1.1 Ievads pusvadītājos
Pusvadītāju ierīces ir elektronisko ķēžu pamatkomponenti, un tās ir izgatavotas no pusvadītāju materiāliem. Pusvadītāju materiāli tiek definēti kā vielas ar elektrisko vadītspēju starp vadītājiem un izolatoriem. Papildus tam, ka vadāmspējai starp vadītājiem un izolatoriem ir arī šādas īpašības:
1, temperatūras paaugstināšanās var ievērojami uzlabot pusvadītāju vadītspēju. Piemēram, tīra silīcija (SI) pretestība dubultojas, kad temperatūra paaugstinās no 30 grādiem līdz 20 grādiem.
2, piemaisījumu izsekošana (to klātbūtne un koncentrācija) var krasi mainīt pusvadītāju vadītspēju. For instance, if one impurity atom (such as a +3 or +5 valence element) is introduced per million silicon atoms, the resistivity at room temperature (27℃; why is room temperature 27℃? Because absolute temperature is an integer, T=273+t=273+t, and the closest value for T is 300 K, hence t is 27℃) decreases from 214 000 Ω · cm līdz 0,2 Ω · cm.
3, gaismas iedarbība var ievērojami uzlabot pusvadītāju vadītspēju. Piemēram, kadmija sulfīda (CDS) plēvei, kas nogulsnēta uz izolācijas substrāta, ir pretestība vairākiem megoohmiem (MΩ), ja nav gaismas, bet apgaismojumā pretestība samazinās vairākiem desmitiem kilohms (kΩ).
4, papildus magnētiskie un elektriskie lauki var arī ievērojami mainīt pusvadītāju vadītspēju.
Tāpēc pusvadītāji ir materiāli ar vadītspēju starp vadītājiem un izolatoriem, un to iekšējās īpašības ir ļoti jutīgas pret nozīmīgām izmaiņām, kas saistītas ar ārējiem faktoriem, piemēram, gaismu, siltumu, magnētismu, elektriskajiem laukiem un pēdas piemaisījumu koncentrācijām.
Ņemot vērā šīs izdevīgās īpašības, pusvadītājus var efektīvi izmantot. Jo īpaši turpmākās diskusijas par diodēm, tranzistoriem un lauku - efektu tranzistori parādīs, kā tiek izmantota izsekošanas piemaisījumu īpašība, kas ievērojami maina pusvadītāju vadītspēju.
1.2 Iekšējie pusvadītāji
Kā pusvadītājos ieviest pēdas piemaisījumus? Vai mēs varam tieši pievienot piemaisījumus dabiskajam kvarcam (kura galvenā sastāvdaļa ir SI)? Mēs nevaram tieši izmantot dabisko silīciju, jo tajā ir dažādi piemaisījumi, kas padara tā vadītspēju nekontrolējamu. Galvenais mērķis ir sasniegt kontrolējamu vadītspēju kā visu pusvadītāju pamatmateriālu, galvenais mērķis ir panākt kontrolējamu vadītspēju.
Tāpēc mums dabiskais silīcijs ir jāattīra tīrā silīcija kristāla struktūrā. Šo tīro pusvadītāju kristāla struktūru sauc par iekšējo pusvadītāju.
Iekšējo pusvadītāju raksturojums: (iekšējie pusvadītāji ir tīras kristāla struktūras)
1, tīrība, kas nozīmē, ka nav piemaisījumu.
2, kristāla struktūra, kas attēlo stabilitāti. Atomi ir savstarpēji saistīti, novēršot brīvu kustību, kā rezultātā rodas vēl zemāka vadītspēja salīdzinājumā ar dabisko silīciju.
1.2.1. Iekšējo pusvadītāju kristāla struktūra
Ķīmijā mēs uzzinājām, ka divu blakus esošo silīcija (SI) atomu ārējie elektroni kristālā kļūst par kopīgiem elektroniem, veidojot kovalentās saites. Tomēr ne visi katra Si atoma ārējie elektroni paliek stingri savās kovalentajās saitēs. Iemesls tam ir tas, ka materiāls pastāv vidē ar temperatūru. Papildus sakārtotai kustībai, arī ārpusstundu elektroniem tiek veikta termiskā kustība - nejauša kustība - temperatūras ietekmes dēļ. Reizēm elektronam var būt lielāka enerģija nekā citiem atomiem, ļaujot tam atbrīvoties no kovalentās saites un kļūt par brīvu elektronu. Pat ar nelielu daudzumu enerģijas, vadītāja ārējie elektroni var radīt virziena kustību.
Iekšējie pusvadītāji nav piemaisījumu. Kad elektrons atbrīvojas no kovalentās saites, tas atstāj aiz muguras, kas pazīstams kā caurums. Iekšējos pusvadītājos brīvo elektronu skaits ir vienāds ar caurumu skaitu, un tie tiek ģenerēti pa pāriem. Kristāla struktūra, caurumi un brīvie elektroni ir parādīti zemāk redzamajā attēlā:
1.2.1. Iekšējo pusvadītāju kristāla struktūra (turpinājums)
Ja iekšējā pusvadītājā tiek piemērots ārējs elektriskais lauks:
1, brīvie elektroni pārvietojas virzienā, veidojotelektronu strāva.
2 caurumu klātbūtnes dēļ valences elektroni pārvietojas noteiktā virzienā, lai aizpildītu šos caurumus, izraisot caurumus arī virziena kustībā (jo brīvie elektroni un caurumi tiek ģenerēti pāros). Šī caurumu kustība veido acauruma strāvaApvidū Tā kā brīvie elektroni un caurumi pārņem pretējās lādiņus un pārvietojas pretējos virzienos, kopējā strāva iekšējā pusvadītājā ir šo divu straumju summa.
Iepriekš minētās parādības parāda, ka gan caurumi, gan brīvie elektroni darbojas kā daļiņas, kas satur elektrisko lādiņu (šādas daļiņas sauclādiņu pārvadātāji). Tādējādi abi ir maksas pārvadātāji. Tas atšķir raksturīgos pusvadītājus no vadītājiem: vadītājiem ir tikai viena veida lādiņa nesēja, turpretī iekšējos pusvadītājus ir divu veidu lādiņu nesēji.
1.2.2. Nesēja koncentrācija iekšējos pusvadītājos
Fenomens, kurā pusvadītājs ģenerē brīvu elektronu - caurumu pārus, kas atrodas zem termiskās ierosmesiekšējā ierosme.
Brīvo elektronu nejaušības kustības laikā, kad tie sastopas ar caurumiem, brīvie elektroni un caurumi vienlaicīgi pazūd. Šo parādību sauc parrekombinācijaApvidū Brīvo elektronu - caurumu pāru skaits, ko rada iekšējā ierosme, ir vienāds ar brīvā elektrona - caurumu pāriem, kas rekombinē, sasniedzot dinamisku līdzsvaru. Tas nozīmē, ka noteiktā temperatūrā brīvo elektronu un caurumu koncentrācija ir vienāda.
Kad paaugstinās apkārtējā temperatūra, pastiprinās siltuma kustība, un vairāk brīvu elektronu atbrīvojas no valences elektronu ierobežojumiem, izraisot caurumu palielināšanos. Līdz ar to palielinās nesēja koncentrācija, uzlabojot vadītspēju. Un otrādi, kad temperatūra pazeminās, nesēja koncentrācija samazinās, samazinot vadītspēju. Kad temperatūra pazeminās līdz absolūtai nullei (0 K), valences elektroniem trūkst enerģijas, lai atbrīvotos no kovalentām saitēm, kā rezultātā nav vadītspējas.
Iekšējos pusvadītājos vadītspēja ir saistīta ar divu veidu lādiņu nesēju pārvietošanos. Lai arī iekšējo pusvadītāju vadītspēja ir atkarīga no temperatūras, to kristāliskās struktūras dēļ tā joprojām ir ārkārtīgi slikta. Neskatoties uz slikto vadītspēju, iekšējiem pusvadītājiem ir spēcīga kontrolējama to vadītspējas īpašības.
1.3.
Šajā sadaļā tiks paskaidrots, kāpēc iekšējie pusvadītāji uzrāda tik spēcīgu vadītspējas vadāmību. Šeit mēs izmantosim šādu pusvadītāju īpašumu:izsekošana piemaisījumu daudzumam var ievērojami mainīt to vadītspēju.
"Dopinga" attiecas uz atbilstošu piemaisījumu elementu ieviešanas procesu iekšējā pusvadītājā. Atkarībā no pievienotā piemaisījuma elementu veida, leģētus pusvadītājus var klasificētN - Ievadiet pusvadītājusunP - TIPE SEMICADUCTORSApvidū Kontrolējot piemaisījumu elementu koncentrāciju, var precīzi regulēt leģētā pusvadītāja vadītspēju.
1.3.1 n - tipa pusvadītājs
"N" apzīmēNegatīvs, tā kā elektroniem ir negatīvs lādiņš un ir viegls. Lai kristāla struktūrā ieviestu papildu elektronus, pentavalentie elementi (piemēram, fosfors, P) parasti tiek lutināti pusvadītājā. Tā kā fosfora atomam ir pieci valences elektroni, pēc kovalentu saites veidošanas ar apkārtējiem silīcija atomiem paliek viens papildu elektrons. Šis elektrons var viegli kļūt par brīvu elektronu ar minimālu enerģijas ievadi. Piemaisījumu atoms, kas tagad ir fiksēts kristāla režģī un kam nav elektrona, kļūst par nekustīgu pozitīvu jonu. Tas ir parādīts zemāk redzamajā attēlā:
1.3.1 n - tipa pusvadītājs (turpinājums)
N - tipa pusvadītājā brīvo elektronu koncentrācija ir lielāka nekā caurumiem. Tāpēc tiek saukti brīvie elektronivairākuma pārvadātāji(reizinātāji), bet caurumi tiek sauktiminoritātes pārvadātāji(nepilngadīgie). Tādējādi n - tipa pusvadītāja vadītspēja galvenokārt ir atkarīga no brīvajiem elektroniem. Jo augstāka ir leģētu piemaisījumu koncentrācija, jo lielāka ir vairākuma nesēju koncentrācija un jo spēcīgāka vadītspēja.
Pārbaudīsim, kā mainās mazākumtautību pārvadātāju koncentrācija, kad palielinās vairākuma nesēja koncentrācija. Minoritāšu nesēja koncentrācija samazinās, jo palielināts brīvo elektronu skaits palielina rekombinācijas varbūtību ar caurumiem.
Kad temperatūra paaugstinās, pārvadātāju skaits palielinās, un vairākuma nesēju palielināšanās ir vienāda ar mazākumtautību nesēju palielināšanos. Tomēr minoritāšu nesēja koncentrācijas procentuālās izmaiņas ir augstākas nekā vairākuma nesēju (sakarā ar dažādu minoritāšu un lielo uzņēmumu atšķirīgo bāzes koncentrāciju, kaut arī skaitliskais pieaugums ir vienāds). Tāpēc, kaut arī mazākumtautību pārvadātāju koncentrācija ir zema, tos nevajadzētu novērtēt par zemu. Minoritāšu nesēji ir kritisks faktors, kas ietekmē pusvadītāju ierīču temperatūras stabilitāti, un tādējādi jāņem vērā arī to koncentrācija.
1.3.2 P - Tips Semiconductor
"P" apzīmēPozitīvs, nosaukts pēc pozitīvi uzlādēto caurumu. Lai kristāla struktūrā ieviestu papildu caurumus, trīsvērtīgos elementus (piemēram, boron, b) parasti tiek leģēti pusvadītājā. Kad bora atoms veido kovalentās saites ar apkārtējiem silīcija atomiem, tas rada vakanci (kas ir elektriski neitrāla). Kad valences elektrons no kaimiņu silīcija atoma piepilda šo vakanci, kovalentā saite rada caurumu. Pēc tam piemaisījumu atoms kļūst par nekustīgu negatīvu jonu. Tas ir parādīts zemāk redzamajā attēlā:
1.3.2 P - Tips Semiconductor (turpinājums)
Salīdzinot ar n - tipa pusvadītājiem, P - TIPE Semiconductors:
Caurumi ir vairākuma pārvadātāji, savukārt brīvie elektroni ir mazākuma pārvadātāji.
Vadītspēja galvenokārt balstās uz caurumiem. Jo augstāka ir leģētu piemaisījumu koncentrācija, jo lielāka ir caurumu koncentrācija, kas izraisa spēcīgāku vadītspēju (kā vakances piemaisījumu atomos absorbē elektronus). Minoritāšu nesēja koncentrācija samazinās.
Kad temperatūra paaugstinās, brīvā elektronu koncentrācijas procentuālās izmaiņas ir augstākas nekā caurumu koncentrācija.
