1.1 Uvod v polprevodnike
Polprevodniške naprave so temeljne sestavine elektronskih vezij in so narejene iz polprevodniških materialov. Polprevodniški materiali so opredeljeni kot snovi z električno prevodnostjo med prevodniki in izolatorji. Poleg prevodnosti med prevodniki in izolatorji imajo polprevodniki tudi naslednje lastnosti:
1, dvig temperature lahko znatno poveča prevodnost polprevodnikov. Na primer, upornost čistega silicija (SI) se podvoji, ko se temperatura zviša s 30 stopinj na 20 stopinj.
2, količine nečistoč v sledovih (njihova prisotnost in koncentracija) lahko drastično spremenijo prevodnost polprevodnikov. Na primer, če je en atom nečistoče (na primer +3 ali +5 valenčni element) uveden na milijon silicijevih atomov, upornost pri sobni temperaturi (27 stopinj; zakaj je sobna temperatura 27 stopinj? Ker je absolutna temperatura celo število, t {6=273+ t, in takratna vrednost, ki je 300 K, Hence, ki je takratna vrednost, in takratna vrednost, ki je 300 K, ki je takratna vrednost, in tablica T, in Hence T {7} T, in tablica T 27 K, HEND TU, HENT, HEND TU, HENT, HEND TE TE PRED TA IN TEČAJ 214.000 Ω · cm do 0,2 Ω · cm.
3, izpostavljenost svetlobi lahko znatno izboljša prevodnost polprevodnikov. Na primer, film kadmijevega sulfida (CDS), ki je bil odložen na izolacijski substrat, ima odpor več megohmov (MΩ) v odsotnosti svetlobe, vendar pod osvetlitvijo odpornost pade na več deset kilohm (kΩ).
4 lahko tudi magnetna in električna polja tudi izrazito spremenijo prevodnost polprevodnikov.
Zato so polprevodniki materiali s prevodnostjo med prevodniki in izolatorji, njihove notranje lastnosti pa so zelo dovzetne za pomembne spremembe zaradi zunanjih dejavnikov, kot so svetloba, toplota, magnetizem, električna polja in koncentracije nečistoče v sledovih.
Glede na te ugodne lastnosti je mogoče učinkovito uporabiti polprevodnike. Zlasti poznejše razprave o diodah, tranzistorjih in poljih - tranzistorji učinka bodo pokazale, kako je lastnost nečistočev v sledovih, ki bistveno spreminjajo prevodnost polprevodnikov.
1.2 Notranji polprevodniki
Kako uvajamo nečistoče v sledovih v polprevodnike? Ali lahko neposredno dodamo nečistoče v naravni kremen (katerega glavna komponenta je SI)? Ne moremo neposredno uporabljati naravnega silicija, ker vsebuje različne nečistoče, zaradi katerih je njegova prevodnost nenadzorovana. Da bi služil kot temeljni material za vse polprevodnike, je glavni cilj doseči nadzorovano prevodnost.
Zato moramo prečistiti naravni silicij v čisto silicijevo kristalno strukturo. Ta čista polprevodniška kristalna struktura se imenuje intrinzični polprevodnik.
Značilnosti notranjih polprevodnikov: (Notranji polprevodniki so čiste kristalne strukture)
1, čistost, kar pomeni, da ni nečistoč.
2, kristalna struktura, ki predstavlja stabilnost. Atomi so vezani drug na drugega, kar preprečuje prosto gibanje, kar ima za posledico še nižjo prevodnost v primerjavi z naravnim silicijem.
1.2.1 Kristalna struktura notranjih polprevodnikov
V kemiji smo izvedeli, da skrajni elektroni dveh sosednjih silicijevih (SI) v kristalu postanejo skupni elektroni, ki tvorijo kovalentne vezi. Vendar pa vsi najbolj oddaljeni elektroni vsakega atoma SI ostanejo strogo znotraj svojih kovalentnih vezi. Razlog za to je, da material obstaja v okolju s temperaturo. Poleg urejenega gibanja se zaradi vpliva temperature podvržejo tudi toplotni gibanju - naključno gibanje -. Občasno ima lahko elektron večjo energijo kot drugi atomi, kar mu omogoča, da se osvobodi kovalentne vezi in postane prosti elektron. Tudi z majhno količino energije lahko skrajni elektroni prevodnika ustvarijo usmerjeno gibanje.
Notranji polprevodniki so brez nečistoč. Ko se elektron razbije iz kovalentne vezi, pusti za prostim delovnim mestom, znanim kot luknja. V notranjih polprevodnikih je število prostih elektronov enako številu lukenj in nastajajo v parih. Na spodnji sliki so prikazani kristalna struktura, luknje in prosti elektroni:
1.2.1 Kristalna struktura notranjih polprevodnikov (nadaljevanje)
Če se v notranjosti polprevodnika uporablja zunanje električno polje:
1, prosti elektroni se premikajo usmerjeno in tvorijoelektronski tok.
2, zaradi prisotnosti lukenj, se valenčni elektroni premikajo v določeni smeri, da napolnijo te luknje, zaradi česar se luknje podvržejo tudi usmerjenemu gibanju (saj v parih nastanejo prosti elektroni in luknje). To gibanje lukenj tvori aHole tok. Ker prosti elektroni in luknje nosijo nasprotne naboje in se premikajo v nasprotnih smereh, je skupni tok v notranjem polprevodniku vsota teh dveh tokov.
Zgornji pojavi kažejo, da tako luknje kot prosti elektroni delujejo kot delci, ki nosijo električni naboj (takšni delci se imenujejonosilci naboja). Tako sta oba nosilca naboja. To razlikuje intrinzične polprevodnike od vodnikov: pri vodnikih obstaja le ena vrsta nosilca naboja, medtem ko v notranjih polprevodnikih obstajata dve vrsti nosilcev naboja.
1.2.2 Koncentracija nosilca v intrinzičnih polprevodnikih
Pojav, kjer polprevodnik ustvari prosti elektron - pari luknje pod toplotnim vzbujanjem, se imenujeintrinzično vzbujanje.
Med naključnim gibanjem prostih elektronov, ko naletijo na luknje, prosti elektroni in luknje hkrati izginejo. Ta pojav se imenujerekombinacija. Število prostih elektronov - parov luknje, ustvarjenih z lastnim vzbujanjem, je enako številu prostih elektronov - parov luknje, ki se rekombinirajo, kar dosega dinamično ravnovesje. To pomeni, da so pri določeni temperaturi koncentracije prostih elektronov in lukenj enake.
Ko se temperatura okolice dvigne, se termično gibanje in več prostih elektronov brez omejitev valenčnih elektronov, kar vodi do povečanja lukenj. Posledično se koncentracija nosilca poveča in poveča prevodnost. Ko se temperatura zniža, se koncentracija nosilca zmanjša in zmanjša prevodnost. Ko temperatura pade na absolutno nič (0 k), valenčni elektroni nimajo energije, da bi se brez kovalentnih vezi prebili, kar ne povzroči prevodnosti.
V notranjih polprevodnikih prevodnost vključuje gibanje dveh vrst nosilcev naboja. Čeprav je prevodnost intrinzičnih polprevodnikov odvisna od temperature, ostaja izjemno slaba zaradi njihove kristalne strukture. Kljub slabi prevodnosti imajo notranji polprevodniki v svojih prevodnih lastnostih močno obvladljivost.
1.3 dopiran polprevodniki
V tem razdelku bo razloženo, zakaj imajo notranji polprevodniki tako močno nadzorovalnost prevodnosti. Tu bomo uporabili naslednjo lastnost polprevodnikov:Količine nečistoč v sledovih lahko znatno spremenijo njihovo prevodnost.
"Doping" se nanaša na postopek uvajanja ustreznih elementov nečistoče v notranji polprevodnik. Glede na vrsto dodanih nečistočih elementov je mogoče razvrstiti v dopirane polprevodnikeN - Vnesite polprevodnikeinP - Vnesite polprevodnike. Z nadzorom koncentracije elementov nečistoče je mogoče natančno regulirati prevodnost dopiranega polprevodnika.
1.3.1 N - Vnesite polprevodnika
"N" stojiNegativno, saj elektroni nosijo negativen naboj in so lahki. Za uvedbo dodatnih elektronov v kristalno strukturo se pentavalentni elementi (npr. Fosfor, p) običajno dopirajo v polprevodnik. Ker ima atom fosforja pet valenčnih elektronov, potem ko tvori kovalentne vezi z okoliškimi silicijevimi atomi, ostane še en dodatni elektron. Ta elektron lahko zlahka postane prosti elektron z minimalnim vnosom energije. Atom nečistoče, ki je zdaj pritrjen v kristalni rešetki in nima elektrona, postane nemoben pozitiven ion. To je prikazano na spodnji sliki:
1.3.1 N - Vnesite polprevodnika (nadaljevanje)
V N - tipa polprevodnika je koncentracija prostih elektronov večja od koncentracije lukenj. Zato se imenujejo prosti elektronivečinski prevozniki(množilniki), medtem ko se imenujejo luknjemanjšinski prevozniki(mladoletniki). Tako se prevodnost N - tipa polprevodnika opira predvsem na proste elektrone. Višja kot je koncentracija dopiranih nečistoč, večja je koncentracija večinskih nosilcev in močnejša je prevodnost.
Preučimo, kako se koncentracija manjšinskih nosilcev spremeni, ko se poveča koncentracija večine nosilcev. Koncentracija manjšinskih nosilcev se zmanjša, ker povečano število prostih elektronov povečuje verjetnost rekombinacije z luknjami.
Ko se temperatura dvigne, se število nosilcev poveča, povečanje večinskih nosilcev pa je enako povečanju manjšinskih nosilcev. Vendar je odstotna sprememba koncentracije manjšinskih nosilcev večja kot pri večinskih nosilcih (zaradi različnih osnovnih koncentracij manjšin in magij, čeprav je numerično povečanje enako). Čeprav je koncentracija manjšinskih nosilcev nizka, jih ne bi smeli podcenjevati. Manjšinski nosilci so kritični dejavnik, ki vpliva na temperaturno stabilnost polprevodniških naprav, zato je treba upoštevati tudi njihovo koncentracijo.
1.3.2 P - Vnesite polprevodnika
"P" stojiPozitivno, poimenovana po pozitivno nabitih lukenj. Za uvedbo dodatnih lukenj v kristalno strukturo se trivalentni elementi (npr. Boron, b) običajno dopirajo v polprevodnik. Ko atom bora tvori kovalentne vezi z okoliškimi silikonskimi atomi, ustvari prosto delovno mesto (ki je električno nevtralno). Ko valenčni elektron iz sosednjega silicijevega atoma napolni to prosto delovno mesto, kovalentna vez ustvari luknjo. Atom nečistoče nato postane negibni negativni ion. To je prikazano na spodnji sliki:
1.3.2 P - Vnesite polprevodnika (nadaljevanje)
V primerjavi z N - tipko polprevodnikov vnesite v p - Vtipka polprevodnikov:
Luknje so večinski prevozniki, medtem ko so prosti elektroni manjšinski prevozniki.
Prevodnost se v glavnem zanaša na luknje. Višja kot je koncentracija dopiranih nečistoč, večja je koncentracija lukenj, kar vodi do močnejše prevodnosti (saj prosta delovna mesta v nečistočih atomih absorbirajo elektrone). Koncentracija manjšinskih nosilcev se zmanjša.
Ko se temperatura dvigne, je odstotna sprememba koncentracije prostih elektronov večja od koncentracije luknje.