішки, які роблять його провідність неконтрольованою. Щоб служити основним матеріалом для всіх напівпровідників, основна мета - досягти контрольованої провідності.
Тому нам потрібно очистити природний кремній в чисту кристалічну структуру кремнію. Ця чиста напівпровідникова кристалічна структура називається внутрішнім напівпровідником.
Характеристики внутрішніх напівпровідників: (Внутрішні напівпровідники - це чисті кристалічні структури)
1, чистота, не маючи на увазі домішок.
2, кристалічна структура, що представляє стабільність. Атоми пов'язані один з одним, запобігаючи вільному руху, що призводить до ще нижчої провідності порівняно з природним кремнієм.
1.2.1 Кристалічна структура внутрішніх напівпровідників
У хімії ми дізналися, що самі зовнішні електрони двох сусідніх атомів кремнію (СІ) у кристалі стають спільними електронами, утворюючи ковалентні зв’язки. Однак не всі зовнішні електрони кожного атома Si залишаються суворо у власних ковалентних зв’язках. Причиною цього є те, що матеріал існує в середовищі з температурою. Окрім упорядкованого руху, самі зовнішні електрони також зазнають теплового руху - випадкового руху - через вплив температури. Іноді електрон може володіти більшою енергією, ніж інші атоми, що дозволяє йому звільнитися від ковалентного зв’язку і стати вільним електроном. Навіть з невеликою кількістю енергії, самі зовнішні електрони провідника можуть генерувати спрямований рух.
Внутрішні напівпровідники не мають домішок. Коли електрон відривається від ковалентного зв’язку, він залишає після себе вакансію, відому як отвір. У внутрішніх напівпровідниках кількість вільних електронів дорівнює кількості отворів, і вони генеруються парами. Кристалічна структура, отвори та вільні електрони проілюстровані на малюнку нижче:
1.2.1 Кристалічна структура внутрішніх напівпровідників (продовження)
Якщо зовнішнє електричне поле застосовується через внутрішній напівпровідник:
1, вільні електрони рухаються направляючим, утворюючиЕлектронний струм.
2, через наявність отворів, валентні електрони рухаються в певному напрямку, щоб заповнити ці отвори, внаслідок чого отвори також зазнають спрямованого руху (оскільки вільні електрони та отвори генеруються парами). Цей рух дірок утворює aструм отвору. Оскільки вільні електрони та дірки несуть протилежні заряди та рухаються в протилежних напрямках, загальний струм у внутрішньому напівпровіднику є сума цих двох струмів.
Вищезазначені явища демонструють, що і отвори, і вільні електрони діють як частинки, що несуть електричний заряд (такі частинки називаютьсязарядки.). Таким чином, обидва - носії зарядки. Це відрізняє внутрішні напівпровідники від провідників: у провідниках існує лише один тип носія заряду, тоді як у внутрішніх напівпровідниках існує два види носіїв заряду.
1.2.2 Концентрація носія у внутрішніх напівпровідників
Явище, де напівпровідник генерує безкоштовний електрон - пари отвору під тепловим збудженнямвнутрішнє збудження.
Під час випадкового руху вільних електронів, коли вони стикаються з отворами, вільні електрони та отвори одночасно зникають. Це явище називаєтьсярекомбінація. Кількість вільних електронів - пар отвору, що генеруються за допомогою внутрішнього збудження, дорівнює кількості вільних електронів - пар отвору, які рекомбінують, досягаючи динамічної рівноваги. Це означає, що при певній температурі концентрації вільних електронів і отворів однакові.
Коли температура навколишнього середовища підвищується, тепловий рух посилюється, а більше вільних електронів відриваються від обмежень валентних електронів, що призводить до збільшення отворів. Отже, концентрація носія збільшується, підвищуючи провідність. І навпаки, коли температура знижується, концентрація носія зменшується, знижуючи провідність. Коли температура падає до абсолютного нуля (0 к), валентним електронам не вистачає енергії, щоб звільнитися від ковалентних зв’язків, в результаті чого немає провідності.
У внутрішніх напівпровідниках провідність передбачає рух двох видів носіїв заряду. Хоча провідність внутрішніх напівпровідників залежить від температури, вона залишається надзвичайно поганою через їх кристалічну структуру. Незважаючи на погану провідність, внутрішні напівпровідники демонструють сильну керованість у своїх провідних властивостях.
1,3 легованих напівпровідників
Цей розділ пояснить, чому внутрішні напівпровідники демонструють таку сильну керованість провідності. Тут ми будемо використовувати таку властивість напівпровідників:Простежування кількості домішок може суттєво змінити їх провідність.
"Допінг" відноситься до процесу впровадження відповідних елементів домішок у внутрішній напівпровідник. Залежно від типу доданих елементів домішки, допедуті напівпровідники можна класифікуватиN - Введіть напівпровідникиіP - Введіть напівпровідники. Контролюючи концентрацію елементів домішок, провідність легованого напівпровідника може бути точно регульована.
1.3.1 n - Введіть напівпровідник
"N" означаєНегативний, як електрони несуть негативний заряд і легкі. Для введення додаткових електронів у кристалічну структуру пентавалентні елементи (наприклад, фосфор, Р), як правило, лежать у напівпровідник. Оскільки атом фосфору має п’ять валентних електронів, після утворення ковалентних зв’язків з навколишніми атомами кремнію залишається один додатковий електрон. Цей електрон може легко стати вільним електроном з мінімальним введенням енергії. Атом домішок, тепер закріплений на кристалічній решітці і не вистачає електрона, стає нерухомим позитивним іоном. Це проілюстровано на малюнку нижче:
1.3.1 n - Введіть напівпровідник (продовження)
У n - тип напівпровідник, концентрація вільних електронів більша, ніж у отворів. Тому називаються безкоштовні електрониБільшість перевізників(множники), тоді як дірки називаютьсяпереносники меншин(неповнолітні). Таким чином, провідність N - тип напівпровідника в першу чергу покладається на вільні електрони. Чим вища концентрація легованих домішок, тим більша концентрація носіїв більшості та сильніша провідність.
Давайте розглянемо, як змінюється концентрація носіїв меншин, коли концентрація більшості збільшується. Концентрація носіїв меншості зменшується, оскільки збільшення кількості вільних електронів підвищує ймовірність рекомбінації з отворами.
Коли температура підвищується, кількість носіїв збільшується, а збільшення носіїв більшості дорівнює збільшенню носіїв меншості. Однак відсоткова зміна концентрації носіїв меншин вища, ніж у носіїв більшості (через різні основні концентрації меншин та спеціальностей, навіть якщо числове збільшення однакове). Тому, хоча концентрація носіїв меншин низька, їх не слід недооцінювати. Носії меншин є критичним фактором, що впливає на стабільність температури напівпровідникових пристроїв, і, таким чином, також слід враховувати їх концентрацію.
1.3.2 P - Введіть напівпровідник
"P" означаєПозитивний, названо на честь позитивно заряджених дірок. Для введення додаткових отворів у кристалічну структуру, тривалентні елементи (наприклад, бори, б), як правило, лежать у напівпровідник. Коли атом бору утворює ковалентні зв'язки з навколишніми атомами кремнію, він створює вакансію (яка є електрично нейтральною). Коли валентний електрон із сусіднього атома кремнію заповнює цю вакансію, ковалентний зв’язок генерує отвір. Потім атом домішки стає нерухомим негативним іоном. Це проілюстровано на малюнку нижче:
1.3.2 P - Введіть напівпровідник (продовження)
Порівняно з n - тип напівпровідників, в p - тип напівпровідників:
Дірки - це більшість носіїв, а вільні електрони - носії меншин.
Провідність насамперед покладається на отвори. Чим вище концентрація допедних домішок, тим більша концентрація дірок, що призводить до сильнішої провідності (як вакансії в атомах домішок поглинають електрони). Концентрація носія меншин зменшується.
Коли температура підвищується, відсоткова зміна концентрації вільної електронів вище, ніж концентрація отвору.