1.1 Introduktion til halvledere
Halvlederenheder er grundlæggende komponenter i elektroniske kredsløb, og de er lavet af halvledermaterialer. Halvledermaterialer defineres som stoffer med elektrisk ledningsevne mellem ledere og isolatorer. Ud over at have ledningsevne mellem ledere og isolatorer, besidder halvledere også følgende egenskaber:
1, kan en stigning i temperaturen markant forbedre ledningsevnen for halvledere. For eksempel fordobles resistiviteten af rent silicium (SI), når temperaturen øges fra 30 grader til 20 grader.
2, sporingsmængder af urenheder (deres tilstedeværelse og koncentration) kan drastisk ændre ledningsevnen for halvledere. For eksempel, hvis et urenhedatom (såsom en +3 eller +5 valenselement) introduceres pr. Million siliciumatomer, resistiviteten ved stuetemperatur (27 grader; hvorfor er stuetemperatur 27 grad? Fordi absolut temperatur er en heltal, hance t =273+ t {{=273+} t, og den tætte værdi for t er 300 k, hence t er 22 er 22 domstol 2 22) er 22) falder fra 214.000 Ω · cm til 0,2 Ω · cm.
3, kan lyseksponering markant forbedre ledningsevnen for halvledere. For eksempel har en cadmiumsulfid (CDS) -film deponeret på et isolerende substrat en modstand af flere megohms (MΩ) i fravær af lys, men under belysning falder modstanden til flere titusinder af kilohms (KΩ).
4 Derudover kan magnetiske og elektriske felter også markant ændre ledningsevnen for halvledere.
Derfor er halvledere materialer med ledningsevne mellem ledere og isolatorer, og deres iboende egenskaber er meget modtagelige for væsentlige ændringer på grund af eksterne faktorer såsom lys, varme, magnetisme, elektriske felter og sporings urenhedskoncentrationer.
I betragtning af disse fordelagtige egenskaber kan halvledere bruges effektivt. Især demonstrerer de efterfølgende diskussioner om dioder, transistorer og felt - effekttransistorer, hvordan egenskaben af sporforureninger markant ændrer halvlederledningsevnen markant.
1.2 Intrinsiske halvledere
Hvordan introducerer vi sporforureninger i halvledere? Kan vi direkte tilføje urenheder til naturlig kvarts (hvis hovedkomponent er SI)? Vi kan ikke bruge naturligt silicium direkte, fordi det indeholder forskellige urenheder, hvilket gør dets ledningsevne ukontrollerbar. For at tjene som det grundlæggende materiale for alle halvledere er det primære mål at opnå kontrollerbar ledningsevne.
Derfor er vi nødt til at rense naturligt silicium til en ren siliciumkrystallstruktur. Denne rene halvlederkrystallstruktur kaldes en iboende halvleder.
Karakteristika for iboende halvledere: (iboende halvledere er rene krystalstrukturer)
1, renhed, hvilket betyder ingen urenheder.
2, krystalstruktur, der repræsenterer stabilitet. Atomerne er bundet til hinanden og forhindrer fri bevægelighed, hvilket resulterer i endnu lavere ledningsevne sammenlignet med naturligt silicium.
1.2.1 Krystalstruktur af iboende halvledere
I kemi lærte vi, at de yderste elektroner fra to tilstødende silicium (SI) atomer i en krystal bliver delte elektroner og danner kovalente bindinger. Imidlertid forbliver ikke alle yderste elektroner i hvert Si -atom strengt inden for deres egne kovalente bindinger. Årsagen til dette er, at materialet findes i et miljø med temperatur. Foruden bestilt bevægelse gennemgår de yderste elektroner også termisk bevægelse - tilfældig bevægelse - på grund af påvirkningen af temperatur. Lejlighedsvis kan en elektron have højere energi end andre atomer, hvilket giver det mulighed for at bryde fri fra den kovalente binding og blive en fri elektron. Selv med en lille mængde energi kan de yderste elektroner fra en leder generere retningsbestemt bevægelse.
Intrinsiske halvledere er fri for urenheder. Når en elektron går fri fra en kovalent binding, efterlader den en ledig stilling kendt som et hul. I iboende halvledere er antallet af frie elektroner lig med antallet af huller, og de genereres parvis. Krystallstrukturen, huller og frie elektroner er illustreret i figuren nedenfor:
1.2.1 Krystalstruktur af iboende halvledere (fortsat)
Hvis der påføres et eksternt elektrisk felt på tværs af en iboende halvleder:
1, frie elektroner bevæger sig retningsbestemt og danner enElektronstrøm.
2 På grund af tilstedeværelsen af huller bevæger valenselektroner sig i en bestemt retning for at fylde disse huller, hvilket får hullerne til også at gennemgå retningsbevægelse (da der genereres frie elektroner og huller i par). Denne bevægelse af huller danner aHulstrøm. Da frie elektroner og huller bærer modsatte ladninger og bevæger sig i modsatte retninger, er den samlede strøm i en iboende halvleder summen af disse to strømme.
Ovenstående fænomener viser, at både huller og frie elektroner fungerer som partikler, der bærer elektrisk ladning (sådanne partikler kaldesopladningsbærere). Begge er således opladningsbærere. Dette adskiller iboende halvledere fra ledere: hos ledere er der kun en type ladningsbærer, mens der i iboende halvledere er to typer af ladningsfirmaer.
1.2.2 Bærekoncentration i iboende halvledere
Det fænomen, hvor en halvleder genererer gratis elektron - hulpar under termisk excitation kaldesIntrinsic excitation.
Under tilfældig bevægelse af frie elektroner, når de støder på huller, forsvinder de frie elektroner og huller samtidig. Dette fænomen kaldesrekombination. Antallet af frie elektron - hulpar genereret ved iboende excitation svarer til antallet af frie elektron - hulpar, der rekombineres, og opnå en dynamisk ligevægt. Dette betyder, at koncentrationerne af frie elektroner og huller ved en bestemt temperatur er de samme.
Når omgivelsestemperaturen stiger, intensiveres termisk bevægelse, og flere frie elektroner slipper fri fra begrænsningerne af valenselektroner, hvilket fører til en stigning i huller. Følgelig øges bærerkoncentrationen og forbedrer ledningsevnen. Omvendt, når temperaturen falder, falder bærerkoncentrationen, hvilket reducerer ledningsevnen. Når temperaturen falder til absolut nul (0 K), mangler valenselektroner energien til at bryde fri fra kovalente bindinger, hvilket resulterer i ingen ledningsevne.
I iboende halvledere involverer ledningsevne bevægelsen af to typer af ladningsselskaber. Selvom konduktiviteten af iboende halvledere afhænger af temperaturen, forbliver den ekstremt dårlig på grund af deres krystallinske struktur. På trods af deres dårlige ledningsevne udviser iboende halvledere stærk kontrolbarhed i deres ledende egenskaber.
1.3 Dopede halvledere
Dette afsnit vil forklare, hvorfor iboende halvledere udviser en så stærk kontrolbarhed i ledningsevnen. Her vil vi bruge følgende egenskaber ved halvledere:Sporemængder af urenheder kan ændre deres ledningsevne markant.
"Doping" henviser til processen med at indføre passende urenhedselementer i en iboende halvleder. Afhængig af typen af urenhedselementer, der er tilføjet, kan dopede halvledere klassificeres iN - Type halvledereogP - Type halvledere. Ved at kontrollere koncentrationen af urenhedselementerne kan konduktiviteten af den dopede halvleder reguleres nøjagtigt.
1.3.1 n - type halvleder
"N" står forNegativ, da elektroner har en negativ ladning og er lette. For at introducere yderligere elektroner i krystalstrukturen er pentavalente elementer (f.eks. Fosfor, P) typisk dopet i halvlederen. Da et fosforatom har fem valenselektroner, efter at have dannet kovalente bindinger med omgivende siliciumatomer, forbliver en ekstra elektron. Denne elektron kan let blive en gratis elektron med minimal energiindgang. Urenhedatomet, der nu er fastgjort i krystalgitteret og mangler en elektron, bliver en immobil positiv ion. Dette er illustreret i figuren nedenfor:
1.3.1 n - type halvleder (fortsat)
I en n - type halvleder er koncentrationen af frie elektroner større end huller. Derfor kaldes frie elektronermajoritetsselskaber(Multiplikatorer), mens huller kaldesMinoritetsselskaber(Mindreårige). Konduktiviteten af en n - type halvleder er således primært afhængig af frie elektroner. Jo højere koncentration af doterede urenheder, jo større er koncentrationen af majoritetsbærere og jo stærkere ledningsevnen.
Lad os undersøge, hvordan koncentrationen af minoritetsbærere ændres, når flertalsbærerkoncentrationen øges. Minoritetsbærerkoncentrationen falder, fordi det øgede antal frie elektroner øger sandsynligheden for rekombination med huller.
Når temperaturen stiger, øges antallet af luftfartsselskaber, og stigningen i majoritetsselskaber er lig med stigningen i minoritetsbærere. Imidlertid er den procentvise ændring i minoritetsbærerkoncentrationen højere end for majoritetsbærere (på grund af de forskellige basiskoncentrationer af mindretal og majors, selvom den numeriske stigning er den samme). Selv om koncentrationen af minoritetsselskaber er lav, bør de ikke undervurderes. Minoritetsbærere er en kritisk faktor, der påvirker temperaturstabiliteten af halvlederenheder, og derfor skal deres koncentration også overvejes.
1.3.2 P - Type halvleder
"P" står forPositivopkaldt efter de positivt ladede huller. For at introducere yderligere huller i krystalstrukturen er trivalente elementer (f.eks. Boron, B) typisk dopet i halvlederen. Når et boratom danner kovalente bindinger med omgivende siliciumatomer, skaber det en ledig stilling (som er elektrisk neutral). Når en valenselektron fra et nærliggende siliciumatom udfylder denne ledige stilling, genererer den kovalente binding et hul. Urenhedsatomet bliver derefter en immobile negativ ion. Dette er illustreret i figuren nedenfor:
1.3.2 P - Type halvleder (fortsat)
Sammenlignet med n - type halvledere i p - Type halvledere:
Huller er majoritetsbærerne, mens frie elektroner er minoritetsbærere.
Konduktivitet er primært afhængig af huller. Jo højere koncentration af doterede urenheder er, jo større er koncentrationen af huller, hvilket fører til stærkere ledningsevne (da de ledige stillinger i urenhedatomer absorberer elektroner). Minoritetsbærerkoncentrationen falder.
Når temperaturen stiger, er den procentvise ændring i fri elektronkoncentration højere end for hulkoncentrationen.
