1.1 Puslaidininkių įvadas
Puslaidininkiniai įtaisai yra pagrindiniai elektroninių grandinių komponentai ir jie gaminami iš puslaidininkių medžiagų. Puslaidininkinės medžiagos yra apibrėžiamos kaip medžiagos, turinčios elektros laidumą tarp laidininkų ir izoliatorių. Be to, kad turi laidų ir izoliatorių laidumą, puslaidininkiai taip pat turi šias savybes:
1, temperatūros pakilimas gali žymiai padidinti puslaidininkių laidumą. Pavyzdžiui, gryno silicio (SI) atsparumas dvigubai padidėja, kai temperatūra padidėja nuo 30 laipsnių iki 20 laipsnių.
2, pėdsakai priemaišų kiekiai (jų buvimas ir koncentracija) gali drastiškai pakeisti puslaidininkių laidumą. For instance, if one impurity atom (such as a +3 or +5 valence element) is introduced per million silicon atoms, the resistivity at room temperature (27℃; why is room temperature 27℃? Because absolute temperature is an integer, T=273+t=273+t, and the closest value for T is 300 K, hence t is 27℃) sumažėja nuo 214 000 Ω · cm iki 0,2 Ω · cm.
3, šviesos poveikis gali žymiai pagerinti puslaidininkių laidumą. Pavyzdžiui, kadmio sulfido (CDS) plėvelė, nusėdusi ant izoliuojančio substrato, atsparumas yra keli megohms (MΩ), jei nėra šviesos, tačiau apšviečiant, atsparumas sumažėja iki kelių dešimčių kilogramų (kΩ).
4, be to, magnetiniai ir elektriniai laukai taip pat gali pastebimai pakeisti puslaidininkių laidumą.
Todėl puslaidininkiai yra medžiagos, turinčios laidininkų ir izoliatorių laidumą, o jų vidinės savybės yra labai jautrios reikšmingiems pokyčiams dėl išorinių veiksnių, tokių kaip šviesa, šiluma, magnetizmas, elektriniai laukai ir pėdsakų priemaišų koncentracija.
Atsižvelgiant į šias naudingas savybes, puslaidininkius galima efektyviai panaudoti. Visų pirma, vėlesnės diskusijos apie diodus, tranzistorius ir lauką - efekto tranzistoriai parodys, kaip pasinaudojama pėdsakų priemaišų savybėmis, žymiai keičiančiomis puslaidininkių laidumą.
1.2 Vidiniai puslaidininkiai
Kaip į puslaidininkius įvedame pėdsakų priemaišas? Ar galime tiesiogiai pridėti priemaišų prie natūralaus kvarco (kurio pagrindinis komponentas yra SI)? Negalime tiesiogiai naudoti natūralaus silicio, nes jame yra įvairių priemaišų, dėl kurių jo laidumas yra nekontroliuojamas. Pagrindinis tikslas yra būti pagrindinė visų puslaidininkių medžiaga, pagrindinis tikslas yra pasiekti kontroliuojamą laidumą.
Todėl turime išvalyti natūralų silicį į gryną silicio kristalų struktūrą. Ši gryna puslaidininkio kristalų struktūra yra vadinama vidiniu puslaidininkiu.
Vidinių puslaidininkių charakteristikos: (vidiniai puslaidininkiai yra grynos kristalų struktūros)
1, grynumas, nereiškia priemaišų.
2, kristalų struktūra, atspindinti stabilumą. Atomai yra surišti vienas su kitu, užkertant kelią laisvam judėjimui, o tai lemia dar mažesnį laidumą, palyginti su natūraliu siliciu.
1.2.1 Vidinių puslaidininkių kristalų struktūra
Chemijoje mes sužinojome, kad dviejų gretimų silicio (SI) atomų išoriniai elektronai kristaluose tampa bendrinamais elektronais, sudarydami kovalentinius ryšius. Tačiau ne visi išoriniai kiekvieno Si atomo elektronai išlieka griežtai jų pačių kovalentiniuose ryšiuose. Priežastis ta, kad medžiaga egzistuoja aplinkoje, kurioje temperatūra. Be užsakyto judesio, išoriniai elektronai taip pat patiria šiluminį judesį - atsitiktinis judėjimas - dėl temperatūros įtakos. Retkarčiais elektronas gali turėti didesnę energiją nei kiti atomai, leisdamas jam išsilaisvinti iš kovalentinio ryšio ir tapti laisvu elektronu. Net ir turint nedidelį energijos kiekį, išoriniai laidininko elektronai gali sukelti kryptinį judesį.
Vidiniuose puslaidininkiuose nėra priemaišų. Kai elektronas atsiriboja nuo kovalentinio ryšio, jis palieka laisvą vietą, vadinamą skylė. Vidiniuose puslaidininkiuose laisvųjų elektronų skaičius yra lygus skylių skaičiui ir jie generuojami poromis. Kristalų struktūra, skylės ir laisvieji elektronai yra iliustruoti žemiau esančiame paveikslėlyje:
1.2.1 Vidinių puslaidininkių kristalų struktūra (tęsinys)
Jei išoriniame elektriniame lauke naudojamas vidinis puslaidininkis:
1, laisvi elektronai juda krypčiai, formuodamielektronų srovė.
2, dėl skylių, valentiniai elektronai juda tam tikra kryptimi, kad užpildytų šias skylutes, todėl skylės taip pat juda kryptingai (nes poromis susidaro laisvieji elektronai ir skylės). Šis skylių judėjimas yra askylės srovė. Kadangi laisvieji elektronai ir skylės neša priešingus krūvius ir juda priešingomis kryptimis, bendra vidinio puslaidininkio srovė yra šių dviejų srovių suma.
Aukščiau pateikti reiškiniai rodo, kad tiek skylės, tiek laisvieji elektronai veikia kaip dalelės, turinčios elektros krūvį (tokios dalelės vadinamosmokesčių vežėjai). Taigi abu yra mokesčių vežėjai. Tai išskiria vidinius puslaidininkius nuo laidininkų: laidininkai yra tik vieno tipo krūvio nešikliai, tuo tarpu vidiniuose puslaidininkiuose yra dviejų tipų krūvio nešėjai.
1.2.2 Vežėjo koncentracija vidiniuose puslaidininkiuose
Fenomenas, kuriame puslaidininkis sukuria nemokamą elektroną - skylių poros, esant šiluminiam sužadinimuividinis sužadinimas.
Atsitiktinio laisvųjų elektronų judesių metu, kai jie susiduria su skylutėmis, laisvieji elektronai ir skylės tuo pačiu metu išnyksta. Šis reiškinys vadinamasrekombinacija. Laisvų elektronų - skylių porų, sugeneruotų vidinio sužadinimo, skaičius lygus laisvojo elektronų - skylių poroms, kurios rekombinuotos, skaičių, pasiekiant dinaminę pusiausvyrą. Tai reiškia, kad tam tikroje temperatūroje laisvųjų elektronų ir skylių koncentracijos yra vienodos.
Pakilus aplinkos temperatūrai, sustiprėja šiluminis judesys, o daugiau laisvųjų elektronų atsiriboja nuo valentinių elektronų suvaržymų, todėl padidėja skylės. Taigi vežėjo koncentracija didėja, padidindama laidumą. Ir atvirkščiai, kai temperatūra mažėja, nešiklio koncentracija mažėja, mažindama laidumą. Kai temperatūra sumažėja iki absoliutaus nulio (0 k), valentiniams elektronams trūksta energijos, kad būtų galima atsipalaiduoti nuo kovalentinių ryšių, todėl laidumas nėra.
Vidiniuose puslaidininkiuose laidumas apima dviejų tipų krūvio nešėjų judėjimą. Nors vidinių puslaidininkių laidumas priklauso nuo temperatūros, dėl jų kristalinės struktūros jis išlieka ypač prastas. Nepaisant prasto laidumo, vidiniai puslaidininkiai turi stipriai kontroliuojamumą jų laidžiosiose savybėse.
1.3 Puslaidininkiai
Šiame skyriuje paaiškins, kodėl vidiniai puslaidininkiai rodo tokį stiprią laidumo kontroliuojamumą. Čia mes panaudosime šią puslaidininkių nuosavybę:pėdsakai priemaišų kiekis gali žymiai pakeisti jų laidumą.
„Dopingas“ reiškia tinkamų priemaišų elementų įvedimo į vidinį puslaidininkį procesą. Priklausomai nuo pridėtų priemaišų elementų tipo, į juos galima suskirstyti į viršųN - tipo puslaidininkiaiirP - tipo puslaidininkiai. Kontroliuojant priemaišų elementų koncentraciją, gali būti tiksliai sureguliuojamas dopedo puslaidininkio laidumas.
1.3.1 n - tipo puslaidininkis
„N“ reiškiaNeigiamas, kadangi elektronai neša neigiamą krūvį ir yra lengvi. Norėdami įvesti papildomus elektronus į kristalų struktūrą, pentavalentiniai elementai (pvz., Fosforas, P) paprastai yra įtraukti į puslaidininkį. Kadangi fosforo atomas turi penkis valentinius elektronus, suformavus kovalentinius ryšius su aplinkiniais silicio atomais, liko vienas papildomas elektronas. Šis elektronas gali lengvai tapti nemokamu elektronu, turinčiu minimalią energijos įvestį. Priemaišų atomas, dabar pritvirtintas kristalų gardelėje ir neturint elektrono, tampa nejudrus teigiamas jonas. Tai parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje:
1.3.1 n - tipo puslaidininkis (tęsinys)
N - tipo puslaidininkyje laisvųjų elektronų koncentracija yra didesnė nei skylių. Todėl vadinami laisvieji elektronaidauguma vežėjų(daugikliai), o skylės vadinamosmažumų vežėjai(nepilnamečiai). Taigi, N - tipo puslaidininkio laidumas pirmiausia priklauso nuo laisvųjų elektronų. Kuo didesnė dopedinių priemaišų koncentracija, tuo didesnė daugumos nešėjų koncentracija ir tuo stipresnis laidumas.
Išnagrinėkime, kaip keičiasi mažumų nešėjų koncentracija, kai didėja daugumos vežėjų koncentracija. Mažumų nešiklio koncentracija mažėja, nes padidėjęs laisvųjų elektronų skaičius padidina rekombinacijos tikimybę su skylutėmis.
Kylant temperatūrai, didėja nešėjų skaičius, o daugumos nešėjų padidėjimas yra lygus mažumų nešiotojų padidėjimui. Tačiau mažumų nešiklio koncentracijos procentinis pokytis yra didesnis nei daugumos nešėjų (dėl skirtingų mažumų ir didžiųjų bendrovių bazinės koncentracijos, nors skaitinis padidėjimas yra tas pats). Taigi, nors mažumų nešėjų koncentracija yra maža, jie neturėtų būti nuvertinti. Mažumų nešiotojai yra kritinis veiksnys, turintis įtakos puslaidininkių prietaisų temperatūros stabilumui, todėl taip pat reikia atsižvelgti į jų koncentraciją.
1.3.2 p - tipo puslaidininkis
„P“ reiškiaTeigiamas, pavadinta teigiamai įkrautų skylių vardu. Norėdami įvesti papildomas skylutes į kristalų struktūrą, trivalentiniai elementai (pvz., Boronas, b) paprastai yra įterpiami į puslaidininkį. Kai boro atomas sudaro kovalentinius ryšius su aplinkiniais silicio atomais, jis sukuria laisvą vietą (kuri yra elektra neutrali). Kai valentinis elektronas iš kaimyninio silicio atomo užpildo šią laisvą vietą, kovalentinė jungtis sukuria skylę. Tada priemaišų atomas tampa nejudrus neigiamas jonas. Tai parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje:
1.3.2 p - tipo puslaidininkis (tęsinys)
Palyginti su n - tipo puslaidininkiais, p - tipo puslaidininkiai:
Skylės yra dauguma vežėjų, o laisvieji elektronai yra mažumos nešiotojai.
Laidumas pirmiausia priklauso nuo skylių. Kuo didesnė dopedinių priemaišų koncentracija, tuo didesnė skylių koncentracija, sukelianti stipresnį laidumą (kai laisvos priemaišų atomų absorbavimas sugeria elektronus). Mažumų nešiklio koncentracija mažėja.
Kylant temperatūrai, laisvosios elektronų koncentracijos procentinis pokytis yra didesnis nei skylės koncentracijos.