1.1 Introduktion till halvledare
Halvledaranordningar är grundläggande komponenter i elektroniska kretsar och de är tillverkade av halvledarmaterial. Halvledarmaterial definieras som ämnen med elektrisk ledningsförmåga mellan ledare och isolatorer. Förutom att ha konduktivitet mellan ledare och isolatorer, har halvledare också följande egenskaper:
1 kan en temperaturökning avsevärt förbättra ledningsförmågan hos halvledare. Till exempel fördubblas resistiviteten hos ren kisel (SI) när temperaturen ökar från 30 grader till 20 grader.
2, spårmängder av föroreningar (deras närvaro och koncentration) kan drastiskt förändra ledningsförmågan hos halvledare. Till exempel, om en föroreningsatom (t.ex. en +3 eller +5 valenselement) introduceras per miljon kiselatomer, resistiviteten vid rumstemperatur (27 grader; varför är rumstemperatur 27 grader? Eftersom absolut temperatur är en heltal, t =273+ t =273+} t, och det är ett nära temperatur, är det, där är en 3 -grad att te =273+ t {{7) 214 000 Ω · cm till 0,2 Ω · cm.
3 kan ljusexponering avsevärt förbättra ledningsförmågan hos halvledare. Till exempel har en kadmiumsulfidfilm (CDS) som avsatts på ett isolerande substrat ett motstånd mellan flera megohms (MΩ) i frånvaro av ljus, men under belysning sjunker motståndet till flera tiotals kilohms (KΩ).
4, dessutom kan magnetiska och elektriska fält också markant förändra ledningsförmågan hos halvledare.
Därför är halvledare material med konduktivitet mellan ledare och isolatorer, och deras inneboende egenskaper är mycket mottagliga för betydande förändringar på grund av yttre faktorer som ljus, värme, magnetism, elektriska fält och spårföroreningskoncentrationer.
Med tanke på dessa fördelaktiga egenskaper kan halvledare användas effektivt. I synnerhet kommer de efterföljande diskussionerna om dioder, transistorer och fält - effekttransistorer att visa hur egenskapen hos spårföroreningar avsevärt förändrar halvledarledningsförmågan.
1.2 Intrinsiska halvledare
Hur introducerar vi spårföroreningar i halvledare? Kan vi direkt lägga till föroreningar i naturlig kvarts (vars huvudkomponent är SI)? Vi kan inte använda naturligt kisel direkt eftersom det innehåller olika föroreningar, vilket gör dess konduktivitet okontrollerbar. För att tjäna som det grundläggande materialet för alla halvledare är det primära målet att uppnå kontrollerbar konduktivitet.
Därför måste vi rena naturligt kisel till en ren kiselkristallstruktur. Denna rena halvledarkristallstruktur kallas en inneboende halvledare.
Egenskaper hos intrinsiska halvledare: (Intrinsiska halvledare är rena kristallstrukturer)
1, renhet, vilket betyder inga föroreningar.
2, kristallstruktur, som representerar stabilitet. Atomerna är bundna till varandra och förhindrar fri rörelse, vilket resulterar i ännu lägre konduktivitet jämfört med naturligt kisel.
1.2.1 Kristallstruktur av intrinsiska halvledare
I kemi lärde vi oss att de yttersta elektronerna i två angränsande kiselatomer (SI) i en kristall blev delade elektroner och bildar kovalenta bindningar. Men inte alla yttersta elektroner i varje Si -atom förblir strikt inom sina egna kovalenta bindningar. Anledningen till detta är att materialet finns i en miljö med temperatur. Förutom ordnad rörelse genomgår de yttersta elektronerna också termisk rörelse - slumpmässig rörelse - på grund av temperaturens påverkan. Ibland kan en elektron ha högre energi än andra atomer, vilket gör att den kan bryta sig loss från den kovalenta bindningen och bli en fri elektron. Även med en liten mängd energi kan en ledares yttersta elektroner generera riktningsrörelse.
Intrinsiska halvledare är fria från föroreningar. När en elektron bryter sig fri från en kovalent bindning lämnar den efter sig en ledig plats som kallas ett hål. I inneboende halvledare är antalet fria elektroner lika med antalet hål, och de genereras i par. Kristallstrukturen, hålen och fria elektronerna illustreras i figuren nedan:
1.2.1 Crystal Structure of Intrinsic Semiconductors (Fortsättning)
Om ett externt elektriskt fält appliceras över en inre halvledare:
1, fria elektroner rör sig riktat och bildar enelektronström.
2 På grund av närvaron av hål rör sig valenselektroner i en specifik riktning för att fylla dessa hål, vilket får hålen att genomgå riktningsrörelse (eftersom fria elektroner och hål genereras i par). Denna rörelse av hål bildar ahålström. När fria elektroner och hål har motsatta laddningar och rör sig i motsatta riktningar, är den totala strömmen i en inre halvledare summan av dessa två strömmar.
Ovanstående fenomen visar att både hål och fria elektroner fungerar som partiklar som bär elektrisk laddning (sådana partiklar kallasdebitera transportörer). Således är båda laddningsbärare. Detta skiljer intrinsiska halvledare från ledare: hos ledare finns det bara en typ av laddningsbärare, medan det i inneboende halvledare finns två typer av laddningsbärare.
1.2.2 Bärskoncentration i inneboende halvledare
Fenomenet där en halvledare genererar gratis elektron - hålpar under termisk excitation kallasintrinsisk excitation.
Under den slumpmässiga rörelsen av fria elektroner, när de stöter på hål, försvinner de fria elektronerna och hålen samtidigt. Detta fenomen kallasrekombination. Antalet gratis elektron - hålpar genererade av inneboende excitation är lika med antalet fria elektron - hålpar som rekombinerar och uppnår en dynamisk jämvikt. Detta innebär att vid en viss temperatur är koncentrationerna av fria elektroner och hål desamma.
När den omgivningstemperaturen stiger intensifieras termisk rörelse och mer fria elektroner bryter sig loss från begränsningarna för valenselektroner, vilket leder till en ökning av hål. Följaktligen ökar bärarkoncentrationen, vilket förbättrar konduktiviteten. Omvänt, när temperaturen minskar, minskar bärarkoncentrationen, vilket minskar konduktiviteten. När temperaturen sjunker till absolut noll (0 k) saknar valenselektroner energi för att bryta sig loss från kovalenta bindningar, vilket resulterar i ingen konduktivitet.
I inneboende halvledare involverar konduktivitet förflyttning av två typer av laddningsbärare. Även om konduktiviteten hos inneboende halvledare beror på temperaturen, förblir det extremt dåligt på grund av deras kristallina struktur. Trots deras dåliga konduktivitet uppvisar inneboende halvledare stark kontrollerbarhet i sina ledande egenskaper.
1.3 dopade halvledare
Det här avsnittet kommer att förklara varför inneboende halvledare uppvisar så stark kontrollerbarhet i konduktivitet. Här kommer vi att använda följande egendom hos halvledare:spårmängder föroreningar kan förändra deras konduktivitet betydligt.
"Doping" hänvisar till processen för att införa lämpliga föroreningselement i en inre halvledare. Beroende på vilken typ av föroreningselement som läggs till kan dopade halvledare klassificeras iN - typ halvledareochP - Types halvledare. Genom att kontrollera koncentrationen av föroreningselementen kan konduktiviteten hos den dopade halvledaren regleras exakt.
1.3.1 N - Typ Semiconductor
"N" står förNegativ, eftersom elektroner har en negativ laddning och är lätta. För att introducera ytterligare elektroner i kristallstrukturen dopas pentavalent element (t.ex. fosfor, p) i halvledaren. Eftersom en fosforatom har fem valenselektroner, efter att ha bildat kovalenta bindningar med omgivande kiselatomer, kvarstår en extra elektron. Denna elektron kan enkelt bli en fri elektron med minimal energiinmatning. Föroreningsatomen, nu fixerad i kristallgitteret och saknar en elektron, blir en orörlig positiv jon. Detta illustreras i figuren nedan:
1.3.1 N - Typ Semiconductor (Fortsättning)
I en N - -typ halvledare är koncentrationen av fria elektroner större än hålen. Därför kallas fria elektronermajoritetsbärare(multiplikatorer), medan hål kallasminoritetsbärare(minderåriga). Således förlitar sig konduktiviteten för en N - halvledare främst på fria elektroner. Ju högre koncentration av dopade föroreningar, desto större är koncentrationen av majoritetsbärare och desto starkare konduktivitet.
Låt oss undersöka hur koncentrationen av minoritetsbärare förändras när majoritetsbärarens koncentration ökar. Minoritetsbärarens koncentration minskar eftersom det ökade antalet fria elektroner höjer sannolikheten för rekombination med hål.
När temperaturen stiger ökar antalet transportörer och ökningen av majoritetsbärare är lika med ökningen av minoritetsbärare. Emellertid är den procentuella förändringen i minoritetsbärarens koncentration högre än för majoritetsbärare (på grund av de olika baskoncentrationerna av minoriteter och majors, även om den numeriska ökningen är densamma). Även om koncentrationen av minoritetsbärare är låg, bör de inte underskattas. Minoritetsbärare är en kritisk faktor som påverkar temperaturstabiliteten för halvledaranordningar, och därmed måste deras koncentration också beaktas.
1.3.2 P - Typ Semiconductor
"P" står förPositiv, uppkallad efter de positivt laddade hålen. För att införa ytterligare hål i kristallstrukturen dopas trivalenta element (t.ex. bor, b) i halvledaren. När en boratom bildar kovalenta bindningar med omgivande kiselatomer skapar den en ledig plats (som är elektriskt neutral). När en valenselektron från en angränsande kiselatom fyller denna lediga plats genererar den kovalenta bindningen ett hål. Föroreningsatomen blir då en orörlig negativ jon. Detta illustreras i figuren nedan:
1.3.2 P - Typ Semiconductor (Fortsättning)
Jämfört med N - typ halvledare, i p - typ halvledare:
Hål är majoritetsbärare, medan fria elektroner är minoritetsbärare.
Konduktivitet förlitar sig främst på hål. Ju högre koncentration av dopade föroreningar, desto större är koncentrationen av hål, vilket leder till starkare konduktivitet (eftersom vakanserna i föroreningsatomer absorberar elektroner). Minoritetsbärarens koncentration minskar.
När temperaturen stiger är den procentuella förändringen i fri elektronkoncentration högre än för hålkoncentrationen.