1.1 Introducció als semiconductors
Els dispositius semiconductors són components fonamentals dels circuits electrònics i estan fets de materials semiconductors. Els materials de semiconductors es defineixen com a substàncies amb conductivitat elèctrica entre conductors i aïllants. A més de tenir conductivitat entre la dels conductors i els aïllants, els semiconductors també posseeixen les següents propietats:
1, un augment de la temperatura pot millorar significativament la conductivitat dels semiconductors. Per exemple, la resistivitat del silici pur (SI) es duplica quan la temperatura augmenta de 30 a 20 graus.
2, les traces de les impureses (la seva presència i concentració) poden alterar dràsticament la conductivitat dels semiconductors. Per exemple, si un àtom de impuresa (com ara +3 o {+5 element de valència) s’introdueix per milió d’àtoms de silici, la resistivitat a temperatura ambient (27 graus; per què és la temperatura ambient de 27 graus? Perquè la temperatura absoluta és un enter, t {{6} 214.000 ω · cm a 0,2 Ω · cm.
3, l'exposició a la llum pot millorar significativament la conductivitat dels semiconductors. Per exemple, una pel·lícula de sulfur de cadmi (CDS) dipositada sobre un substrat aïllant té una resistència de diversos megohms (Mω) en absència de llum, però sota il·luminació, la resistència baixa a diverses desenes de quilohms (kω).
4, A més, els camps magnètics i elèctrics també poden alterar notablement la conductivitat dels semiconductors.
Per tant, els semiconductors són materials amb conductivitat entre conductors i aïllants, i les seves propietats intrínseques són altament susceptibles a canvis significatius a causa de factors externs com la llum, la calor, el magnetisme, els camps elèctrics i les concentracions d’impuresa de traça.
Tenint en compte aquestes propietats avantatjoses, els semiconductors es poden utilitzar eficaçment. En particular, les discussions posteriors sobre díodes, transistors i camp - Els transistors demostraran com es manté la propietat de les impureses de traça que alteren significativament la conductivitat de semiconductors.
1.2 Semiconductors intrínsecs
Com introduïm les impureses de traça en semiconductors? Podem afegir directament impureses al quars natural (el component principal és SI)? No podem utilitzar el silici natural directament perquè conté diverses impureses, cosa que fa que la seva conductivitat sigui incontrolable. Per servir de material fonamental per a tots els semiconductors, l’objectiu principal és aconseguir una conductivitat controlable.
Per tant, hem de purificar el silici natural en una estructura de cristall de silici pur. Aquesta estructura de cristall semiconductor pur es coneix com a semiconductor intrínsec.
Característiques dels semiconductors intrínsecs: (semiconductors intrínsecs són estructures de cristall pur)
1, puresa, no significa impureses.
2, Estructura de cristall, que representa l'estabilitat. Els àtoms estan lligats els uns als altres, evitant la lliure circulació, cosa que produeix una conductivitat encara més baixa en comparació amb el silici natural.
1.2.1 Estructura de cristall dels semiconductors intrínsecs
En química, vam saber que els electrons més exteriors de dos àtoms de silici (SI) adjacents en un cristall es converteixen en electrons compartits, formant enllaços covalents. No obstant això, no tots els electrons més exteriors de cada àtom de SI es mantenen estrictament dins dels seus propis enllaços covalents. El motiu d’això és que el material existeix en un entorn amb temperatura. A més del moviment ordenat, els electrons més exteriors també experimenten un moviment tèrmic - Moviment aleatori - a causa de la influència de la temperatura. De vegades, un electró pot tenir una energia més alta que altres àtoms, permetent -li alliberar -se de l’enllaç covalent i convertir -se en un electró lliure. Fins i tot amb una petita quantitat d’energia, els electrons més exteriors d’un conductor poden generar moviment direccional.
Els semiconductors intrínsecs estan lliures d’impureses. Quan un electró s’allibera d’un vincle covalent, deixa enrere una vacant coneguda com a forat. En semiconductors intrínsecs, el nombre d’electrons lliures és igual al nombre de forats i es generen per parelles. L’estructura de cristall, els forats i els electrons lliures s’il·lustren a la figura següent:
1.2.1 Estructura de cristall dels semiconductors intrínsecs (continuat)
Si s’aplica un camp elèctric extern a través d’un semiconductor intrínsec:
1, els electrons lliures es mouen direccionalment, formant uncorrent d’electrons.
2, a causa de la presència de forats, els electrons de valència es mouen en una direcció específica per omplir aquests forats, fent que els forats també pateixin un moviment direccional (ja que els electrons i els forats lliures es generen per parelles). Aquest moviment de forats forma unCorrent del forat. Com que els electrons i els forats lliures porten càrregues oposades i es mouen en direccions oposades, el corrent total en un semiconductor intrínsec és la suma d’aquests dos corrents.
Els fenòmens anteriors demostren que tant els forats com els electrons lliures actuen com a partícules que porten càrrega elèctrica (es diuen partículesportadors de càrrega)). Així, tots dos són portadors de càrrega. Això distingeix els semiconductors intrínsecs dels conductors: en els conductors, només hi ha un tipus de portador de càrrega, mentre que en semiconductors intrínsecs, hi ha dos tipus de portadors de càrrega.
1.2.2 Concentració del portador en semiconductors intrínsecs
El fenomen on un semiconductor genera electrons lliures - parells de forat sota excitació tèrmicaExcitació intrínseca.
Durant el moviment aleatori d’electrons lliures, quan es troben amb forats, els electrons i forats lliures desapareixen simultàniament. Aquest fenomen es diurecombinació. El nombre d’electrons lliures - parells de forat generats per excitació intrínseca és igual al nombre d’electrons lliures {{2} parells de forat que recombina, aconseguint un equilibri dinàmic. Això significa que a una determinada temperatura, les concentracions d’electrons i forats lliures són les mateixes.
Quan la temperatura ambient augmenta, el moviment tèrmic s’intensifica i més electrons lliures s’alliberen de les restriccions d’electrons de valència, provocant un augment dels forats. En conseqüència, la concentració del portador augmenta, millorant la conductivitat. Per contra, quan la temperatura disminueix, la concentració del portador disminueix, reduint la conductivitat. Quan la temperatura baixa a zero absolut (0 K), els electrons de valència no tenen energia per deslliurar -se dels enllaços covalents, i no es produeix cap conductivitat.
En semiconductors intrínsecs, la conductivitat implica el moviment de dos tipus de portadors de càrrega. Tot i que la conductivitat dels semiconductors intrínsecs depèn de la temperatura, continua sent extremadament pobra a causa de la seva estructura cristal·lina. Malgrat la seva mala conductivitat, els semiconductors intrínsecs presenten una forta controlabilitat en les seves propietats conductores.
1.3 semiconductors dopats
Aquesta secció explicarà per què els semiconductors intrínsecs presenten una controlabilitat tan forta en la conductivitat. Aquí, utilitzarem la propietat següent dels semiconductors:Les quantitats d’impureses poden alterar significativament la seva conductivitat.
El "dopatge" fa referència al procés d'introducció d'elements de impuresa adequats en un semiconductor intrínsec. Segons el tipus d’elements d’impuresa afegits, es poden classificar semiconductors dopatsN - tipus semiconductorsiP - tipus semiconductors. Controlant la concentració dels elements de la impuresa, la conductivitat del semiconductor dopat es pot regular amb precisió.
1.3.1 N - tipus semiconductor
"N" significaNegativa, ja que els electrons porten una càrrega negativa i són lleugers. Per introduir electrons addicionals a l'estructura de cristall, els elements pentavalents (per exemple, el fòsfor, p) normalment es dopen al semiconductor. Atès que un àtom de fòsfor té cinc electrons de valència, després de formar enllaços covalents amb àtoms de silici circumdants, queda un electró addicional. Aquest electró pot convertir -se fàcilment en un electró lliure amb aportació d’energia mínima. L’àtom de la impuresa, ara fixat en la gelosia de cristall i que no té un electró, es converteix en un ió positiu immòbil. Això s’il·lustra a la figura següent:
1.3.1 N - tipus semiconductor (continuat)
En un tipus de tipus N -, la concentració d'electrons lliures és superior a la dels forats. Per tant, s’anomenen electrons lliuresportadors majoritaris(multiplicadors), mentre que els forats es diuenportadors minoritaris(menors). Així, la conductivitat d'un tipus semiconductor de n - es basa principalment en electrons lliures. Com més gran sigui la concentració d’impureses dopades, més gran és la concentració de portadors majoritaris i més forta és la conductivitat.
Examinem com canvia la concentració de transportistes minoritaris quan augmenta la concentració de portador majoritari. La concentració del portador minoritari disminueix perquè l’augment del nombre d’electrons lliures augmenta la probabilitat de recombinació amb forats.
Quan la temperatura augmenta, el nombre de portadors augmenta i l’augment dels portadors majoritaris és igual a l’augment dels transportistes minoritaris. No obstant això, el canvi percentual en la concentració de portadors minoritaris és superior al dels portadors majoritaris (a causa de les diferents concentracions de base de minories i majors, tot i que l’augment numèric és el mateix). Per tant, tot i que la concentració de portadors minoritaris és baixa, no s’han de menystenir. Els portadors minoritaris són un factor crític que afecta l’estabilitat de la temperatura dels dispositius de semiconductors i, per tant, també s’ha de considerar la seva concentració.
1.3.2 p - tipus semiconductor
"P" significaPositiu, anomenat després dels forats carregats positivament. Per introduir forats addicionals a l'estructura de cristall, els elements trivalents (per exemple, el bor, b) normalment es dopen al semiconductor. Quan un àtom de bor forma enllaços covalents amb àtoms de silici circumdants, crea una vacant (que és elèctricament neutre). Quan un electró de valència d’un àtom de silici veí omple aquesta vacant, l’enllaç covalent genera un forat. L’àtom de la impuresa es converteix en un ió negatiu immòbil. Això s’il·lustra a la figura següent:
1.3.2 p - tipus semiconductor (continuat)
En comparació amb els semiconductors tipus n -, en p - tipus semiconductors:
Els forats són els portadors majoritaris, mentre que els electrons lliures són els transportistes minoritaris.
La conductivitat es basa principalment en forats. Com més gran sigui la concentració d’impureses dopades, més gran és la concentració de forats, donant lloc a una conductivitat més forta (ja que les vacants en els àtoms de la impuresa absorbeixen electrons). La concentració del portador minoritari disminueix.
Quan la temperatura augmenta, el canvi percentual en la concentració d’electrons lliures és superior al de la concentració del forat.