1.1 Inleiding tot halfgeleiders
Semiconductor -apparaten zijn fundamentele componenten van elektronische circuits en ze zijn gemaakt van halfgeleidermaterialen. Semiconductor -materialen worden gedefinieerd als stoffen met elektrische geleidbaarheid tussen geleiders en isolatoren. Naast het hebben van geleidbaarheid tussen die van geleiders en isolatoren, bezitten halfgeleiders ook de volgende eigenschappen:
1, een temperatuurstijging kan de geleidbaarheid van halfgeleiders aanzienlijk verbeteren. De weerstand van zuiver silicium (SI) verdubbelt bijvoorbeeld wanneer de temperatuur toeneemt van 30 graden tot 20 graden.
2, sporenhoeveelheden onzuiverheden (hun aanwezigheid en concentratie) kunnen de geleidbaarheid van halfgeleiders drastisch veranderen. 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℃) neemt af van 214.000 Ω · cm tot 0,2 Ω · cm.
3, lichtblootstelling kan de geleidbaarheid van halfgeleiders aanzienlijk verbeteren. Een cadmiumsulfide (CDS) -film die op een isolerend substraat is afgezet, heeft bijvoorbeeld een weerstand van verschillende megohms (MΩ) in afwezigheid van licht, maar onder verlichting daalt de weerstand tot enkele tientallen kilohms (kΩ).
4, bovendien, kunnen magnetische en elektrische velden ook de geleidbaarheid van halfgeleiders aanzienlijk veranderen.
Daarom zijn halfgeleiders materialen met geleidbaarheid tussen geleiders en isolatoren, en hun intrinsieke eigenschappen zijn zeer gevoelig voor significante veranderingen als gevolg van externe factoren zoals licht, warmte, magnetisme, elektrische velden en sporenconcentraties.
Gezien deze voordelige eigenschappen kunnen halfgeleiders effectief worden gebruikt. In het bijzonder zullen de daaropvolgende discussies over diodes, transistors en veld - effecttransistoren aantonen hoe de eigenschap van sporen van sporen die de geleidbaarheid van halfgeleiders aanzienlijk veranderen, benutt.
1.2 intrinsieke halfgeleiders
Hoe introduceren we sporenonzuiverheden in halfgeleiders? Kunnen we rechtstreeks onzuiverheden toevoegen aan Natural Quartz (wiens hoofdcomponent SI is)? We kunnen geen natuurlijk silicium rechtstreeks gebruiken omdat het verschillende onzuiverheden bevat, die de geleidbaarheid ervan oncontroleerbaar maken. Om te dienen als het fundamentele materiaal voor alle halfgeleiders, is het primaire doel om een controleerbare geleidbaarheid te bereiken.
Daarom moeten we natuurlijk silicium zuiveren in een pure siliciumkristalstructuur. Deze zuivere halfgeleidingskristalstructuur wordt een intrinsieke halfgeleider genoemd.
Kenmerken van intrinsieke halfgeleiders: (intrinsieke halfgeleiders zijn pure kristalstructuren)
1, zuiverheid, wat geen onzuiverheden betekent.
2, kristalstructuur, die stabiliteit vertegenwoordigt. De atomen zijn aan elkaar gebonden, waardoor vrij verkeer wordt voorkomen, wat resulteert in een nog lagere geleidbaarheid in vergelijking met natuurlijk silicium.
1.2.1 Kristalstructuur van intrinsieke halfgeleiders
In de chemie hebben we geleerd dat de buitenste elektronen van twee aangrenzende silicium (SI) atomen in een kristal gedeelde elektronen worden, waardoor covalente bindingen worden gevormd. Niet alle buitenste elektronen van elk Si -atoom blijven echter strikt binnen hun eigen covalente bindingen. De reden hiervoor is dat het materiaal bestaat in een omgeving met temperatuur. Naast geordende beweging ondergaan de buitenste elektronen ook thermische beweging - willekeurige beweging - vanwege de invloed van de temperatuur. Af en toe kan een elektron hogere energie bezitten dan andere atomen, waardoor het kan loskomen van de covalente binding en een vrij elektron wordt. Zelfs met een kleine hoeveelheid energie kunnen de buitenste elektronen van een geleider directionele beweging genereren.
Intrinsieke halfgeleiders zijn vrij van onzuiverheden. Wanneer een elektron losbreekt van een covalente binding, laat het een vacature achter die bekend staat als een gat. In intrinsieke halfgeleiders is het aantal vrije elektronen gelijk aan het aantal gaten en ze worden in paren gegenereerd. De kristalstructuur, gaten en vrije elektronen worden geïllustreerd in de onderstaande figuur:
1.2.1 Kristalstructuur van intrinsieke halfgeleiders (vervolg)
Als een extern elektrisch veld wordt toegepast op een intrinsieke halfgeleider:
1, vrije elektronen bewegen directioneel en vormen eenelektronenstroom.
2, vanwege de aanwezigheid van gaten, bewegen valentie -elektronen in een specifieke richting om deze gaten te vullen, waardoor de gaten ook directionele beweging ondergaan (omdat vrije elektronen en gaten in paren worden gegenereerd). Deze beweging van gaten vormt eengatenstroom. Terwijl vrije elektronen en gaten tegenovergestelde ladingen dragen en in tegengestelde richtingen bewegen, is de totale stroom in een intrinsieke halfgeleider de som van deze twee stromingen.
De bovenstaande fenomenen tonen aan dat zowel gaten als vrije elektronen werken als deeltjes die elektrische lading dragen (dergelijke deeltjes worden genoemdLaad dragers). Beide zijn dus ladingsdragers. Dit onderscheidt intrinsieke halfgeleiders van geleiders: bij geleiders is er slechts één type ladingsdrager, terwijl er in intrinsieke halfgeleiders twee soorten ladingsdragers zijn.
1.2.2 Carrierconcentratie in intrinsieke halfgeleiders
Het fenomeen waarbij een halfgeleider gratis elektron genereert - gatparen onder thermische excitatie worden genoemdintrinsieke excitatie.
Tijdens de willekeurige beweging van vrije elektronen, wanneer ze gaten tegenkomen, verdwijnen de vrije elektronen en gaten tegelijkertijd. Dit fenomeen wordt genoemdherroeping. Het aantal gratis elektron - gatparen gegenereerd door intrinsieke excitatie is gelijk aan het aantal vrije elektron - gatenparen die recombineren, waardoor een dynamisch evenwicht wordt bereikt. Dit betekent dat bij een bepaalde temperatuur de concentraties van vrije elektronen en gaten hetzelfde zijn.
Wanneer de omgevingstemperatuur stijgt, wordt de thermische beweging intensiveerd en breken er meer vrije elektronen los van de beperkingen van valentie -elektronen, wat leidt tot een toename van gaten. Bijgevolg neemt de dragerconcentratie toe, waardoor de geleidbaarheid wordt verbeterd. Omgekeerd, wanneer de temperatuur afneemt, neemt de dragerconcentratie af, waardoor de geleidbaarheid wordt verminderd. Wanneer de temperatuur daalt tot absolute nul (0 K), missen valentie -elektronen de energie om los te komen van covalente bindingen, wat resulteert in geen geleidbaarheid.
In intrinsieke halfgeleiders omvat geleidbaarheid de beweging van twee soorten ladingsdragers. Hoewel de geleidbaarheid van intrinsieke halfgeleiders afhankelijk is van de temperatuur, blijft deze extreem slecht vanwege hun kristallijne structuur. Ondanks hun slechte geleidbaarheid vertonen intrinsieke halfgeleiders een sterke controleerbaarheid in hun geleidende eigenschappen.
1.3 gedoteerde halfgeleiders
Deze sectie zal verklaren waarom intrinsieke halfgeleiders een dergelijke sterke controleerbaarheid in geleidbaarheid vertonen. Hier zullen we de volgende eigenschap van halfgeleiders gebruiken:Spoorhoeveelheden onzuiverheden kunnen hun geleidbaarheid aanzienlijk veranderen.
"Doping" verwijst naar het proces van het introduceren van geschikte onzuiverheidselementen in een intrinsieke halfgeleider. Afhankelijk van het type onzuiverheidselementen toegevoegd, kunnen gedoteerde halfgeleiders worden geclassificeerd inN - type halfgeleidersEnP - type halfgeleiders. Door de concentratie van de onzuiverheidselementen te beheersen, kan de geleidbaarheid van de gedoteerde halfgeleider nauwkeurig worden gereguleerd.
1.3.1 n - type halfgeleider
"N" staat voorNegatief, omdat elektronen een negatieve lading dragen en lichtgewicht zijn. Om extra elektronen in de kristalstructuur te introduceren, worden pentavalente elementen (bijv. Fosfor, P) typisch gedoteerd in de halfgeleider. Omdat een fosforatoom vijf valentie -elektronen heeft, na het vormen van covalente bindingen met omliggende siliciumatomen, blijft één extra elektron over. Dit elektron kan gemakkelijk een vrij elektron worden met minimale energie -ingang. Het onzuiverheidsatoom, nu gefixeerd in het kristalrooster en zonder elektron, wordt een immobiel positief ion. Dit wordt geïllustreerd in de onderstaande figuur:
1.3.1 n - Type Semiconductor (vervolg)
In een n {- type halfgeleider is de concentratie van vrije elektronen groter dan die van gaten. Daarom worden gratis elektronen genoemdMeerderheid dragers(Multipliers), terwijl gaten worden genoemdminderheidsdragers(minderjarigen). De geleidbaarheid van een N {- type halfgeleider is dus voornamelijk afhankelijk van vrije elektronen. Hoe hoger de concentratie van gedoteerde onzuiverheden, hoe groter de concentratie van de meerderheiddragers en hoe sterker de geleidbaarheid.
Laten we onderzoeken hoe de concentratie van minderheidsdragers verandert wanneer de meerderheid van de dragerconcentratie toeneemt. De concentratie van de minderheidsdrager neemt af omdat het verhoogde aantal vrije elektronen de kans op recombinatie met gaten verhoogt.
Wanneer de temperatuur stijgt, neemt het aantal dragers toe en is de toename van de meerderheidsdragers gelijk aan de toename van de dragers van minderheden. De procentuele verandering in de concentratie van minderheden is echter hoger dan die van meerderheidsdragers (vanwege de verschillende basisconcentraties van minderheden en majors, hoewel de numerieke toename hetzelfde is). Daarom, hoewel de concentratie van minderheidsdragers laag is, mogen ze niet worden onderschat. Minderheidsdragers zijn een kritieke factor die de temperatuurstabiliteit van halfgeleiderapparaten beïnvloedt, en dus moet ook hun concentratie worden overwogen.
1.3.2 p - Type halfgeleider
"P" staat voorPositief, genoemd naar de positief geladen gaten. Om extra gaten in de kristalstructuur te introduceren, worden drievoudige elementen (bijv. Boron, B) meestal gedoteerd in de halfgeleider. Wanneer een booratoom covalente bindingen vormt met omliggende siliciumatomen, creëert het een vacature (die elektrisch neutraal is). Wanneer een valentie -elektron uit een aangrenzend siliciumatoom deze vacature vult, genereert de covalente binding een gat. Het onzuiverheidsatoom wordt dan een immobiel negatief ion. Dit wordt geïllustreerd in de onderstaande figuur:
1.3.2 P - Type Semiconductor (vervolg)
Vergeleken met n - type halfgeleiders, in p - type halfgeleiders:
Gaten zijn de meerderheid van dragers, terwijl vrije elektronen de minderheidsdragers zijn.
Geleidbaarheid is voornamelijk afhankelijk van gaten. Hoe hoger de concentratie van gedoteerde onzuiverheden, hoe groter de concentratie van gaten, wat leidt tot een sterkere geleidbaarheid (omdat de vacatures in onzuiverheidsatomen elektronen absorberen). De concentratie van de minderheidsdrager neemt af.
Wanneer de temperatuur stijgt, is de procentuele verandering in vrije elektronenconcentratie hoger dan die van de gatconcentratie.
