1.1 Uvod u poluvodiče
Semiconductor uređaji su temeljne komponente elektroničkih krugova, a izrađuju se od poluvodičkih materijala. Poluvodički materijali definirani su kao tvari s električnom vodljivošću između vodiča i izolatora. Osim što imaju vodljivost između vodiča i izolatora, poluvodiči također posjeduju sljedeća svojstva:
1, porast temperature može značajno poboljšati vodljivost poluvodiča. Na primjer, otpornost čistog silicija (SI) udvostručuje se kada se temperatura povećava sa 30 stupnjeva na 20 stupnjeva.
2, količine nečistoća (njihova prisutnost i koncentracija) u tragovima mogu drastično promijeniti vodljivost poluvodiča. Na primjer, ako se jedan atom nečistoće (poput +3 ili +5 element valentne valenciji) uvodi na milijun silicijskih atoma, otpornost na sobnoj temperaturi (27 stupnjeva; zašto je sobna temperatura 27 stupnjeva? Budući da je apsolutna temperatura 27, t {{6}, i t {}, i t {}, i t {{7}, t {}, i t {{7 {7 {t {7 {7 {7 {7}, i t {{7 {7 {7 {7 {7 {7}, i t {{7 {7 {7 {7 {7 {7}, i t {7 {7} {7}, i t {{7 {7 {7 {7 {7 {7}, i t {{7} je. od 214.000 Ω · cm do 0,2 Ω · cm.
3, izloženost svjetlosti može značajno poboljšati vodljivost poluvodiča. Na primjer, film kadmij sulfida (CDS) deponiranog na izolacijskom supstratu ima otpor nekoliko megohma (Mω) u nedostatku svjetlosti, ali pod osvjetljenjem otpornost pada na nekoliko desetaka kilohms (Kω).
4, dodatno, magnetska i električna polja također mogu značajno promijeniti vodljivost poluvodiča.
Stoga su poluvodiči materijali s vodljivošću između vodiča i izolatora, a njihova unutarnja svojstva vrlo su osjetljiva na značajne promjene zbog vanjskih čimbenika kao što su svjetlost, toplina, magnetizam, električna polja i koncentracije nečistoće u tragovima.
S obzirom na ta povoljna svojstva, poluvodiči se mogu učinkovito koristiti. Konkretno, sljedeće rasprave o diodama, tranzistorima i polje - efektivni tranzistori pokazat će kako se svojstvo nečistoća u tragovima značajno mijenjaju vodljivost poluvodiča.
1,2 Intirinzijski poluvodiči
Kako uvesti nečistoće u tragovima u poluvodiče? Možemo li izravno dodati nečistoće prirodnom kvartu (čija je glavna komponenta SI)? Ne možemo izravno koristiti prirodni silicij jer sadrži razne nečistoće, što njegovu vodljivost čini nekontroliranim. Da bi služio kao temeljni materijal za sve poluvodiče, primarni je cilj postizanje kontrolirajuće vodljivosti.
Stoga moramo pročistiti prirodni silicij u čistu silikonsku kristalnu strukturu. Ova čista kristalna struktura poluvodiča naziva se unutarnji poluvodič.
Karakteristike unutarnjih poluvodiča: (unutarnji poluvodiči su čiste kristalne strukture)
1, čistoća, što znači da nema nečistoća.
2, kristalna struktura, koja predstavlja stabilnost. Atomi su međusobno vezani, sprečavajući slobodno kretanje, što rezultira još nižom vodljivošću u odnosu na prirodni silicij.
1.2.1 Kristalna struktura unutarnjih poluvodiča
U kemiji smo saznali da najudaljeniji elektroni dvaju susjednih atoma silicija (SI) u kristalu postaju zajednički elektroni, tvoreći kovalentne veze. Međutim, nisu svi najudaljeniji elektroni svakog SI atoma ostali strogo unutar vlastitih kovalentnih veza. Razlog za to je taj što materijal postoji u okruženju s temperaturom. Pored uređenog gibanja, najudaljeniji elektroni također podvrgavaju toplinskom gibanju - nasumično kretanje - zbog utjecaja temperature. Povremeno elektron može posjedovati veću energiju od ostalih atoma, omogućujući mu da se oslobodi kovalentne veze i postane slobodni elektron. Čak i s malom količinom energije, najudaljeniji elektroni vodiča mogu stvoriti usmjereno kretanje.
Unutarnji poluvodiči su bez nečistoća. Kad se elektron oslobodi kovalentne veze, on ostavlja iza slobodnog mjesta poznatog kao rupa. U unutarnjih poluvodiča, broj slobodnih elektrona jednak je broju rupa, a oni se generiraju u parovima. Kristalna struktura, rupe i slobodni elektroni prikazani su na slici ispod:
1.2.1 Kristalna struktura unutarnjih poluvodiča (nastavak)
Ako se vanjsko električno polje primjenjuje preko unutarnjeg poluvodiča:
1, slobodni elektroni kreću se usmjereno, formirajućielektronska struja.
2, zbog prisutnosti rupa, valentni elektroni kreću se u određenom smjeru kako bi ispunili ove rupe, uzrokujući da se rupe također podvrgnu usmjeravanju (budući da se u parovima generiraju slobodni elektroni i rupe). Ovaj pokret rupa tvori astruja rupe. Kako slobodni elektroni i rupe nose suprotne naboje i kreću se u suprotnim smjerovima, ukupna struja u unutarnjem poluvodiču je zbroj ove dvije struje.
Gornje pojave pokazuju da i rupe i slobodni elektroni djeluju kao čestice koje nose električni naboj (takve se čestice nazivajuNosači naboja). Dakle, oba su nosača naboja. To razlikuje unutarnje poluvodiče od vodiča: u vodičima postoji samo jedna vrsta nosača naboja, dok u unutarnjim poluvodičima postoje dvije vrste nosača naboja.
1.2.2 Koncentracija nosača u unutarnjim poluvodičima
Fenomen u kojem poluvodič generira slobodni elektron - parovi rupa pod toplinskom pobudom se nazivajuunutarnje uzbuđenje.
Tijekom nasumičnog gibanja slobodnih elektrona, kada naiđu na rupe, slobodni elektroni i rupe istovremeno nestaju. Ovaj se fenomen zoverekombinacija. Broj slobodnih elektrona - parova rupa generiranih unutarnjim pobudom jednak je broju slobodnog elektrona - rupa koji se rekombiniraju, postižući dinamičku ravnotežu. To znači da su na određenoj temperaturi koncentracije slobodnih elektrona i rupa iste.
Kad se temperatura okoline raste, toplinsko kretanje pojačava se, a više slobodnih elektrona oslobađa se od ograničenja valentnih elektrona, što dovodi do povećanja rupa. Slijedom toga, koncentracija nosača povećava se, povećavajući vodljivost. Suprotno tome, kada se temperatura smanji, koncentracija nosača smanjuje se, smanjujući vodljivost. Kad temperatura padne na apsolutnu nulu (0 k), valentnim elektronima nedostaje energija da se oslobode kovalentnih veza, što rezultira nikakvom vodljivošću.
U unutarnjim poluvodičima vodljivost uključuje kretanje dvije vrste nosača naboja. Iako vodljivost unutarnjih poluvodiča ovisi o temperaturi, ona ostaje izuzetno loša zbog njihove kristalne strukture. Unatoč svojoj lošoj vodljivosti, unutarnji poluvodiči pokazuju snažnu kontroliranost u svojim provodljivim svojstvima.
1.3 Dopirani poluvodiči
Ovaj će odjeljak objasniti zašto unutarnji poluvodiči pokazuju tako snažnu kontroliranost u vodljivosti. Ovdje ćemo koristiti sljedeće svojstvo poluvodiča:Količine nečistoća u tragovima mogu značajno izmijeniti svoju vodljivost.
"Doping" se odnosi na postupak uvođenja odgovarajućih elemenata nečistoće u unutarnji poluvodič. Ovisno o vrsti dodanih elemenata nečistoće, dopirani poluvodiči mogu se klasificirati uN - Type SemiconductorsiP - TIP SEMICONDUCTORS. Kontroliranjem koncentracije elemenata nečistoće, vodljivost dopiranog poluvodiča može se precizno regulirati.
1.3.1 n - TIP SEMICONUCTOR
"N" značiNegativan, jer elektroni nose negativan naboj i lagani su. Za uvođenje dodatnih elektrona u kristalnu strukturu, pentavalentni elementi (npr. Fosfor, P) obično se dopiraju u poluvodič. Budući da atom fosfora ima pet valentnih elektrona, nakon što je formirao kovalentne veze s okolnim silikonskim atomima, ostaje jedan dodatni elektron. Ovaj elektron lako može postati slobodni elektron s minimalnim unosom energije. Atom nečistoće, sada fiksiran u kristalnoj rešetki i nedostaje elektrona, postaje nepokretni pozitivan ion. To je prikazano na donjoj slici:
1.3.1 n - TIP SEMICONUCTOR (nastavak)
U poluvodiču N -, koncentracija slobodnih elektrona je veća od koncentracije rupa. Stoga se nazivaju slobodni elektronivećinski prijevoznici(multiplikatori), dok se rupe nazivajuManjinski prijevoznici(maloljetnici). Dakle, vodljivost N - Type Semiconductor prvenstveno se oslanja na slobodne elektrone. Što je veća koncentracija dopiranih nečistoća, to je veća koncentracija većinskih nosača i jača je vodljivost.
Ispitajmo kako se koncentracija nosača manjina mijenja kada se povećava koncentracija nosača. Koncentracija nosača manjina smanjuje se jer povećani broj slobodnih elektrona povećava vjerojatnost rekombinacije rupama.
Kad se temperatura raste, broj nosača raste, a povećanje većinskih nosača jednak je povećanju manjinskih nosača. Međutim, postotna promjena koncentracije nosača manjina veća je od one kod većinskih nosača (zbog različitih baznih koncentracija manjina i mažoretkinja, iako je numerički porast isti). Stoga, iako je koncentracija nosača manjina niska, ne treba ih podcijeniti. Nositelji manjina kritični su faktor koji utječe na temperaturnu stabilnost poluvodičkih uređaja, pa se tako mora razmotriti i njihova koncentracija.
1.3.2 p - TIP SEMICONUCTOR
"P" značiPozitivan, nazvano po pozitivno nabijenim rupama. Za uvođenje dodatnih rupa u kristalnu strukturu, trivalentni elementi (npr. Boron, B) obično se dopiraju u poluvodič. Kad boronski atom formira kovalentne veze s okolnim silikonskim atomima, on stvara slobodno mjesto (što je električno neutralno). Kada valentni elektron iz susjednog silicijskog atom ispuni ovo slobodno mjesto, kovalentna veza stvara rupu. Atom nečistoće tada postaje nepokretni negativni ion. To je prikazano na donjoj slici:
1.3.2 p - TIP SEMICONUCTOR (nastavak)
U usporedbi s n - Type Semiconductors, u P - TIPIMENICONDUCTORS:
Rupe su većinski prijevoznici, dok su slobodni elektroni manjinski nosači.
Vodljivost se prvenstveno oslanja na rupe. Što je veća koncentracija dopiranih nečistoća, to je veća koncentracija rupa, što dovodi do jače vodljivosti (jer slobodna radna mjesta u atomi nečistoće apsorbiraju elektrone). Koncentracija nosača manjina smanjuje se.
Kad temperatura raste, promjena postotka koncentracije slobodnog elektrona veća je od one u koncentraciji rupa.