1.1 Введение в полупроводники
Полупроводниковые устройства являются фундаментальными компонентами электронных схем, и они изготовлены из полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы определяются как вещества с электрической проводимостью между проводниками и изоляторами. В дополнение к проводимости между проводниками и изоляторами, полупроводники также обладают следующими свойствами:
1, повышение температуры может значительно повысить проводимость полупроводников. Например, удельное сопротивление чистого кремния (SI) удваивается, когда температура увеличивается с 30 градусов до 20 градусов.
2, Следы примесей (их присутствие и концентрация) могут резко изменить проводимость полупроводников. Например, если один валентный элемент Atom (например, +3 или +5}) введен на миллион атомов кремния, удельное сопротивление при комнатной температуре (27 градусов; почему комнатная температура 27 градусов? Потому что абсолютная температура является целым числом, t =273+ t {{7} t, nef streat to ts 300 k, less wress wress wis a a aes wress wress wis a a aes wrether wrest wreth от 214 000 Ом · см до 0,2 Ом · см.
3, воздействие света может значительно улучшить проводимость полупроводников. Например, пленка сульфида кадмия (CDS), нанесенная на изолирующую субстрат, имеет сопротивление нескольких мегом (МОм) в отсутствие света, но при освещении сопротивление падает до нескольких десятков килом (Kω).
4, Кроме того, магнитные и электрические поля также могут заметно изменять проводимость полупроводников.
Следовательно, полупроводники представляют собой материалы с проводимостью между проводниками и изоляторами, и их внутренние свойства очень восприимчивы к значительным изменениям из -за внешних факторов, таких как свет, тепло, магнетизм, электрические поля и концентрации примесей следов.
Учитывая эти выгодные свойства, можно эффективно использовать полупроводники. В частности, последующие дискуссии по диодам, транзисторам и поля - транзисторов продемонстрируют, как свойство примесей трассировки значительно изменяет полупроводниковую проводимость.
1.2 Внутренние полупроводники
Как мы внедряем примеси трассировки в полупроводники? Можем ли мы напрямую добавить примеси к естественному кварце (основной компонент которого SI)? Мы не можем использовать естественный кремний напрямую, потому что он содержит различные примеси, которые делают его проводимость неконтролируемой. Чтобы служить фундаментальным материалом для всех полупроводников, основной целью является достижение контролируемой проводимости.
Поэтому нам необходимо очистить естественный кремний в чистую кристаллическую структуру кремния. Эта чистая полупроводниковая кристаллическая структура называется внутренним полупроводником.
Характеристики внутренних полупроводников: (внутренними полупроводниками являются чистые кристаллические структуры)
1, чистота, что означает отсутствие примесей.
2, кристаллическая структура, представляющая стабильность. Атомы связаны друг с другом, предотвращая свободное движение, что приводит к еще более низкой проводимости по сравнению с естественным кремнием.
1.2.1 Кристаллическая структура внутренних полупроводников
В химии мы узнали, что самые внешние электроны двух смежных атомов кремния (SI) в кристалле становятся общими электронами, образуя ковалентные связи. Однако не все самые внешние электроны каждого атома Si остаются строго в пределах их собственных ковалентных связей. Причина этого заключается в том, что материал существует в среде с температурой. В дополнение к упорядоченному движению, самые внешние электроны также подвергаются термическому движению - случайное движение - из -за влияния температуры. Иногда электрон может обладать более высокой энергией, чем другие атомы, позволяя ему освободиться от ковалентной связи и стать свободным электроном. Даже с небольшим количеством энергии, самые внешние электроны проводника могут генерировать направленное движение.
Внутренние полупроводники свободны от примесей. Когда электрон освобождается от ковалентной связи, он оставляет вакансию, известную как отверстие. В внутренних полупроводниках количество свободных электронов равно количеству отверстий, и они генерируются парами. Кристаллическая структура, отверстия и свободные электроны показаны на рисунке ниже:
1.2.1 Кристаллическая структура внутренних полупроводников (продолжение)
Если внешнее электрическое поле применяется на внутреннем полупроводнике:
1, свободные электроны перемещаются направлено, образуяэлектронный ток.
2, из -за наличия отверстий, валентные электроны движутся в определенном направлении, чтобы заполнить эти отверстия, заставляя отверстия также подвергаться направлению (поскольку свободные электроны и отверстия генерируются в парах). Это движение отверстий образуетток отверстияПолем Поскольку свободные электроны и отверстия несут противоположные заряды и движутся в противоположных направлениях, общий ток в внутреннем полупроводнике является суммой этих двух токов.
Приведенные выше явления демонстрируют, что как отверстия, так и свободные электроны действуют как частицы, несущие электрический заряд (такие частицы называютсяЗарядные перевозчики) Таким образом, оба являются перевозчиками заряда. Это отличает внутренние полупроводники от проводников: у проводников есть только один тип носителя заряда, тогда как в внутренних полупроводниках существует два типа носителей заряда.
1.2.2 Концентрация носителей в внутренних полупроводниках
Феномен, в котором полупроводник генерирует свободный электрон - пары отверстий при термическом возбуждении вызываетсяВнутреннее возбуждение.
Во время случайного движения свободных электронов, когда они сталкиваются с отверстиями, свободные электроны и отверстия одновременно исчезают. Это явление называетсярекомбинацияПолем Количество свободного электрона - паров отверстий, сгенерированных внутренним возбуждением, равняется количеству свободных электронов - пар отверстия, которые рекомбинируют, достигая динамического равновесия. Это означает, что при определенной температуре концентрации свободных электронов и отверстий одинаковы.
Когда температура окружающей среды повышается, тепловое движение усиливается, и больше свободных электронов освобождаются от ограничений валентных электронов, что приводит к увеличению отверстий. Следовательно, концентрация носителя увеличивается, повышая проводимость. И наоборот, когда температура снижается, концентрация носителя уменьшается, снижая проводимость. Когда температура падает до абсолютного нуля (0 К), валентным электронам не хватает энергии, чтобы освободиться от ковалентных связей, что приводит к отсутствию проводимости.
В внутренних полупроводниках проводимость включает в себя движение двух типов носителей заряда. Хотя проводимость внутренних полупроводников зависит от температуры, она остается чрезвычайно плохой из -за их кристаллической структуры. Несмотря на свою плохую проводимость, внутренние полупроводники демонстрируют сильную управляемость в их проводящих свойствах.
1,3 легированные полупроводники
В этом разделе объяснится, почему внутренние полупроводники демонстрируют такую сильную управляемость в проводимости. Здесь мы будем использовать следующее свойство полупроводников:Следы примесей могут значительно изменить их проводимость.
«Допинг» относится к процессу введения соответствующих элементов примесей в внутренний полупроводник. В зависимости от типа добавленных элементов примеси, легированные полупроводники могут быть классифицированы поN - Тип полупроводниковиP - Тип полупроводниковПолем Управляя концентрацией примесей элементов, проводимость легированного полупроводника может быть точно регулирована.
1.3.1 n - Тип полупроводника
"N" означаетОтрицательный, поскольку электроны несут отрицательный заряд и легкие. Чтобы ввести дополнительные электроны в кристаллическую структуру, пентавалентные элементы (например, фосфор, P), как правило, легируются в полупроводнике. Поскольку атом фосфора имеет пять валентных электронов, после образования ковалентных связей с окружающими атомами кремния остается один дополнительный электрон. Этот электрон может легко стать свободным электроном с минимальным входом энергии. Примесный атом, который теперь закреплен в кристаллической решетке и отсутствует электрон, становится неподвижным положительным ионом. Это показано на рисунке ниже:
1.3.1 n - Тип полупроводника (продолжение)
В полупроводнике типа n - концентрация свободных электронов больше, чем в отверстиях. Следовательно, свободные электроны называютсябольшинство перевозчиков(множители), в то время как отверстия называютсяносители меньшинства(несовершеннолетние). Таким образом, проводимость N - полупроводника типа в первую очередь зависит от свободных электронов. Чем выше концентрация легированных примесей, тем выше концентрация большинства носителей и тем сильнее проводимость.
Давайте рассмотрим, как изменяется концентрация носителей меньшинств, когда увеличивается концентрация носителя большинства. Концентрация носителя меньшинства уменьшается, потому что увеличение числа свободных электронов повышает вероятность рекомбинации с отверстиями.
Когда температура повышается, число носителей увеличивается, а увеличение носителей большинства равно увеличению числа носителей меньшинств. Тем не менее, процентное изменение концентрации носителей меньшинств выше, чем у большинства носителей (из -за различных базовых концентраций меньшинств и специальностей, даже если числовое увеличение одинаково). Следовательно, хотя концентрация носителей меньшинства низкая, их не следует недооценивать. Меньшинные носители являются критическим фактором, влияющим на стабильность температуры полупроводниковых устройств, и, следовательно, их концентрация также должна быть рассмотрена.
1.3.2 P - Тип полупроводника
"P" означаетПоложительный, названное в честь положительно заряженных отверстий. Чтобы ввести дополнительные отверстия в кристаллическую структуру, тривалентные элементы (например, бор, б), как правило, лежат в полупроводнике. Когда атом бора образуется ковалентные связи с окружающими атомами кремния, он создает вакансию (которая является электрически нейтральной). Когда валентный электрон от соседнего атома кремния заполняет эту вакансию, ковалентная связь генерирует отверстие. Затем атом примесей становится неподвижным негативным ионом. Это показано на рисунке ниже:
1.3.2 P - Тип полупроводника (продолжение)
По сравнению с n - Тип полупроводников, в p - Тип полупроводников:
Отверстия являются носителями большинства, в то время как свободные электроны являются носителями меньшинства.
Проводимость в первую очередь опирается на отверстия. Чем выше концентрация легированных примесей, тем больше концентрация отверстий, что приводит к более высокой проводимости (как вакансии в атомах примесей поглощают электроны). Концентрация носителя меньшинства уменьшается.
Когда температура повышается, процентное изменение концентрации свободного электрона выше, чем у концентрации отверстия.