1.1 Introduzzjoni għal semikondutturi
Apparat tas-semikondutturi huma komponenti fundamentali taċ-ċirkwiti elettroniċi, u huma magħmula minn materjali semikondutturi. Materjali tas-semikondutturi huma definiti bħala sustanzi b'konduttività elettrika bejn il-kondutturi u l-iżolaturi. Minbarra li jkollhom konduttività bejn dik tal-kondutturi u l-iżolaturi, is-semikondutturi għandhom ukoll il-proprjetajiet li ġejjin:
1, żieda fit-temperatura tista 'ttejjeb b'mod sinifikanti l-konduttività tas-semikondutturi. Pereżempju, ir-reżistività tas-silikon pur (SI) tirdoppja meta t-temperatura tiżdied minn 30 grad sa 20 grad.
2, ammonti ta 'traċċi ta' impuritajiet (il-preżenza u l-konċentrazzjoni tagħhom) jistgħu jbiddlu drastikament il-konduttività tas-semikondutturi. Pereżempju, jekk atomu ta 'impurità waħda (bħal +3 jew +5 element ta' valenza) huwa introdott għal kull miljun atomi tas-silikon, ir-reżistività fit-temperatura tal-kamra (27 grad; għaliex it-temperatura tal-kamra 27 grad? Minħabba li t-temperatura assoluta hija numru sħiħ, t {=273+ t =273+ t, u l-iktar valur mill-qrib għal t 214,000 ω · cm sa 0.2 ω · cm.
3, esponiment ħafif jista 'jtejjeb b'mod sinifikanti l-konduttività tas-semikondutturi. Pereżempju, film tal-kadmju sulfid (CDS) depożitat fuq sottostrat iżolanti għandu reżistenza ta 'diversi megohms (Mω) fin-nuqqas ta' dawl, iżda taħt illuminazzjoni, ir-reżistenza tinżel għal diversi għexieren ta 'kilohms (kω).
4, addizzjonalment, kampi manjetiċi u elettriċi jistgħu wkoll ibiddlu sew il-konduttività tas-semikondutturi.
Għalhekk, is-semikondutturi huma materjali bil-konduttività bejn il-kondutturi u l-iżolaturi, u l-proprjetajiet intrinsiċi tagħhom huma suxxettibbli ħafna għal bidliet sinifikanti minħabba fatturi esterni bħad-dawl, is-sħana, il-manjetiżmu, il-kampijiet elettriċi, u l-konċentrazzjonijiet ta 'impurità.
Minħabba dawn il-proprjetajiet vantaġġjużi, is-semikondutturi jistgħu jintużaw b'mod effettiv. B'mod partikolari, id-diskussjonijiet sussegwenti dwar id-dijodi, it-transistors, u t-transistors tal-effett - juru kif il-propjetà ta 'impuritajiet ta' traċċi li tbiddel b'mod sinifikanti l-konduttività tas-semikondutturi hija sfruttata.
1.2 Semikondutturi intrinsiċi
Kif nintroduċu impuritajiet ta 'traċċa fis-semikondutturi? Nistgħu nżidu direttament l-impuritajiet mal-kwarz naturali (li l-komponent ewlieni tiegħu huwa SI)? Ma nistgħux nużaw silikon naturali direttament minħabba li fih diversi impuritajiet, li jagħmlu l-konduttività tagħha inkontrollabbli. Biex isservi bħala l-materjal fundamentali għas-semikondutturi kollha, l-għan primarju huwa li tinkiseb konduttività kontrollabbli.
Għalhekk, għandna bżonn nippurifikaw is-silikon naturali fi struttura tal-kristall tas-silikon pur. Din l-istruttura tal-kristall semikondutturi pura hija msejħa bħala semikonduttur intrinsiku.
Karatteristiċi ta 'semikondutturi intrinsiċi: (Semikondutturi intrinsiċi huma strutturi tal-kristall puri)
1, purità, jiġifieri l-ebda impurità.
2, struttura tal-kristall, li tirrappreżenta l-istabbiltà. L-atomi huma marbuta ma 'xulxin, li jipprevjenu l-moviment ħieles, li jirriżulta f'konduttività saħansitra aktar baxxa meta mqabbel mas-silikon naturali.
1.2.1 Struttura tal-Kristall ta 'Semikondutturi Intrinsiċi
Fil-kimika, aħna tgħallimna li l-elettroni l-aktar imbiegħda ta 'żewġ atomi tas-silikon (SI) li jmissu magħhom fi kristall isiru elettroni maqsuma, li jiffurmaw bonds kovalenti. Madankollu, mhux l-elettroni l-aktar imbiegħda ta 'kull atomi Si jibqgħu strettament fil-bonds kovalenti tagħhom stess. Ir-raġuni għal dan hija li l-materjal jeżisti f'ambjent b'temperatura. Minbarra l-moviment ordnat, l-elettroni l-aktar imbiegħda jgħaddu wkoll minn moviment termali - moviment bl-addoċċ - minħabba l-influwenza tat-temperatura. Kultant, elettron jista 'jkollu enerġija ogħla minn atomi oħra, li jippermettilha tinħeles mill-bond kovalenti u ssir elettron ħieles. Anke b'ammont żgħir ta 'enerġija, l-elettroni l-aktar imbiegħda ta' konduttur jistgħu jiġġeneraw moviment direzzjonali.
Semikondutturi intrinsiċi huma ħielsa minn impuritajiet. Meta elettron jinqata 'minn rabta kovalenti, huwa jħalli warajh vakanza magħrufa bħala toqba. Fis-semikondutturi intrinsiċi, in-numru ta 'elettroni ħielsa huwa daqs in-numru ta' toqob, u huma ġġenerati f'pari. L-istruttura tal-kristall, toqob, u elettroni ħielsa huma illustrati fil-figura hawn taħt:
1.2.1 Struttura tal-kristall ta 'semikondutturi intrinsiċi (ikompli)
Jekk kamp elettriku estern jiġi applikat fuq semikonduttur intrinsiku:
1, elettroni ħielsa jimxu direzzjonalment, li jiffurmawkurrent elettroniku.
2, minħabba l-preżenza ta 'toqob, l-elettroni tal-valenza jimxu f'direzzjoni speċifika biex jimlew dawn it-toqob, u jikkawżaw li t-toqob jgħaddu wkoll minn moviment direzzjonali (peress li elettroni u toqob ħielsa huma ġġenerati f'pari). Dan il-moviment ta 'toqob jifformakurrent tat-toqba- Hekk kif l-elettroni u t-toqob ħielsa jġorru piżijiet opposti u jimxu f'direzzjonijiet opposti, il-kurrent totali f'semikonduttur intrinsiku huwa s-somma ta 'dawn iż-żewġ kurrenti.
Il-fenomeni ta 'hawn fuq juru li kemm it-toqob kif ukoll l-elettroni ħielsa jaġixxu bħala partiċelli li jġorru ħlas elettriku (dawn il-partiċelli huma msejħatrasportaturi tal-ħlas). Għalhekk, it-tnejn huma trasportaturi tal-ħlas. Dan jiddistingwi semikondutturi intrinsiċi mill-kondutturi: Fil-kondutturi, hemm tip wieħed biss ta 'trasportatur ta' ħlas, filwaqt li fis-semikondutturi intrinsiċi, hemm żewġ tipi ta 'trasportaturi ta' ħlas.
1.2.2 Konċentrazzjoni tat-trasportatur fis-semikondutturi intrinsiċi
Il-fenomenu fejn semikonduttur jiġġenera elettroni ħielsa - pari ta 'toqob taħt eċċitazzjoni termali huwa msejjaħeċċitazzjoni intrinsika.
Matul il-moviment bl-addoċċ ta 'elettroni ħielsa, meta jiltaqgħu ma' toqob, l-elettroni u t-toqob ħielsa jisparixxu fl-istess ħin. Dan il-fenomenu jissejjaħrikombinazzjoni- In-numru ta 'elettroni ħielsa - pari ta' toqob iġġenerati minn eċċitazzjoni intrinsika huwa daqs in-numru ta 'elettroni ħielsa - pari ta' toqob li jerġgħu jikkombinaw, li jiksbu ekwilibriju dinamiku. Dan ifisser li f'ċerta temperatura, il-konċentrazzjonijiet ta 'elettroni u toqob ħielsa huma l-istess.
Meta t-temperatura ambjentali togħla, il-moviment termali jintensifika, u aktar elettroni ħielsa jinħarġu mir-restrizzjonijiet ta 'elettroni ta' valenza, li jwasslu għal żieda fit-toqob. Konsegwentement, il-konċentrazzjoni tat-trasportatur tiżdied, u ttejjeb il-konduttività. Bil-maqlub, meta t-temperatura tonqos, il-konċentrazzjoni tal-ġarr tonqos, u tnaqqas il-konduttività. Meta t-temperatura tinżel għal żero assolut (0 K), l-elettroni tal-valenza m'għandhomx l-enerġija biex jinqerdu minn bonds kovalenti, li jirriżultaw fl-ebda konduttività.
Fis-semikondutturi intrinsiċi, il-konduttività tinvolvi l-moviment ta 'żewġ tipi ta' trasportaturi ta 'ħlas. Għalkemm il-konduttività ta 'semikondutturi intrinsiċi tiddependi fuq it-temperatura, tibqa' fqira minħabba l-istruttura kristallina tagħhom. Minkejja l-konduttività ħażina tagħhom, semikondutturi intrinsiċi juru kontrollabbiltà qawwija fil-proprjetajiet konduttivi tagħhom.
1.3 Semikondutturi Doped
Din it-taqsima tispjega għaliex semikondutturi intrinsiċi juru kontrollabbiltà qawwija fil-konduttività. Hawnhekk, aħna nużaw il-propjetà li ġejja ta 'semikondutturi:Ammonti ta 'traċċi ta' impuritajiet jistgħu jbiddlu b'mod sinifikanti l-konduttività tagħhom.
"Doping" jirreferi għall-proċess ta 'l-introduzzjoni ta' elementi ta 'impurità xierqa f'semikonduttur intrinsiku. Jiddependi fuq it-tip ta 'elementi ta' impurità miżjuda, semikondutturi doped jistgħu jiġu kklassifikati fiN - tip semikondutturiuP - tip semikondutturi- Billi tikkontrolla l-konċentrazzjoni ta 'l-elementi ta' impurità, il-konduttività tas-semikonduttur dopat tista 'tkun regolata b'mod preċiż.
1.3.1 n - tip semikonduttur
"N" tfisserNegattiv, billi l-elettroni jġorru ħlas negattiv u huma ħfief. Sabiex jiġu introdotti elettroni addizzjonali fl-istruttura tal-kristall, elementi pentavalenti (eż. Fosfru, P) huma tipikament doped fis-semikondutturi. Peress li atomu tal-fosfru għandu ħames elettroni tal-valenza, wara li jifforma bonds kovalenti ma 'atomi tas-silikon tal-madwar, jibqa' elettron żejjed. Dan l-elettron jista 'faċilment isir elettron ħieles b'input ta' enerġija minima. L-atomu tal-impurità, issa ffissat fil-kannizzata tal-kristall u nieqes minn elettron, isir joni pożittiva immobbli. Dan jidher fil-figura hawn taħt:
1.3.1 n - tip semikonduttur (ikompli)
F'n {- semikonduttur tat-tip, il-konċentrazzjoni ta 'elettroni ħielsa hija ikbar minn dik tat-toqob. Għalhekk, huma msejħa elettroni ħielsatrasportaturi tal-maġġoranza(multiplikaturi), waqt li huma msejħa toqobTrasportaturi tal-Minoranzi(minorenni). Għalhekk, il-konduttività ta 'n - tip semikonduttur tiddependi primarjament fuq elettroni ħielsa. Aktar ma tkun għolja l-konċentrazzjoni ta 'impuritajiet doped, iktar tkun kbira l-konċentrazzjoni ta' trasportaturi ta 'maġġoranza, u iktar tkun b'saħħitha l-konduttività.
Ejja neżaminaw kif il-konċentrazzjoni ta 'trasportaturi ta' minoranza tinbidel meta tiżdied il-konċentrazzjoni tal-ġarr tal-maġġoranza. Il-konċentrazzjoni tal-ġarr tal-minoranza tonqos minħabba li n-numru miżjud ta 'elettroni ħielsa jgħolli l-probabbiltà ta' rikombinazzjoni ma 'toqob.
Meta t-temperatura togħla, in-numru ta 'trasportaturi jiżdied, u ż-żieda fit-trasportaturi tal-maġġoranza hija daqs iż-żieda fit-trasportaturi tal-minoranzi. Madankollu, il-bidla fil-perċentwali fil-konċentrazzjoni ta 'trasportatur ta' minoranza hija ogħla minn dik tat-trasportaturi tal-maġġoranza (minħabba l-konċentrazzjonijiet bażi differenti ta 'minoranzi u kumpanniji prinċipali, minkejja li ż-żieda numerika hija l-istess). Għalhekk, għalkemm il-konċentrazzjoni ta 'trasportaturi ta' minoranza hija baxxa, m'għandhomx jiġu sottovalutati. It-trasportaturi tal-minoranzi huma fattur kritiku li jaffettwa l-istabbiltà tat-temperatura ta 'apparati semikondutturi, u għalhekk il-konċentrazzjoni tagħhom għandha titqies ukoll.
1.3.2 p - tip semikonduttur
"P" tfisserPożittiv, imsemmi wara t-toqob iċċarġjati b'mod pożittiv. Sabiex jiġu introdotti toqob addizzjonali fl-istruttura tal-kristall, elementi trivalenti (eż., Boron, B) huma tipikament doped fis-semikondutturi. Meta atomu tal-boron jifforma rabtiet kovalenti ma 'atomi tas-silikon tal-madwar, joħloq post battal (li huwa newtrali elettrikament). Meta elettron tal-valenza minn atomu tas-silikon ġirien jimla dan il-post battal, ir-rabta kovalenti tiġġenera toqba. L-atomu tal-impurità mbagħad isir jone negattiv immobbli. Dan jidher fil-figura hawn taħt:
1.3.2 p - tip semikonduttur (ikompli)
Meta mqabbel ma 'n - tip semikondutturi, f' p - tip semikondutturi:
It-toqob huma t-trasportaturi tal-maġġoranza, filwaqt li l-elettroni ħielsa huma t-trasportaturi tal-minoranzi.
Il-konduttività tiddependi primarjament fuq toqob. Aktar ma tkun għolja l-konċentrazzjoni ta 'impuritajiet doped, iktar tkun kbira l-konċentrazzjoni ta' toqob, li twassal għal konduttività aktar b'saħħitha (billi l-postijiet vakanti fl-atomi ta 'impurità jassorbu l-elettroni). Il-konċentrazzjoni tal-ġarr tal-minoranza tonqos.
Meta t-temperatura togħla, il-bidla fil-perċentwali fil-konċentrazzjoni ta 'elettroni ħielsa hija ogħla minn dik tal-konċentrazzjoni tat-toqba.