1.1 Johdanto puolijohteisiin
Puolijohdelaitteet ovat elektronisten piirien peruskomponentteja, ja ne on valmistettu puolijohdemateriaaleista. Puolijohdemateriaalit määritellään aineiksi, joilla on sähkönjohtavuus johtimien ja eristeiden välillä. Sen lisäksi, että puolijohdeilla on johtavuus johtimien ja eristeiden välillä, puolijohdoilla on myös seuraavat ominaisuudet:
1, lämpötilan nousu voi merkittävästi parantaa puolijohteiden johtavuutta. Esimerkiksi puhtaan piin (SI) resistiivisyys kaksinkertaistuu, kun lämpötila nousee 30 asteesta 20 asteeseen.
2, Epäpuhtauksien vähäiset määrät (niiden läsnäolo ja pitoisuus) voivat muuttaa puolijohteiden johtavuutta dramaattisesti. Esimerkiksi, jos yksi epäpuhtausatomi (kuten +3 tai +5} valenssielementti) otetaan käyttöön miljoonalla pii -atomilla, huoneenlämpötilassa (27 astetta; miksi huoneenlämpöinen aste on 27 astetta? Koska absoluuttinen lämpötila on kokonaisluku, t =273+ t =273+}}} t, ja lähin t =273+} t {{{6} 214 000 ω · cm - 0,2 ω · cm.
3, valon altistuminen voi parantaa merkittävästi puolijohteiden johtavuutta. Esimerkiksi eristävään substraattiin kerrostuneessa kadmiumsulfidikalvossa on useita megohmeja (MΩ) valon puuttuessa, mutta valaistuksen alla vastus putoaa useisiin kymmeniin kilohmiin (kΩ).
Lisäksi 4, magneettiset ja sähkökentät voivat myös muuttaa huomattavasti puolijohteiden johtavuutta.
Siksi puolijohteet ovat materiaaleja, joiden johtavuus on johtimien ja eristeiden välillä, ja niiden luontaiset ominaisuudet ovat erittäin alttiita merkittäville muutoksille ulkoisten tekijöiden, kuten valon, lämmön, magneettisuuden, sähkökenttien ja hivenaineen epäpuhtauspitoisuuksien vuoksi.
Näiden edullisten ominaisuuksien vuoksi puolijohteita voidaan käyttää tehokkaasti. Erityisesti myöhemmät keskustelut diodeista, transistoreista ja kentästä - -vaikutustransistorit osoittavat, kuinka hivenaineiden epäpuhtauksien ominaisuus muuttavat merkittävästi puolijohteiden johtavuutta.
1.2 Luonnolliset puolijohteet
Kuinka esittelemme hivenaineita puolijohteisiin? Voimmeko lisätä epäpuhtauksia suoraan luonnolliseen kvartsiin (jonka pääkomponentti on Si)? Emme voi käyttää luonnollista piitä suoraan, koska se sisältää erilaisia epäpuhtauksia, jotka tekevät sen johtavuudesta hallitsemattoman. Ensisijaisena tavoitteena on toimittaa hallittavissa oleva johtavuus, jotta voidaan toimia kaikkien puolijohteiden perusmateriaalina.
Siksi meidän on puhdistettava luonnollinen pii puhtaaseen piin kiderakenteeseen. Tätä puhdasta puolijohteen kiderakennetta kutsutaan luontaiseksi puolijohteeksi.
Luonnollisten puolijohteiden ominaisuudet: (Luonnolliset puolijohteet ovat puhtaita kiderakenteita)
1, puhtaus, tarkoittaen epäpuhtauksia.
2, kiderakenne, joka edustaa vakautta. Atomit on sitoutunut toisiinsa, estäen vapaan liikkeen, mikä johtaa vielä pienempaan johtavuuteen luonnolliseen piisiin verrattuna.
1.2.1 Luonnollisten puolijohteiden kiderakenne
Kemiassa saimme tietää, että kahden vierekkäisen pii (SI) -atomin uloimmista elektronista tulee jaetut elektronit, jotka muodostavat kovalenttisia sidoksia. Jokaisen Si -atomin kaikki uloimmin elektronit eivät kuitenkaan pysy tiukasti omien kovalenttisten sidostensä sisällä. Syynä tähän on, että materiaali on olemassa lämpötilan ympäristössä. Tilatun liikkeen lisäksi myös uloimmat elektronit läpäisevät lämpöliikkeen - satunnaisliike - lämpötilan vaikutuksen vuoksi. Toisinaan elektronilla voi olla korkeampi energia kuin muilla atomeilla, jolloin se voi vapautua kovalenttisesta sidoksesta ja tulla vapaaksi elektroniksi. Jopa pienellä määrällä energiaa, johtimen uloimmat elektronit voivat tuottaa suuntauksen.
Luonnolliset puolijohteet eivät sisällä epäpuhtauksia. Kun elektroni vapautuu kovalenttisesta sidoksesta, se jättää väliin, jota kutsutaan reikään. Luonnollisissa puolijohteissa vapaiden elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin reikien lukumäärä, ja ne luodaan pareittain. Kristallirakenne, reikät ja vapaat elektronit on havainnollistettu alla olevassa kuvassa:
1.2.1 Luonnollisten puolijohteiden kiderakenne (jatkuu)
Jos ulkoinen sähkökenttä levitetään sisäiseen puolijohteeseen:
1, vapaat elektronit liikuttavat suuntaa, muodostaenelektronivirta.
2, reikien läsnäolon vuoksi valenssielektronit liikkuvat tiettyyn suuntaan näiden reikien täyttämiseksi, aiheuttaen reikien myös suuntauksen siirtymisen (koska vapaat elektronit ja reikät syntyvät pareittain). Tämä reikien liike muodostaa areikävirta. Koska vapaat elektronit ja reikät kantavat vastakkaisia varauksia ja liikkuvat vastakkaisiin suuntiin, sisäisen puolijohteen kokonaisvirta on näiden kahden virran summa.
Yllä olevat ilmiöt osoittavat, että sekä reiät että vapaat elektronit toimivat hiukkasina, jotka kantavat sähkövarausta (sellaisia hiukkasia kutsutaanLaskukuljettajat). Siten molemmat ovat varauskuljettajia. Tämä erottaa sisäiset puolijohteet johtimista: johtimissa on vain yksi tyyppi varauskantajaa, kun taas luontaisissa puolijohteissa on kahden tyyppisiä varauskantajia.
1.2.2 Kantajapitoisuus sisäisissä puolijohteissa
Ilmiö, jossa puolijohde tuottaa vapaata elektronia - reikäpareja lämmön virityksen allaluontainen viritys.
Vapaiden elektronien satunnaisliikkeen aikana, kun ne kohtaavat reikiä, vapaat elektronit ja reiät katoavat samanaikaisesti. Tätä ilmiötä kutsutaanrekombinaatio. Vapaiden elektronien lukumäärä - reikäparit, jotka ovat luontaisen virityksen tuottamia, on yhtä suuri kuin vapaan elektronin - reikäparien lukumäärä, jotka yhdistävät dynaamisen tasapainon. Tämä tarkoittaa, että tietyssä lämpötilassa vapaiden elektronien ja reikien pitoisuudet ovat samat.
Kun ympäristön lämpötila nousee, lämpöliike tehostaa ja enemmän vapaata elektronia vapautuu valenssielektronien rajoituksista, mikä johtaa reikien lisääntymiseen. Tämän seurauksena kantajapitoisuus kasvaa, mikä parantaa johtavuutta. Sitä vastoin, kun lämpötila laskee, kantajapitoisuus pienenee vähentäen johtavuutta. Kun lämpötila laskee absoluuttiseen nollaan (0 K), valenssielektronit puuttuu energiaa vapautuakseen kovalenttisesta sidoksista, mikä ei johtaisi johtavuutta.
Luonnollisissa puolijohteissa johtavuuteen sisältyy kahden tyyppisten varauskantajien liikkuminen. Vaikka sisäisten puolijohteiden johtavuus riippuu lämpötilasta, se on erittäin huono niiden kiteisen rakenteen vuoksi. Huolimatta huonosta johtavuudestaan sisäisillä puolijohdeilla on voimakas hallittavuus johtavissa ominaisuuksissaan.
1,3 seostetut puolijohteet
Tässä osassa selitetään, miksi luontaisilla puolijohteilla on niin vahva hallittavuus johtavuudessa. Tässä hyödynnetään seuraavaa puolijohteiden omaisuutta:Epäpuhtauksien vähäiset määrät voivat muuttaa merkittävästi niiden johtavuutta.
"Doping" viittaa prosessiin, jonka mukaan asianmukaiset epäpuhtauselementit tuovat luontaiseen puolijohteeseen. Lisättyjen epäpuhtauselementtien tyypistä riippuen seostetut puolijohteet voidaan luokitellaN - tyyppi puolijohteetjaP - Tyyppi puolijohteet. Hallitsemalla epäpuhtauselementtien pitoisuutta, seostetun puolijohteen johtavuutta voidaan säädellä tarkasti.
1.3.1 n - tyyppi puolijohde
"N" tarkoittaaNegatiivinen, koska elektronit kantavat negatiivisen varauksen ja ovat kevyitä. Kiderakenteeseen lisäävät lisäelektroneja, pentavalenttiset elementit (esim. Fosfori, P) on tyypillisesti seostettu puolijohteeseen. Koska fosforiatomilla on viisi valenssielektronia, kun kovalenttisia sidoksia on muodostettu ympäröivien piin atomien kanssa, yksi ylimääräinen elektroni jäänee. Tästä elektronista voi helposti tulla vapaata elektronia, jolla on minimaalinen energian syöttö. Epäpuhtausatomista, joka on nyt kiinnitetty kidehilaan ja josta puuttuu elektroni, tulee liikkumattoman positiivisen ionin. Tätä havainnollistetaan alla olevassa kuvassa:
1.3.1 n - tyyppi puolijohde (jatkuu)
N - -tyyppisessä puolijohteessa vapaiden elektronien pitoisuus on suurempi kuin reikien pitoisuus. Siksi ilmaisia elektroneja kutsutaanenemmistöyhtiöt(kertoimet), kun taas reikiä kutsutaanvähemmistökantajat(alaikäiset). Siten n - -tyyppisen puolijohteen johtavuus riippuu ensisijaisesti ilmaisista elektroneista. Mitä suurempi seostettujen epäpuhtauksien pitoisuus, sitä suurempi enemmistökantajien pitoisuus ja sitä vahvempi johtavuus.
Tutkitaan, kuinka vähemmistökantajien pitoisuus muuttuu, kun suurin osa kantajapitoisuudesta kasvaa. Vähemmistökantajan pitoisuus pienenee, koska lisääntynyt vapaiden elektronien lukumäärä herättää rekombinaation todennäköisyyden reikillä.
Lämpötilan noustessa kantajien lukumäärä kasvaa ja enemmistökantajien lisääntyminen on yhtä suuri kuin vähemmistöjen kantajien lisääntyminen. Vähemmistökantajien pitoisuuden prosentuaalinen muutos on kuitenkin korkeampi kuin enemmistökantajien (vähemmistöjen ja suurten peruspitoisuuksien eri pohjapitoisuuksien vuoksi, vaikka numeerinen lisäys on sama). Siksi, vaikka vähemmistökantajien pitoisuus on alhainen, niitä ei pidä aliarvioida. Vähemmistökantajat ovat kriittinen tekijä, joka vaikuttaa puolijohdelaitteiden lämpötilan stabiilisuuteen, ja siten niiden pitoisuus on myös otettava huomioon.
1.3.2 P - Tyyppi Semiconductor
"P" tarkoittaaPositiivinen, nimetty positiivisesti varautuneiden reikien mukaan. Kristallirakenteeseen lisäreikien lisäämiseksi kolmiulotteiset elementit (esim. Boori, B) on tyypillisesti seostettu puolijohteeseen. Kun booriatomi muodostaa kovalenttisia sidoksia ympäröivien piin atomien kanssa, se luo avoimen työpaikan (joka on sähköisesti neutraali). Kun naapurimaiden piitatomin valenssielektroni täyttää tämän avoimen työpaikan, kovalenttinen sidos tuottaa reikän. Epäpuhtausatomista tulee sitten liikkumaton negatiivinen ioni. Tätä havainnollistetaan alla olevassa kuvassa:
1.3.2 p - tyyppi puolijohde (jatkuu)
Verrattuna N - Tyyppi Semiconductors, P - Tyyppi Semiconductors:
Reiät ovat enemmistökantajia, kun taas vapaat elektronit ovat vähemmistökantajia.
Johtavuus riippuu pääasiassa reikistä. Mitä korkeampi seostettujen epäpuhtauksien pitoisuus, sitä suurempi reikäpitoisuus on voimakkaampiin johtavuuteen (kun epäpuhtaustomien avoimet työpaikat absorboivat elektroneja). Vähemmistökantajan pitoisuus pienenee.
Lämpötilan noustessa vapaan elektronipitoisuuden prosentuaalinen muutos on korkeampi kuin reikäpitoisuuden.
