1.1 Въведение в полупроводниците
Полупроводниковите устройства са основни компоненти на електронните вериги и те са направени от полупроводникови материали. Полупроводниковите материали се определят като вещества с електрическа проводимост между проводници и изолатори. Освен че имат проводимост между тази на проводниците и изолаторите, полупроводниците притежават и следните свойства:
1, повишаването на температурата може значително да повиши проводимостта на полупроводниците. Например, съпротивлението на чистия силиций (SI) се удвоява, когато температурата се повиши от 30 градуса до 20 градуса.
2, следите от примеси (тяхното присъствие и концентрация) могат драстично да променят проводимостта на полупроводниците. Например, ако един атом на примесите (като +3 или +5 валентен елемент) се въвежда на милион силиконови атоми, съпротивлението при стайна температура (27 градуса; защо е стайна температура на 27 градуса? Тъй от 214 000 Ω · cm до 0,2 Ω · cm.
3, излагането на светлина може значително да подобри проводимостта на полупроводниците. Например, филмът на кадмий сулфид (CDS), отложен върху изолационен субстрат, има устойчивост на няколко мегоха (MΩ) при липса на светлина, но при осветяване, съпротивлението пада до няколко десетки килома (kΩ).
4, освен това, магнитните и електрическите полета също могат да променят значително проводимостта на полупроводниците.
Следователно полупроводниците са материали с проводимост между проводници и изолатори, а техните присъщи свойства са силно податливи на значителни промени поради външни фактори като светлина, топлина, магнетизъм, електрически полета и концентрации на следи.
Като се имат предвид тези изгодни свойства, полупроводниците могат да бъдат ефективно използвани. По -специално, последващите дискусии относно диодите, транзисторите и полето - Ефектни транзистори ще демонстрират как свойството на примесите на следите значително променя проводимостта на полупроводника.
1.2 Вътрешни полупроводници
Как да въведем примеси на следи в полупроводници? Можем ли директно да добавим примеси към естествения кварц (чийто основен компонент е SI)? Не можем да използваме естествен силиций директно, защото съдържа различни примеси, които правят проводимостта му неконтролируема. За да служи като основен материал за всички полупроводници, основната цел е да се постигне контролируема проводимост.
Следователно, ние трябва да пречистваме естествения силиций в чист силициев кристална структура. Тази чиста полупроводникова кристална структура се нарича присъщ полупроводник.
Характеристики на вътрешните полупроводници: (Вътрешните полупроводници са чисти кристални структури)
1, Чистота, което означава без примеси.
2, кристална структура, представляваща стабилност. Атомите са обвързани един с друг, предотвратявайки свободното движение, което води до още по -ниска проводимост в сравнение с естествения силиций.
1.2.1 Кристална структура на вътрешните полупроводници
В химията научихме, че най -външните електрони на два съседни силициеви (Si) атома в кристал стават споделени електрони, образувайки ковалентни връзки. Въпреки това, не всички най -външни електрони на всеки атом на SI остават строго в рамките на собствените си ковалентни връзки. Причината за това е, че материалът съществува в среда с температура. В допълнение към подреденото движение, най -външните електрони също претърпяват термично движение - случайно движение - поради влиянието на температурата. Понякога електронът може да притежава по -висока енергия от другите атоми, което му позволява да се освободи от ковалентната връзка и да се превърне в свободен електрон. Дори при малко количество енергия най -външните електрони на проводник могат да генерират насочено движение.
Вътрешните полупроводници са без примеси. Когато електрон се освободи от ковалентна връзка, той оставя след себе си свободно място, известно като дупка. Във вътрешните полупроводници броят на свободните електрони е равен на броя на дупките и те се генерират по двойки. Кристалната структура, дупките и свободните електрони са илюстрирани на фигурата по -долу:
1.2.1 Кристална структура на вътрешните полупроводници (продължение)
Ако се прилага външно електрическо поле във вътрешен полупроводник:
1, свободните електрони се движат по посока, образувайкиелектронен ток.
2, поради наличието на дупки, валентните електрони се движат в определена посока, за да запълнят тези дупки, което кара дупките да претърпят насочено движение (тъй като свободните електрони и дупки се генерират по двойки). Това движение на дупки образува aток на дупката. Тъй като свободните електрони и дупки носят противоположни заряди и се движат в противоположни посоки, общият ток във вътрешен полупроводник е сумата от тези два тока.
Горните явления показват, че и дупките, и свободните електрони действат като частици, носещи електрически заряд (такива частици се наричатНосители на такси). По този начин и двамата са носители на такси. Това отличава присъщите полупроводници от проводниците: в проводниците има само един вид носител на заряда, докато във вътрешните полупроводници има два вида носители на заряд.
1.2.2 Концентрация на носители във вътрешни полупроводници
Феноменът, при който полупроводник генерира свободен електрон - дупки под термично възбуждане, се наричаВътрешно възбуждане.
По време на случайното движение на свободни електрони, когато те срещат дупки, свободните електрони и дупки едновременно изчезват. Това явление се наричарекомбинация. Броят на свободните електрон - дупки двойки, генерирани от вътрешно възбуждане, е равен на броя на свободните двойки електрон - дупки, които рекомбинират, постигайки динамично равновесие. Това означава, че при определена температура концентрациите на свободни електрони и дупки са еднакви.
Когато температурата на околната среда се повиши, термичното движение се засилва и повече свободни електрони се освобождават от ограниченията на валентните електрони, което води до увеличаване на дупките. Следователно концентрацията на носителя се увеличава, засилвайки проводимостта. Обратно, когато температурата намалява, концентрацията на носителя намалява, намалявайки проводимостта. Когато температурата падне до абсолютна нула (0 K), валентните електрони нямат енергия, за да се освободят от ковалентните връзки, което води до никаква проводимост.
Във вътрешните полупроводници проводимостта включва движението на два вида носители на заряд. Въпреки че проводимостта на вътрешните полупроводници зависи от температурата, тя остава изключително лоша поради тяхната кристална структура. Въпреки лошата си проводимост, присъщите полупроводници проявяват силна контролируемост в своите проводими свойства.
1.3 легирани полупроводници
Този раздел ще обясни защо присъщите полупроводници проявяват толкова силна контролируемост на проводимостта. Тук ще използваме следното свойство на полупроводници:Следимите количества примеси могат значително да променят тяхната проводимост.
"Допинг" се отнася до процеса на въвеждане на подходящи елементи на примес във вътрешен полупроводник. В зависимост от вида на добавените елементи на примесите, легираните полупроводници могат да бъдат класифицирани вN - Тип полупроводницииP - Тип полупроводници. Чрез контролиране на концентрацията на елементите на примесите, проводимостта на легирания полупроводник може да бъде прецизно регулирана.
1.3.1 n - Тип полупроводник
"N" означаваОтрицателен, тъй като електроните носят отрицателен заряд и са леки. За да се въведат допълнителни електрони в кристалната структура, пентавалентните елементи (напр. Фосфор, Р) обикновено се лекуват в полупроводника. Тъй като фосфорният атом има пет валентни електрона, след образуване на ковалентни връзки със заобикалящи силициеви атоми, остава един допълнителен електрон. Този електрон може лесно да се превърне в свободен електрон с минимален вход на енергия. Атомът на примесите, сега фиксиран в кристалната решетка и липсва електрон, се превръща в неподвижен положителен йон. Това е илюстрирано на фигурата по -долу:
1.3.1 n - Тип полупроводник (продължение)
В N - полупроводник тип, концентрацията на свободни електрони е по -голяма от тази на дупките. Следователно се наричат свободни електронимнозинство превозвачи(умножители), докато дупките се наричатМалцински превозвачи(Непълнолетни). По този начин, проводимостта на N - полупроводников тип разчита предимно на свободни електрони. Колкото по -висока е концентрацията на легирани примеси, толкова по -голяма е концентрацията на мнозинството носители и толкова по -силна е проводимостта.
Нека да разгледаме как се променя концентрацията на малцинствените носители, когато мажоритарната концентрация на носител се увеличи. Концентрацията на малцинствения носител намалява, тъй като увеличеният брой свободни електрони повишава вероятността от рекомбинация с дупки.
Когато температурата се повиши, броят на носителите се увеличава и увеличаването на мнозинството носители е равен на увеличаването на малцинствените носители. Процентната промяна в концентрацията на малцинствените носители е по -висока от тази на мнозинството носители (поради различните основни концентрации на малцинствата и специалностите, въпреки че численото увеличение е едно и също). Следователно, въпреки че концентрацията на малцинствените носители е ниска, те не трябва да се подценяват. Множниците на малцинствата са критичен фактор, засягащ температурната стабилност на полупроводниковите устройства и по този начин трябва да се вземе предвид и тяхната концентрация.
1.3.2 P - Тип полупроводник
"P" означаваПоложително, кръстен на положително заредените дупки. За да се въведат допълнителни дупки в кристалната структура, тривалентните елементи (напр. Борон, В) обикновено се лекуват в полупроводника. Когато атомът на бор формира ковалентни връзки със заобикалящи силиконови атоми, той създава свободно място (което е електрически неутрално). Когато валентен електрон от съседен силиконов атом запълни това свободно място, ковалентната връзка генерира дупка. След това атомът на примесите се превръща в неподвижен отрицателен йон. Това е илюстрирано на фигурата по -долу:
1.3.2 P - Тип полупроводник (продължение)
В сравнение с n - тип полупроводници, в p - тип полупроводници:
Дупките са мнозинството носители, докато свободните електрони са малцинствените носители.
Проводимостта се разчита предимно на дупки. Колкото по -висока е концентрацията на легирани примеси, толкова по -голяма е концентрацията на дупките, което води до по -силна проводимост (тъй като свободните места в атомите на примесите абсорбират електрони). Концентрацията на малцинствения носител намалява.
Когато температурата се повиши, процентната промяна в концентрацията на свободен електрон е по -висока от тази на концентрацията на отвора.