1.1 Úvod do polovodičů
Polovodičová zařízení jsou základními součástmi elektronických obvodů a jsou vyrobena z polovodičových materiálů. Polovodičové materiály jsou definovány jako látky s elektrickou vodivostí mezi vodiči a izolátory. Kromě vodivosti mezi vodiči a izolátory mají polovodiče také následující vlastnosti:
1, zvýšení teploty může významně zvýšit vodivost polovodičů. Například odpor čistého křemíku (SI) se zdvojnásobí, když se teplota zvyšuje z 30 stupňů na 20 stupňů.
2, stopová množství nečistot (jejich přítomnost a koncentrace) může drasticky změnit vodivost polovodičů. 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℃) decreases from 214 000 Ω · cm až 0,2 Ω · cm.
3, expozice světla může výrazně zlepšit vodivost polovodičů. Například film sulfidu kadmia (CDS) uložený na izolačním substrátu má odpor několika megohmů (MΩ) v nepřítomnosti světla, ale při osvětlení klesá rezistence na několik desítek kilohmů (KΩ).
4, navíc magnetická a elektrická pole mohou také výrazně změnit vodivost polovodičů.
Proto jsou polovodiče materiály s vodivostí mezi vodiči a izolátory a jejich vnitřní vlastnosti jsou vysoce citlivé na významné změny v důsledku vnějších faktorů, jako je světlo, teplo, magnetismus, elektrická pole a koncentrace stopových nečistot.
Vzhledem k těmto výhodným vlastnostem lze efektivně využít polovodiče. Zejména následné diskuse o diodách, tranzistorech a poli - efektů tranzistory ukážou, jak je vlastnost stopových nečistot významně měnící polovodičovou vodivost využit.
1.2 Vnitřní polovodiče
Jak zavedeme stopové nečistoty do polovodičů? Můžeme přímo přidat nečistoty do přírodního křemene (jehož hlavní složkou je SI)? Nemůžeme používat přírodní křemík přímo proto, že obsahuje různé nečistoty, díky nimž je jeho vodivost nekontrolovatelná. Aby sloužil jako základní materiál pro všechny polovodiče, je primárním cílem dosáhnout kontrolovatelné vodivosti.
Proto musíme čistit přírodní křemík na čistě křemíkovou krystalovou strukturu. Tato čistá polovodičová krystalová struktura je označována jako vnitřní polovodič.
Charakteristiky vnitřních polovodičů: (Vnitřní polovodiče jsou čistě krystalové struktury)
1, čistota, což znamená žádné nečistoty.
2, krystalová struktura, představující stabilitu. Atomy jsou navzájem vázány, což brání volnému pohybu, což má za následek ještě nižší vodivost ve srovnání s přírodním křemíkem.
1.2.1 Krystalová struktura vnitřních polovodičů
V chemii jsme se dozvěděli, že nejvzdálenější elektrony dvou sousedních atomů křemíku (SI) v krystalu se stávají sdílenými elektrony a vytvářejí kovalentní vazby. Ne všechny nejvzdálenější elektrony každého atomu Si však zůstávají přísně v rámci svých vlastních kovalentních vazeb. Důvodem je to, že materiál existuje v prostředí s teplotou. Kromě uspořádaného pohybu podléhají nejvzdálenější elektrony také tepelný pohyb - náhodný pohyb - kvůli vlivu teploty. Občas může mít elektron vyšší energii než jiné atomy, což mu umožňuje osvobodit se od kovalentní vazby a stát se volným elektronem. I s malým množstvím energie může nejvzdálenější elektrony vodiče generovat směrový pohyb.
Vnitřní polovodiče jsou bez nečistot. Když se elektron uvolní od kovalentní vazby, zanechá volné místo známé jako díra. U vnitřních polovodičů se počet volných elektronů rovná počtu děr a jsou generovány ve dvojicích. Krystalová struktura, otvory a volné elektrony jsou znázorněny na obrázku níže:
1.2.1 Krystalová struktura vnitřních polovodičů (pokračování)
Pokud je naneseno externí elektrické pole přes vnitřní polovodič:
1, volné elektrony se pohybují směrem a vytvářejíElektronový proud.
2, vzhledem k přítomnosti otvorů, se valenční elektrony pohybují specifickým směrem, aby tyto otvory vyplnily, což způsobuje, že otvory také podléhají směrovému pohybu (protože volné elektrony a otvory jsou generovány ve dvojicích). Tento pohyb děr tvoří aproud díry. Vzhledem k tomu, že volné elektrony a děry nesou opačné náboje a pohybují se v opačných směrech, celkový proud ve vnitřním polovodiči je součtem těchto dvou proudů.
Výše uvedené jevy ukazují, že jak otvory, tak volné elektrony fungují jako částice nesoucí elektrický náboj (takové částice se nazývajíNosiče nabíjení). Oba jsou tedy nosiče náboje. To odlišuje vnitřní polovodiče od vodičů: ve vodičích existuje pouze jeden typ nosiče náboje, zatímco u vnitřních polovodičů existují dva typy nosičů náboje.
1.2.2 Koncentrace nosiče ve vnitřních polovodičích
Fenomén, kde polovodič generuje volný elektron - páry otvorů pod tepelnou excitací se nazývajíVnitřní excitace.
Během náhodného pohybu volných elektronů, když se setkávají s otvory, volné elektrony a otvory současně zmizí. Tento jev se nazývárekombinace. Počet volných elektronů - Dvojice otvorů generovaných vnitřní excitací se rovná počtu volných elektronů - párů otvorů, které se rekombinují a dosahují dynamické rovnováhy. To znamená, že při určité teplotě jsou koncentrace volných elektronů a děr stejné.
Když se teplota okolního okolí zvyšuje, zesiluje se tepelný pohyb a více volných elektronů se uvolní od omezení valenčních elektronů, což vede ke zvýšení otvorů. V důsledku toho se koncentrace nosiče zvyšuje a zvyšuje vodivost. Naopak, když se teplota sníží, koncentrace nosného snižuje a snižuje vodivost. Když teplota klesne na absolutní nulu (0 K), valenční elektrony postrádají energii, aby se uvolnily kovalentní vazby, což vede k žádné vodivosti.
U vnitřních polovodičů zahrnuje vodivost pohyb dvou typů nosičů náboje. Ačkoli vodivost vnitřních polovodičů závisí na teplotě, zůstává kvůli jejich krystalické struktuře extrémně špatná. Navzdory jejich špatné vodivosti vykazují vnitřní polovodiče ve svých vodivých vlastnostech silnou kontrolovatelnost.
1.3 Dopované polovodiče
Tato část vysvětlí, proč vnitřní polovodiče vykazují tak silnou kontrolovatelnost ve vodivosti. Zde budeme využívat následující vlastnost polovodičů:stopové množství nečistot může výrazně změnit jejich vodivost.
„Doping“ odkazuje na proces zavádění vhodných prvků nečistoty do vnitřního polovodiče. V závislosti na typu přidaných prvků nečistoty lze dopované polovodiče klasifikovat doN - Typ polovodičůaP - Typ polovodičů. Řízením koncentrace prvků nečistoty lze přesně regulovat vodivost dopovaného polovodiče.
1.3.1 n - Typ Semiconductor
„N“ znamenáNegativní, protože elektrony nesou negativní náboj a jsou lehké. Pro zavedení dalších elektronů do krystalové struktury jsou pentavalentní prvky (např. Fosfor, p) obvykle dopovány do polovodiče. Vzhledem k tomu, že atom fosforu má pět valenčních elektronů, po vytvoření kovalentních vazeb s okolními atomy křemíku zůstává jeden extra elektron. Tento elektron se může snadno stát volným elektronem s minimálním vstupem energie. Atom nečistoty, nyní fixovaný v krystalové mřížce a postrádajícím elektron, se stává imobilním pozitivním iontem. To je znázorněno na obrázku níže:
1.3.1 n - Typ Semiconductor (pokračování)
V polovodiči N - je koncentrace volných elektronů větší než koncentrace děr. Proto se volají volné elektronyVětšina nosičů(multiplikátory), zatímco jsou volány díryMenšinové nosiče(nezletilí). Vodivost n - tedy typu polovodič primárně spoléhá na volné elektrony. Čím vyšší je koncentrace dopovaných nečistot, tím větší je koncentrace většinových nosičů a tím silnější vodivost.
Podívejme se, jak se koncentrace menšinových nosičů mění, když se zvyšuje koncentrace nosiče většiny. Koncentrace nosiče menšin se snižuje, protože zvýšený počet volných elektronů zvyšuje pravděpodobnost rekombinace s otvory.
Když teplota stoupá, zvyšuje se počet nosičů a zvýšení nosičů většiny se rovná nárůstu nosičů menšin. Procentní změna koncentrace nosiče menšin je však vyšší než změna většinových nosičů (kvůli různým základním koncentracím menšin a velkých společností, i když numerický nárůst je stejný). Proto, ačkoli je koncentrace menšinových nosičů nízká, neměla by být podceňována. Menšinové nosiče jsou kritickým faktorem ovlivňujícím teplotní stabilitu polovodičových zařízení, a proto je třeba zvážit jejich koncentraci.
1.3.2 p - Typ polovodiče
„P“ znamenáPozitivní, pojmenovaný po pozitivně nabitých dírách. Pro zavedení dalších děr do krystalové struktury jsou trivalentní prvky (např. Boron, b) obvykle dopovány do polovodiče. Když atom boru tvoří kovalentní vazby s okolními atomy křemíku, vytváří volné místo (které je elektricky neutrální). Když valenční elektron ze sousedního atomu křemíku zaplní toto neobsazené místo, kovalentní vazba generuje díru. Atom nečistoty se pak stává imobilním negativním ionty. To je znázorněno na obrázku níže:
1.3.2 P - Typ Semiconductor (pokračování)
Ve srovnání s n - type polovodiče, v P - typu polovodiče:
Otvory jsou nosiče většiny, zatímco volné elektrony jsou nosiči menšiny.
Vodivost se primárně spoléhá na díry. Čím vyšší je koncentrace dopovaných nečistot, tím větší je koncentrace děr, což vede k silnější vodivosti (protože volná místa v atomech nečistot absorbují elektrony). Koncentrace nosiče menšin se snižuje.
Když teplota stoupá, procento změny koncentrace volného elektronů je vyšší než změna koncentrace díry.