1.1 Introduksjon til halvledere
Halvlederenheter er grunnleggende komponenter i elektroniske kretsløp, og de er laget av halvledermaterialer. Halvledermaterialer er definert som stoffer med elektrisk ledningsevne mellom ledere og isolatorer. I tillegg til å ha konduktivitet mellom ledere og isolatorer, har halvledere også følgende egenskaper:
1, en temperaturøkning kan øke ledningsevnen til halvledere betydelig. For eksempel fungerer resistiviteten til rent silisium (SI) når temperaturen øker fra 30 grader til 20 grader.
2, Spormengder av urenheter (deres tilstedeværelse og konsentrasjon) kan drastisk endre konduktiviteten til halvledere. For eksempel, hvis ett urenhetsatom (for eksempel en +3 eller +5 valenselement) introduseres per million silisiumatomer, er resistiviteten ved romtemperatur (27 grader; hvorfor er romtemperatur 27 grader? Fordi det er et helt sett fra} {{{} { 214 000 Ω · cm til 0,2 Ω · cm.
3, Lyseksponering kan forbedre ledningsevnen til halvledere betydelig. For eksempel har en kadmiumsulfid (CDS) -film avsatt på et isolasjonssubstrat en motstand på flere MEOHM -er (MΩ) i fravær av lys, men under belysning synker motstanden til flere titalls kilohm (kω).
4 I tillegg kan magnetiske og elektriske felt også markant endre konduktiviteten til halvledere.
Derfor er halvledere materialer med konduktivitet mellom ledere og isolatorer, og deres iboende egenskaper er svært utsatt for signifikante endringer på grunn av eksterne faktorer som lys, varme, magnetisme, elektriske felt og sporingshemmingskonsentrasjoner.
Gitt disse fordelaktige egenskapene, kan halvledere brukes effektivt. Spesielt de påfølgende diskusjonene om dioder, transistorer og felt - Effekttransistorer vil demonstrere hvordan egenskapen til sporingsforurensninger som endrer halvlederkonduktivitet som er betydelig utnyttet.
1.2 Intrinsiske halvledere
Hvordan introduserer vi spor urenheter i halvledere? Kan vi direkte legge urenheter til naturlig kvarts (hvis hovedkomponent er SI)? Vi kan ikke bruke naturlig silisium direkte fordi den inneholder forskjellige urenheter, som gjør dens konduktivitet ukontrollerbar. For å tjene som det grunnleggende materialet for alle halvledere, er det primære målet å oppnå kontrollerbar konduktivitet.
Derfor må vi rense naturlig silisium til en ren silisiumkrystallstruktur. Denne rene halvlederkrystallstrukturen blir referert til som en egen halvleder.
Kjennetegn på iboende halvledere: (Intrinsiske halvledere er rene krystallstrukturer)
1, renhet, som betyr ingen urenheter.
2, krystallstruktur, som representerer stabilitet. Atomene er bundet til hverandre og forhindrer fri bevegelse, noe som resulterer i enda lavere konduktivitet sammenlignet med naturlig silisium.
1.2.1 Krystallstruktur av iboende halvledere
I kjemi lærte vi at de ytterste elektronene av to tilstøtende silisium (Si) -atomer i en krystall blir delt elektroner, og danner kovalente bindinger. Imidlertid forblir ikke alle ytterste elektroner i hvert SI -atom strengt innenfor sine egne kovalente bindinger. Årsaken til dette er at materialet eksisterer i et miljø med temperatur. I tillegg til bestilt bevegelse, gjennomgår de ytterste elektronene også termisk bevegelse - tilfeldig bevegelse - på grunn av påvirkning av temperaturen. Noen ganger kan et elektron ha høyere energi enn andre atomer, slik at det kan bryte seg fri fra den kovalente bindingen og bli et fritt elektron. Selv med en liten mengde energi, kan de ytterste elektronene til en leder generere retningsbevegelse.
Intrinsiske halvledere er fri for urenheter. Når et elektron brytes fritt fra et kovalent bånd, etterlater det en ledig stilling kjent som et hull. I iboende halvledere er antallet frie elektroner lik antall hull, og de genereres i par. Krystallstrukturen, hullene og frie elektronene er illustrert i figuren nedenfor:
1.2.1 Krystallstruktur av iboende halvledere (forts.)
Hvis et eksternt elektrisk felt påføres på tvers av en egen halvleder:
1, gratis elektroner beveger seg retningsvis og danner enElektronstrøm.
2 På grunn av tilstedeværelsen av hull beveger valenselektroner seg i en spesifikk retning for å fylle disse hullene, noe som får hullene til å også gjennomgå retningsbevegelse (siden frie elektroner og hull er generert i par). Denne bevegelsen av hull danner ahullstrøm. Ettersom frie elektroner og hull bærer motsatte ladninger og beveger seg i motsatte retninger, er den totale strømmen i en iboende halvleder summen av disse to strømningene.
Ovennevnte fenomener viser at både hull og frie elektroner fungerer som partikler som bærer elektrisk ladning (slike partikler kallesLadingsselskaper). Dermed er begge ladebærere. Dette skiller iboende halvledere fra ledere: Hos ledere er det bare en type ladningsbærer, mens det i iboende halvledere er to typer ladningsbærere.
1.2.2 bærerkonsentrasjon i iboende halvledere
Fenomenet der en halvleder genererer gratis elektron - hullpar under termisk eksitasjon kallesiboende eksitasjon.
Under tilfeldig bevegelse av frie elektroner, når de møter hull, forsvinner de frie elektronene og hullene samtidig. Dette fenomenet kallesrekombinasjon. Antall gratis elektron - hullpar generert av egen eksitasjon tilsvarer antallet gratis elektron - hullpar som rekombiner, og oppnår en dynamisk likevekt. Dette betyr at ved en viss temperatur er konsentrasjonene av frie elektroner og hull de samme.
Når omgivelsestemperaturen stiger, intensiveres termisk bevegelse, og mer frie elektroner bryter fri fra begrensningene for valenselektroner, noe som fører til en økning i hull. Følgelig øker bærerkonsentrasjonen og forbedrer konduktiviteten. Motsatt, når temperaturen avtar, reduseres bærerkonsentrasjonen og reduserer konduktiviteten. Når temperaturen synker til absolutt null (0 k), mangler valenselektroner energien til å bryte fri fra kovalente bindinger, noe som resulterer i ingen ledningsevne.
I iboende halvledere innebærer konduktivitet bevegelse av to typer ladningsbærere. Selv om konduktiviteten til iboende halvledere avhenger av temperatur, er den fortsatt ekstremt dårlig på grunn av deres krystallinske struktur. Til tross for deres dårlige ledningsevne, viser iboende halvledere sterk kontrollerbarhet i sine ledende egenskaper.
1.3 Doped halvledere
Denne delen vil forklare hvorfor iboende halvledere viser så sterk kontrollerbarhet i konduktivitet. Her vil vi bruke følgende egenskap av halvledere:Spormengder av urenheter kan endre deres ledningsevne betydelig.
"Doping" refererer til prosessen med å innføre passende urenhetselementer i en egen halvleder. Avhengig av hvilken type urenhetselementer som er lagt til, kan dopede halvledere klassifiseres iN - type halvledereogP - Type halvledere. Ved å kontrollere konsentrasjonen av urenhetselementene, kan konduktiviteten til den dopede halvlederen reguleres nøyaktig.
1.3.1 n - type halvleder
"N" står forNegativ, ettersom elektroner har en negativ ladning og er lett. For å introdusere ytterligere elektroner i krystallstrukturen, blir pentavalente elementer (f.eks. Fosfor, P) vanligvis dopet inn i halvlederen. Siden et fosforatom har fem valenselektroner, etter å ha dannet kovalente bindinger med omkringliggende silisiumatomer, gjenstår ett ekstra elektron. Dette elektronet kan lett bli et gratis elektron med minimal energiinngang. Amity -atomet, som nå er festet i krystallgitteret og mangler et elektron, blir et immobilt positivt ion. Dette er illustrert på figuren nedenfor:
1.3.1 n - type halvleder (forts.)
I en n - type halvleder er konsentrasjonen av frie elektroner større enn hull. Derfor kalles gratis elektronermajoritetsbærere(multiplikatorer), mens hull kallesMinoritetsbærere(Mindreårige). Dermed er konduktiviteten til en n - type halvleder først og fremst avhengig av frie elektroner. Jo høyere konsentrasjon av dopede urenheter, jo større er konsentrasjonen av majoritetsbærere og jo sterkere konduktivitet.
La oss undersøke hvordan konsentrasjonen av minoritetsbærere endres når majoritetsbærekonsentrasjonen øker. Minoritetsbærende konsentrasjonen avtar fordi det økte antallet frie elektroner øker sannsynligheten for rekombinasjon med hull.
Når temperaturen stiger, øker antall transportører, og økningen i flertallsbærere er lik økningen i minoritetsbærere. Imidlertid er den prosentvise endringen i konsentrasjonen av minoritetsbærer høyere enn for majoritetsbærere (på grunn av de forskjellige basekonsentrasjonene av minoriteter og hovedfag, selv om den numeriske økningen er den samme). Selv om konsentrasjonen av minoritetsbærere er lav, bør de derfor ikke undervurderes. Minoritetsbærere er en kritisk faktor som påvirker temperaturstabiliteten til halvlederenheter, og dermed må konsentrasjonen deres også vurderes.
1.3.2 p - type halvleder
"P" står forPositivt, oppkalt etter de positivt ladede hullene. For å introdusere ytterligere hull i krystallstrukturen, blir trivalente elementer (f.eks. Bor, b) vanligvis dopet inn i halvlederen. Når et boratom danner kovalente bindinger med omkringliggende silisiumatomer, skaper det en ledig stilling (som er elektrisk nøytral). Når et valenselektron fra et nærliggende silisiumatom fyller denne ledigheten, genererer den kovalente bindingen et hull. Urenhetsatom blir da et immobilt negativt ion. Dette er illustrert på figuren nedenfor:
1.3.2 P - Type Semiconductor (forts.)
Sammenlignet med n - type halvledere, i p - type halvledere:
Hull er majoritetsbærere, mens frie elektroner er minoritetsbærere.
Konduktivitet er først og fremst avhengig av hull. Jo høyere konsentrasjon av dopede urenheter, desto større er konsentrasjonen av hull, noe som fører til sterkere konduktivitet (ettersom ledige stillinger i urenhetsatomer absorberer elektroner). Minoritetsbærerkonsentrasjonen avtar.
Når temperaturen stiger, er prosentvis endring i fri elektronkonsentrasjon høyere enn for hullkonsentrasjonen.