1.1 Sissejuhatus pooljuhtidesse
Pooljuhtide seadmed on elektrooniliste vooluahelate põhikomponendid ja need on valmistatud pooljuhtmaterjalidest. Pooljuhtide materjalid on määratletud kui ainete ja isolaatorite vahelise elektrijuhtivusega ained. Lisaks juhtivusele dirigentide ja isolaatorite vahel on pooljuhtidel ka järgmised omadused:
1, võib temperatuuri tõus märkimisväärselt suurendada pooljuhtide juhtivust. Näiteks kahekordse räni (SI) takistus kahekordistub, kui temperatuur tõuseb 30 kraadilt 20 kraadi.
2, jälgitavad lisandid (nende olemasolu ja kontsentratsioon) võivad pooljuhtide juhtivust drastiliselt muuta. Näiteks kui ühe lisandi aatomi (näiteks {+3 või +5 valentsielement) kasutusele võetakse miljoni räni aatomi kohta, on vastupidavus toatemperatuuril (27 kraadi; Miks on toatemperatuur 27 kraad? Kuna absoluutne temperatuur on täisarvu, on t=273+ t =273+ t, mis on 300 k), mis on 300 k) ja Is 300 k -i väärtus on 300 k) ja Is 300 k. 214 000 Ω · cm kuni 0,2 Ω · cm.
3, võib valguse kokkupuude märkimisväärselt parandada pooljuhtide juhtivust. Näiteks isoleeriva substraadile ladestunud kaadmiumsulfiidi (CDS) kilel on valguse puudumisel mitu megohm (MΩ), kuid valgustuse korral langeb takistus mitmele kümnele kilohmile (KΩ).
4 Lisaks võivad magnetilised ja elektriväljad märkimisväärselt muuta pooljuhtide juhtivust.
Seetõttu on pooljuhid juhtivtöötajate ja isolaatorite vahel juhtivusega ning nende sisemised omadused on väliste tegurite, näiteks valguse, soojuse, magnetismi, elektriväljade ja lisandite kontsentratsiooni jälgimise tõttu väga vastuvõtlikud olulistele muutustele.
Neid soodsaid omadusi arvestades saab pooljuhte tõhusalt kasutada. Eelkõige näitavad hilisemad arutelud dioodide, transistoride ja välja - efekti transistoride üle, kuidas jälitus lisandite omadus, mis muudab märkimisväärselt pooljuhtide juhtivust.
1.2 sisemised pooljuhid
Kuidas tutvustada pooljuhtidele jäljelisi lisandeid? Kas me saame loomulikule kvartsile otse lisada lisandeid (kelle põhikomponent on SI)? Me ei saa looduslikku räni kasutada otse, kuna see sisaldab mitmesuguseid lisandeid, mis muudavad selle juhtivuse kontrollimatuks. Kõigi pooljuhtide põhimaterjalina toimimiseks on peamine eesmärk saavutada juhitav juhtivus.
Seetõttu peame puhastama loodusliku räni puhta räni kristallstruktuuriks. Seda puhast pooljuhtide kristallstruktuuri nimetatakse sisemise pooljuht.
Sisemiste pooljuhtide omadused: (sisemised pooljuhid on puhtad kristallstruktuurid)
1, puhtus, mis tähendab lisandeid.
2, kristallstruktuur, mis tähistab stabiilsust. Aatomid on üksteisega seotud, takistades vaba liikumist, mille tulemuseks on loodusliku räniga võrreldes veelgi madalam juhtivus.
1.2.1 Sisemiste pooljuhtide kristallstruktuur
Keemias saime teada, et kahe külgneva räni (SI) aatomi välimine elektron kristallis muutuvad jagatud elektronidest, moodustades kovalentsed sidemed. Kuid mitte kõik SI aatomi kõik välimised elektronid ei jää rangelt nende enda kovalentsetes sidemetes. Selle põhjuseks on see, et materjal eksisteerib keskkonnas temperatuuriga. Lisaks järjestatud liikumisele läbivad välimised elektronid ka termilise liikumise - juhuslik liikumine - temperatuuri mõju tõttu. Mõnikord võib elektronil olla suurem energia kui teistel aatomitel, võimaldades tal vabaneda kovalentsest sidemest ja saada vabaks elektroniks. Isegi väikese koguse energia korral võivad juhi kõige välimised elektronid genereerida suunaliikumist.
Sisemised pooljuhid ei sisalda lisandeid. Kui elektron vabaneb kovalentsest sidemest, jätab see maha kui auk. Sisemistes pooljuhtides on vabade elektronide arv võrdne aukude arvuga ja need genereeritakse paarikaupa. Kristallstruktuuri, augud ja vabad elektronid on illustreeritud alloleval joonisel:
1.2.1 Sisemiste pooljuhtide kristallstruktuur (jätkub)
Kui sisemises pooljuhis rakendatakse välist elektrivälja:
1, vabad elektronid liiguvad suunas, moodustadeselektronvool.
2, aukude olemasolu tõttu liiguvad valentselektronid nende aukude täitmiseks konkreetses suunas, põhjustades aukude liikumise ka suundumise (kuna vabad elektronid ja augud genereeritakse paarikaupa). See aukude liikumine moodustub aauguvool. Kuna vabad elektronid ja augud kannavad vastupidiseid laenguid ja liiguvad vastassuundades, on sisemise pooljuhi koguvool nende kahe voolu summa.
Ülaltoodud nähtused näitavad, et nii augud kui ka vabad elektronid toimivad elektrilaenguga osakestena (selliseid osakesi nimetatakselaadimisvedajaid). Seega on mõlemad laadijad. See eristab sisemisi pooljuhte juhte: juhtsetes on ainult ühte tüüpi laengu kandjat, samas kui sisemistes pooljuhtides on kahte tüüpi laengukandjaid.
1.2.2 kandja kontsentratsioon sisemistes pooljuhtides
Nähtust, kus pooljuht genereerib vaba elektroni - augupaare termilise ergutuse all, nimetataksesisemine ergastus.
Vabade elektronide juhusliku liikumise ajal kaovad vabad elektronid ja augud samaaegselt. Seda nähtust kutsutakserekombinatsioon. Sisemise ergastusega genereeritud vabade elektronide - augupaaride arv võrdub vabade elektronide - augupaaride arvuga, mis rekombineerivad, saavutades dünaamilise tasakaalu. See tähendab, et teatud temperatuuril on vabade elektronide ja aukude kontsentratsioonid samad.
Kui ümbritseva õhu temperatuur tõuseb, intensiivistub termiline liikumine ja rohkem vabasid elektronid vabanevad valentselektronide piirangutest, põhjustades aukude suurenemise. Järelikult suureneb kandja kontsentratsioon, suurendades juhtivust. Vastupidiselt, kui temperatuur väheneb, väheneb kandja kontsentratsioon, vähendades juhtivust. Kui temperatuur langeb absoluutsele nullile (0 K), puudub valentselektronidel energia, et vabaneda kovalentsetest sidemetest, mille tulemuseks pole juhtivust.
Sisemistes pooljuhtides hõlmab juhtivus kahte tüüpi laengukandjate liikumist. Ehkki sisemiste pooljuhtide juhtivus sõltub temperatuurist, jääb see nende kristalse struktuuri tõttu äärmiselt halvaks. Vaatamata nende halvale juhtivusele on sisemised pooljuhid nende juhtivates omadustes tugev kontrollitavus.
1,3 legeeritud pooljuhid
Selles jaotises selgitatakse, miks sisemised pooljuhid näitavad juhtivuses nii tugevat kontrollitavust. Siin kasutame järgmist pooljuhtide omadust:Jälgitavad lisandid võivad nende juhtivust märkimisväärselt muuta.
"Doping" tähendab sobivate lisandielementide sisestamise protsessi sisemisse pooljuhti. Sõltuvalt lisatud lisaelementide tüübist saab legeeritud pooljuhid liigitadaN - tüüp pooljuhidjaP - tüüp pooljuhid. Kontrollides lisandite elementide kontsentratsiooni, saab legeeritud pooljuhi juhtivust täpselt reguleerida.
1.3.1 n - tüüp Semiconductor
"N" tähistabNegatiivne, kuna elektronid kannavad negatiivset laengut ja on kerged. Kristallstruktuuri täiendavate elektronide tutvustamiseks legeeritakse pentavalent elemendid (nt fosfor, p) tavaliselt pooljuhti. Kuna fosfori aatomil on viis valentselektroni, pärast ümbritsevate räni aatomitega kovalentsete sidemete moodustamist jääb üks lisaelektron. Sellest elektronist võib hõlpsasti saada vaba elektron, millel on minimaalne energiasisend. Kristallvõres fikseeritud ja elektronide puudumise lisaaine aatom muutub liikumatuks positiivseks iooniks. Seda on illustreeritud alloleval joonisel:
1.3.1 n - tüüp Semiconductor (jätkub)
N - tüüpi pooljuht on vabade elektronide kontsentratsioon suurem kui aukude kontsentratsioon. Seetõttu kutsutakse tasuta elektroneenamusvedaja(kordajad), kuigi auke kutsutaksevähemuste vedaja(alaealised). Seega tugineb n - juhtivus pooljuhi juhtivus peamiselt vabadele elektronidele. Mida kõrgem on legeeritud lisandite kontsentratsioon, seda suurem on enamuse kandjate kontsentratsioon ja seda tugevam juhtivus.
Uurime, kuidas vähemuste kandjate kontsentratsioon muutub, kui enamuse kandja kontsentratsioon suureneb. Vähemuste kandja kontsentratsioon väheneb, kuna vabade elektronide suurenenud arv suurendab aukudega rekombinatsiooni tõenäosust.
Kui temperatuur tõuseb, suureneb kandjate arv ja enamuse kandjate suurenemine võrdub vähemuste kandjate suurenemisega. Vähemuste kandja kontsentratsiooni protsendimuutus on siiski suurem kui enamuse kandjate oma (vähemuste ja peamiste äriühingute erinevate baaskontsentratsioonide tõttu, isegi kui arv on sama). Seetõttu, kuigi vähemuste kandjate kontsentratsioon on madal, ei tohiks neid alahinnata. Vähemuste kandjad on kriitiline tegur, mis mõjutab pooljuhtide seadmete temperatuuri stabiilsust, ja seetõttu tuleb arvestada ka nende kontsentratsiooniga.
1.3.2 p - tüüp Semiconductor
"P" tähistabPositiivne, nimetatud positiivselt laetud aukude järgi. Kristallstruktuuri täiendavate aukude tutvustamiseks legeeritakse kolmikjuhtidesse tavaliselt kolmikliinilised elemendid (nt boor, b). Kui boori aatom moodustab ümbritsevate räni aatomitega kovalentsed sidemed, loob see vaba ametikoha (mis on elektriliselt neutraalne). Kui naabruses asuva räni aatomi valentselektron täidab selle vaba töökoha, tekitab kovalentne side augu. Seejärel muutub lisandite aatom liikumatu negatiivseks iooniks. Seda on illustreeritud alloleval joonisel:
1.3.2 p - tüüp Semiconductor (jätkub)
Võrreldes n - tüüpi pooljuhid, P - Tüüpi pooljuhid:
Augud on enamuse kandjad, samas kui vabad elektronid on vähemuste kandjad.
Juhtivus sõltub peamiselt aukudest. Mida kõrgem on legeeritud lisandite kontsentratsioon, seda suurem on aukude kontsentratsioon, mis viib tugevama juhtivuseni (kui vabade töökohtadena imavad lisaaatomid elektronid). Vähemuse kandja kontsentratsioon väheneb.
Kui temperatuur tõuseb, on vaba elektronide kontsentratsiooni protsentuaalne muutus kõrgem kui aukude kontsentratsioonil.
