1.1 Εισαγωγή στους ημιαγωγούς
Οι συσκευές ημιαγωγών είναι θεμελιώδη συστατικά ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και είναι κατασκευασμένα από υλικά ημιαγωγών. Τα υλικά ημιαγωγών ορίζονται ως ουσίες με ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ αγωγών και μονωτήρων. Εκτός από την αγωγιμότητα μεταξύ εκείνης των αγωγών και των μονωτών, οι ημιαγωγοί διαθέτουν επίσης τις ακόλουθες ιδιότητες:
1, η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να ενισχύσει σημαντικά την αγωγιμότητα των ημιαγωγών. Για παράδειγμα, η αντίσταση του καθαρού πυριτίου (SI) διπλασιάζεται όταν η θερμοκρασία αυξάνεται από 30 βαθμούς σε 20 μοίρες.
2, οι ιχνοστοιχείες των ακαθαρσιών (παρουσία και συγκέντρωσή τους) μπορούν να μεταβάλλουν δραστικά την αγωγιμότητα των ημιαγωγών. Για παράδειγμα, εάν ένα άτομο ακαθαρσίας (όπως ένα στοιχείο +3 ή +5 salence) εισάγεται ανά εκατομμύριο άτομα πυριτίου, η αντίσταση σε θερμοκρασία δωματίου (27 μοίρες, γιατί είναι 27 βαθμοί; από 214.000 ω · cm έως 0,2 Ω · cm.
3, η έκθεση στο φως μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αγωγιμότητα των ημιαγωγών. Για παράδειγμα, μια μεμβράνη σουλφιδίου καδμίου (CDS) που κατατίθεται σε ένα μονωτικό υπόστρωμα έχει αντίσταση αρκετών megohms (MΩ) απουσία φωτός, αλλά κάτω από φωτισμό, η αντίσταση πέφτει σε αρκετές δεκάδες kilohms (KΩ).
4, Επιπλέον, τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία μπορούν επίσης να μεταβάλλουν σημαντικά την αγωγιμότητα των ημιαγωγών.
Ως εκ τούτου, οι ημιαγωγοί είναι υλικά με αγωγιμότητα μεταξύ αγωγών και μονωτήρων και οι εγγενείς τους ιδιότητες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες σε σημαντικές αλλαγές λόγω εξωτερικών παραγόντων όπως το φως, η θερμότητα, ο μαγνητισμός, τα ηλεκτρικά πεδία και οι συγκεντρώσεις ακαθαρσιών ιχνών.
Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις πλεονεκτικές ιδιότητες, οι ημιαγωγοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά. Συγκεκριμένα, οι επακόλουθες συζητήσεις σχετικά με τις δίοδοι, τα τρανζίστορ και το πεδίο - των τρανζίστορ των αποτελεσμάτων θα αποδείξουν πώς αξιοποιείται η ιδιότητα των ιχνοστοιχείων που μεταβάλλονται σημαντικά στην αγωγιμότητα των ημιαγωγών.
1.2 Εγγενείς ημιαγωγοί
Πώς εισαγάγουμε τα ιχνοστοιχεία σε ημιαγωγούς; Μπορούμε να προσθέσουμε άμεσα ακαθαρσίες σε φυσικό χαλαζία (του οποίου το κύριο συστατικό είναι το SI); Δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το φυσικό πυρίτιο απευθείας επειδή περιέχει διάφορες ακαθαρσίες, οι οποίες καθιστούν την αγωγιμότητά του αδιάφορη. Για να χρησιμεύσει ως θεμελιώδες υλικό για όλους τους ημιαγωγούς, ο πρωταρχικός στόχος είναι η επίτευξη ελεγχόμενης αγωγιμότητας.
Ως εκ τούτου, πρέπει να καθαρίσουμε το φυσικό πυρίτιο σε μια καθαρή κρυσταλλική δομή πυριτίου. Αυτή η καθαρή κρυσταλλική δομή ημιαγωγού αναφέρεται ως εγγενής ημιαγωγός.
Χαρακτηριστικά των ενδογενών ημιαγωγών: (Οι ενδογενείς ημιαγωγοί είναι καθαρές κρυσταλλικές δομές)
1, καθαρότητα, που σημαίνει ότι δεν υπάρχουν ακαθαρσίες.
2, κρυσταλλική δομή, που αντιπροσωπεύει σταθερότητα. Τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους, αποτρέποντας την ελεύθερη κυκλοφορία, η οποία έχει ως αποτέλεσμα ακόμη χαμηλότερη αγωγιμότητα σε σύγκριση με το φυσικό πυρίτιο.
1.2.1 κρυσταλλική δομή των ενδογενών ημιαγωγών
Στη χημεία, μάθαμε ότι τα εξώτατα ηλεκτρόνια δύο γειτονικών ατόμων πυριτίου (SI) σε ένα κρύσταλλο γίνονται κοινόχρηστα ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς. Ωστόσο, δεν παραμένουν αυστηρά όλα τα εξώτατα ηλεκτρόνια κάθε ατόμου Si εντός των ομοιοπολικών δεσμών τους. Ο λόγος για αυτό είναι ότι το υλικό υπάρχει σε ένα περιβάλλον με θερμοκρασία. Εκτός από την παραγγελία κίνησης, τα εξώτατα ηλεκτρόνια υποβάλλονται επίσης σε θερμική κίνηση - τυχαία κίνηση - λόγω της επίδρασης της θερμοκρασίας. Περιστασιακά, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να διαθέτει υψηλότερη ενέργεια από άλλα άτομα, επιτρέποντάς του να απομακρυνθεί από τον ομοιοπολικό δεσμό και να γίνει ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Ακόμη και με μια μικρή ποσότητα ενέργειας, τα εξώτατα ηλεκτρόνια ενός αγωγού μπορούν να δημιουργήσουν κατευθυντική κίνηση.
Οι εγγενείς ημιαγωγοί είναι απαλλαγμένοι από ακαθαρσίες. Όταν ένα ηλεκτρόνιο σπάει ελεύθερο από έναν ομοιοπολικό δεσμό, αφήνει πίσω του μια κενή θέση γνωστή ως τρύπα. Σε εγγενείς ημιαγωγούς, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ίσος με τον αριθμό των οπών και παράγονται σε ζεύγη. Η κρυσταλλική δομή, οι οπές και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια απεικονίζονται στο παρακάτω σχήμα:
1.2.1 κρυσταλλική δομή των ενδογενών ημιαγωγών (συνέχεια)
Εάν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο σε έναν εγγενή ημιαγωγό:
1, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται κατευθυντικά, σχηματίζοντας έναρεύμα ηλεκτρονίων.
2, Λόγω της παρουσίας οπών, τα ηλεκτρόνια σθένους κινούνται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση για να γεμίσουν αυτές τις τρύπες, προκαλώντας επίσης να υποβληθούν σε κατευθυντική κίνηση (δεδομένου ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές παράγονται σε ζεύγη). Αυτή η κίνηση των οπών σχηματίζει έναρεύμα οπών. Καθώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές φέρουν αντίθετες χρεώσεις και κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις, το συνολικό ρεύμα σε έναν εγγενή ημιαγωγό είναι το άθροισμα αυτών των δύο ρευμάτων.
Τα παραπάνω φαινόμενα καταδεικνύουν ότι τόσο οι οπές όσο και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δρουν ως σωματίδια που μεταφέρουν ηλεκτρικό φορτίο (τέτοια σωματίδια καλούνταιμεταφορείς χρέωσης). Έτσι, και οι δύο είναι φορείς φόρτισης. Αυτό διακρίνει τους εγγενείς ημιαγωγούς από τους αγωγούς: σε αγωγούς, υπάρχει μόνο ένας τύπος φορέα φορτίου, ενώ σε εγγενείς ημιαγωγούς, υπάρχουν δύο τύποι φορέων φορτίου.
1.2.2 Συγκέντρωση φορέα σε εγγενείς ημιαγωγούς
Το φαινόμενο όπου ένας ημιαγωγός παράγει δωρεάν ηλεκτρονικά - ζεύγη οπών κάτω από θερμική διέγερση ονομάζεταιεγγενής διέγερση.
Κατά τη διάρκεια της τυχαίας κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων, όταν συναντούν τρύπες, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και τρύπες εξαφανίζονται ταυτόχρονα. Αυτό το φαινόμενο καλείταιανασυνδυασμός. Ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων - ζεύγη οπών που παράγονται από εγγενή διέγερση ισούται με τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων - ζευγών οπών που ανασυνδυαστούν, επιτυγχάνοντας μια δυναμική ισορροπία. Αυτό σημαίνει ότι σε μια ορισμένη θερμοκρασία, οι συγκεντρώσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών είναι οι ίδιες.
Όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αυξάνεται, η θερμική κίνηση εντείνεται και περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια απαλλαγούν από τους περιορισμούς των ηλεκτρονίων σθένους, οδηγώντας σε αύξηση των οπών. Κατά συνέπεια, η συγκέντρωση του φορέα αυξάνεται, ενισχύοντας την αγωγιμότητα. Αντίθετα, όταν μειώνεται η θερμοκρασία, η συγκέντρωση του φορέα μειώνεται, μειώνοντας την αγωγιμότητα. Όταν η θερμοκρασία πέσει στο απόλυτο μηδέν (0 K), τα ηλεκτρόνια σθένους δεν έχουν την ενέργεια για να απομακρυνθούν από ομοιοπολικούς δεσμούς, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει αγωγιμότητα.
Σε εγγενείς ημιαγωγούς, η αγωγιμότητα περιλαμβάνει την κίνηση δύο τύπων φορέων φορτίου. Αν και η αγωγιμότητα των εγγενών ημιαγωγών εξαρτάται από τη θερμοκρασία, παραμένει εξαιρετικά φτωχή λόγω της κρυσταλλικής δομής τους. Παρά την κακή τους αγωγιμότητα, οι εγγενείς ημιαγωγοί παρουσιάζουν ισχυρή δυνατότητα ελέγχου στις αγώγιμες ιδιότητές τους.
1,3 ημιαγωγούς με ντοπατ.
Αυτή η ενότητα θα εξηγήσει γιατί οι εγγενείς ημιαγωγοί παρουσιάζουν τέτοια έντονη δυνατότητα ελέγχου στην αγωγιμότητα. Εδώ, θα χρησιμοποιήσουμε την ακόλουθη ιδιότητα των ημιαγωγών:Τα ίχνη των ακαθαρσιών μπορούν να μεταβάλουν σημαντικά την αγωγιμότητά τους.
Το "Doping" αναφέρεται στη διαδικασία εισαγωγής κατάλληλων στοιχείων ακαθαρσίας σε έναν εγγενή ημιαγωγό. Ανάλογα με τον τύπο των προστιθέμενων στοιχείων ακαθαρσίας, μπορούν να ταξινομηθούν οι ημιαγωγοί με ντοπατ.N - Πληκτρολογήστε ημιαγωγούςκαιP - Πληκτρολογήστε ημιαγωγούς. Με τον έλεγχο της συγκέντρωσης των στοιχείων ακαθαρσίας, η αγωγιμότητα του ημιαγωγού που έχει προσβληθεί μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια.
1.3.1 n - Πληκτρολογήστε ημιαγωγούς
Το "n" αντιπροσωπεύειΑρνητικός, καθώς τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό φορτίο και είναι ελαφριά. Για να εισαγάγετε επιπλέον ηλεκτρόνια στην κρυσταλλική δομή, τα πενταβικά στοιχεία (π.χ. φωσφόρο, Ρ) είναι συνήθως προσκυνημένα στον ημιαγωγό. Δεδομένου ότι ένα άτομο φωσφόρου έχει πέντε ηλεκτρόνια σθένους, αφού σχηματίζει ομοιοπολικούς δεσμούς με περιβάλλοντα άτομα πυριτίου, παραμένει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο. Αυτό το ηλεκτρόνιο μπορεί εύκολα να γίνει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο με ελάχιστη είσοδο ενέργειας. Το άτομο ακαθαρσίας, που τώρα σταθεροποιείται στο κρυσταλλικό πλέγμα και δεν υπάρχει ηλεκτρόνιο, γίνεται ένα ακίνητο θετικό ιόν. Αυτό απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα:
1.3.1 n - Τύπος ημιαγωγού (συνέχεια)
Σε ένα n - τύπου ημιαγωγού, η συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από αυτή των οπών. Επομένως, καλούνται ελεύθερα ηλεκτρόνιαπλειοψηφικοί μεταφορείς(πολλαπλασιαστές), ενώ οι τρύπες καλούνταιμεταφορείς μειονοτήτων(ανήλικοι). Έτσι, η αγωγιμότητα ενός n - τύπου ημιαγωγού βασίζεται κυρίως σε ελεύθερα ηλεκτρόνια. Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση των προσμείξεων με πρόσμιξη, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των φορέων της πλειοψηφίας και τόσο ισχυρότερη είναι η αγωγιμότητα.
Ας εξετάσουμε πώς αλλάζει η συγκέντρωση των μεταφορέων των μειονοτήτων όταν αυξάνεται η συγκέντρωση φορέα πλειοψηφίας. Η συγκέντρωση φορέα μειονοτήτων μειώνεται επειδή ο αυξημένος αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων αυξάνει την πιθανότητα ανασυνδυασμού με οπές.
Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, ο αριθμός των μεταφορέων αυξάνεται και η αύξηση των μεταφορέων πλειοψηφίας είναι ίση με την αύξηση των μεταφορέων μειονοτήτων. Ωστόσο, η ποσοστιαία μεταβολή της συγκέντρωσης φορέα μειονοτήτων είναι υψηλότερη από αυτή των φορέων πλειοψηφίας (λόγω των διαφορετικών βασικών συγκεντρώσεων των μειονοτήτων και των μεγάλων εταιρειών, παρόλο που η αριθμητική αύξηση είναι η ίδια). Ως εκ τούτου, αν και η συγκέντρωση των μειονοτικών φορέων είναι χαμηλή, δεν πρέπει να υποτιμάται. Οι μεταφορείς των μειονοτήτων είναι ένας κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει τη σταθερότητα της θερμοκρασίας των συσκευών ημιαγωγών και επομένως πρέπει να ληφθεί υπόψη η συγκέντρωσή τους.
1.3.2 p - Πληκτρολογήστε ημιαγωγούς
Το "P" σημαίνειΘετικός, το όνομά του από τις θετικά φορτισμένες τρύπες. Για να εισαγάγετε πρόσθετες τρύπες στην κρυσταλλική δομή, τα τρισθεντικά στοιχεία (π.χ. βόριο, β) είναι τυπικά προσδιορισμένα στο ημιαγωγό. Όταν ένα άτομο βορίου σχηματίζει ομοιοπολικούς δεσμούς με άτομα γύρω από το πυρίτιο, δημιουργεί μια κενή θέση (που είναι ηλεκτρικά ουδέτερη). Όταν ένα ηλεκτρόνιο σθένους από ένα γειτονικό άτομο πυριτίου γεμίζει αυτή την κενή θέση, ο ομοιοπολικός δεσμός δημιουργεί μια τρύπα. Το άτομο ακαθαρσίας γίνεται τότε ένα ακίνητο αρνητικό ιόν. Αυτό απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα:
1.3.2 p - Τύπος ημιαγωγού (συνέχεια)
Σε σύγκριση με το n - πληκτρολογήστε ημιαγωγούς, σε p - πληκτρολογήστε ημιαγωγούς:
Οι τρύπες είναι οι πλειοψηφικοί φορείς, ενώ τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι οι μειονοτικοί φορείς.
Η αγωγιμότητα βασίζεται κυρίως σε τρύπες. Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση των προσμείξεων με προσκόλληση, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των οπών, οδηγώντας σε ισχυρότερη αγωγιμότητα (καθώς οι κενές θέσεις στα άτομα ακαθαρσίας απορροφούν ηλεκτρόνια). Η συγκέντρωση μειονοτήτων μειονοτήτων μειώνεται.
Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η ποσοστιαία μεταβολή της ελεύθερης συγκέντρωσης ηλεκτρονίων είναι υψηλότερη από αυτή της συγκέντρωσης οπών.