Učenje osnov polprevodnikov

V tem prispevku izčrpno spoznavamo temeljna načela delovanja polprevodniških naprav in delovanje notranje strukture polprevodnikov pod vplivom električne energije.

Vrednost upornosti med temi polprevodniškimi materiali nima niti popolne prevodniške lastnosti niti popolnega izolatorja, je med tema dvema mejama.

Ta lastnost lahko opredeli polprevodniške lastnosti materiala, vendar bi bilo zanimivo vedeti, kako polprevodnik deluje med vodnikom in izolatorjem.

Upornost

V skladu z Ohmovim zakonom je električni upor elektronske naprave opredeljen kot razmerje med potencialno razliko med komponento in tokom, ki teče skozi komponento.

Zdaj uporaba merjenja upora lahko predstavlja en problem, njegova vrednost pa se spreminja s spreminjanjem fizične dimenzije uporovnega materiala.

Na primer, ko se uporovni material poveča v dolžino, se njegova vrednost upora tudi sorazmerno poveča.
Podobno, ko se njegova debelina poveča, se njegova vrednost upora sorazmerno zmanjša.

Tu je treba določiti material, ki lahko kaže na lastnost prevodnosti ali nasprotovanja električnemu toku, ne glede na njegovo velikost, obliko ali fizični videz.

Velikost za izražanje te posebne vrednosti upora je znana kot Resisistance, ki ima sinbol ρ, (Rho)

Merska enota za upor je Ohm-meter (Ω.m) in jo lahko razumemo kot parameter, ki je obrnjen na prevodnost.

Da bi dobili primerjavo med upori več materialov, jih razvrstimo v 3 glavne kategorije: prevodniki, izolatorji in polprevodniki. Spodnji grafikon vsebuje zahtevane podrobnosti:

Kot lahko vidite na zgornji sliki, je med upornostjo prevodnikov, kot sta zlato in srebro, zanemarljiva razlika, medtem ko lahko obstaja velika razlika v upornosti izolatorjev, kot sta kremen in steklo.

To je posledica njihovega odziva na temperaturo okolice, zaradi česar so kovine izjemno učinkoviti vodniki kot izolatorji

Dirigenti

Iz zgornje tabele razberemo, da imajo vodniki najmanjši upor, ki je običajno v mikroohmih / meter.

Zaradi njihove majhne upornosti lahko električni tok skozi njih zlahka prehaja zaradi razpoložljivosti velike količine elektronov.

Vendar te elektrone lahko potisnemo le, kadar je njihov tlak čez vodnik, in ta tlak lahko tvori a z uporabo napetosti na vodniku.

Torej, ko se prevodnik uporabi s pozitivno / negativno potencialno razliko, se prosti elektroni vsakega atoma prevodnika prisilijo, da se izmaknejo od svojih matičnih atomov in začnejo pluti čez vodnik, kar je splošno znano kot tok toka .

Stopnja, s katero se lahko ti elektroni premikajo, je odvisna od tega, kako enostavno jih je mogoče osvoboditi svojih atomov kot odziv na napetostno razliko.

Kovine na splošno veljajo za dobre prevodnike električne energije, med kovinami pa so najboljši urejeni vodniki zlato, srebro, baker in aluminij.

Ker imajo ti prevodniki zelo malo elektronov v valentnem pasu svojih atomov, jih potencialna razlika zlahka izpodrine in začnejo skakati z enega atoma na drugega s postopkom, imenovanim 'Dominov učinek', kar povzroči tok toka čez dirigent.

Čeprav sta zlato in srebro najboljši prevodnik električne energije, sta baker in aluminij najprimernejša za izdelavo žic in kablov zaradi nizke cene in številčnosti ter tudi zaradi fizične trdnosti.

Kljub temu, da sta baker in aluminij dobra vodnika električne energije, imata še vedno nekaj upora, saj nič ne more biti 100% idealno.

Čeprav je majhen upor, ki ga nudijo ti vodniki, lahko z uporabo višjih tokov postane pomemben. Sčasoma se odpornost proti večjemu toku na teh vodnikih razprši kot toplota.

Izolatorji

V nasprotju s prevodniki so izolatorji slabi vodniki električne energije. Ti so običajno v obliki nekovin in imajo zelo malo ranljivih ali prostih elektronov s svojimi matičnimi atomi.

To pomeni, da so elektroni teh nekovin tesno povezani s svojimi matičnimi atomi, ki jih je zelo težko odstraniti z uporabo napetosti.

Zaradi te lastnosti se elektroni pri uporabi električne napetosti ne odmaknejo od atomov, kar povzroči pretok elektronov in zato ne pride do prevodnosti.

Ta lastnost vodi do zelo visoke vrednosti odpornosti izolatorja v veliko milijonih ohmov.

Primeri dobrih izolatorjev so materiali, kot so steklo, marmor, PVC, umetne snovi, kremen, guma, sljuda, bakelit.

Tako kot prevodniki imajo tudi izolatorji pomembno vlogo na področju elektronike. Brez izolatorja ne bi bilo mogoče izolirati napetostnih razlik med fazami vezja, kar bi povzročilo kratke stike.

Na primer, vidimo uporabo porcelana in stekla v visoko napetostnih stolpih za varno prenašanje moči izmeničnega toka po kablih. V žicah uporabljamo PVC za izolacijo pozitivnih, negativnih sponk, v PCB pa bakelit za izolacijo bakrenih sledi med seboj.

Osnove polprevodnikov

Materiali, kot so silicij (Si), germanij (Ge) in galijev arzenid, spadajo med osnovne polprevodniške materiale. Ker imajo ti materiali značilnost vmesnega prevajanja električne energije, ki ne vodi ne do ustrezne prevodnosti ne do ustrezne izolacije. Zaradi te lastnosti so ti materiali imenovani polprevodniki.

Ti materiali kažejo zelo malo prostih elektronov v svojih atomih, ki so tesno zbrani v obliki kristalne rešetke. Kljub temu se elektroni lahko odmikajo in pretakajo, vendar le, če so uporabljeni posebni pogoji.

Po tem je mogoče povečati hitrost prevodnosti v teh polprevodnikih tako, da v kristalno postavitev vstavimo ali nadomestimo neke vrste 'donatorskih' ali 'akceptorskih' atomov, kar omogoča sproščanje dodatnih 'prostih elektronov' in 'lukenj' ali vice nasprotno.

To se izvede z vnosom določene količine zunanjega materiala v obstoječi material, kot sta silicij ali germanij.

Sami po sebi materiali, kot sta silicij in germanij, so zaradi svoje izjemno čiste kemične narave in prisotnosti popolnega polprevodniškega materiala kategorizirani kot lastni polprevodniki.

To tudi pomeni, da lahko z uporabo nadzorovane količine nečistoč v njih določimo stopnjo prevodnosti v teh notranjih materialih.

V te materiale lahko vnesemo vrste nečistoč, imenovane darovalci ali akceptorji, da jih izboljšamo bodisi s prostimi elektroni bodisi s prostimi luknjami.

V teh procesih, ko se notranji snovi doda nečistota v razmerju 1 nečistočni atom na 10 milijonov atomov polprevodniškega materiala, se to imenuje Doping .

Z uvedbo zadostne nečistoče bi se lahko polprevodniški material preoblikoval v material tipa N ali P.

Silicij je med najbolj priljubljenimi polprevodniškimi materiali, saj ima čez svojo zunanjo lupino 4 valentne elektrone, obdan pa je tudi s sosednjimi atomi, ki tvorijo skupno orbito 8 elektronov.

Vezava med obema atomoma silicija je razvita tako, da omogoča delitev enega elektrona s sosednjim atomom, kar vodi do dobre stabilne vezi.

V čisti obliki ima lahko silicijev kristal zelo malo prostih valenčnih elektronov, kar mu pripisuje lastnosti dobrega izolatorja z izjemnimi vrednostmi upora.

Priključitev silicijevega materiala na potencialno razliko ne bo pomagala nobenemu prevodu, razen če se vanj ustvarijo neke vrste pozitivne ali negativne polaritete.

Da bi ustvarili take polarnosti, se v te materiale vključi postopek dopinga z dodajanjem nečistoč, kot je razloženo v prejšnjih odstavkih.

Razumevanje strukture silicijevega atoma

Na zgornjih slikah vidimo, kako izgleda struktura običajne čiste silicijeve kristalne rešetke. Za nečistoče se v polprevodniške kristale običajno vnesejo materiali, kot so arzen, antimon ali fosfor, ki jih spremenijo v zunanje, kar pomeni, da imajo nečistoče.

Omenjene nečistoče so sestavljene iz 5 elektronov v njihovem najbolj zunanjem pasu, imenovanem 'peterovalentna' nečistoča, za delitev s sosednjimi atomi.
To zagotavlja, da se lahko 4 med petimi atomi povežejo s sosednjimi atomi silicija, razen enega prostega elektrona, ki ga lahko sprostite, ko je priključena električna napetost.

V tem postopku, ker nečisti atomi začnejo 'darovati' vsak elektron čez njihov bližnji atom, so 'petovalentni' atomi poimenovani kot 'darovalci'.

Uporaba antimona za doping

Antimon (Sb) in fosfor (P) pogosto postaneta najboljša izbira za vnašanje 'petovalentne' nečistoče v silicij.

V antimonu je 51 elektronov nameščenih v 5 lupinah okoli njegovega jedra, medtem ko je njegov najbolj zunanji pas sestavljen iz 5 elektronov.
Zaradi tega lahko osnovni polprevodniški material pridobi dodatne tokovne elektrone, ki jim vsak pripiše negativni naboj. Zato se imenuje „material tipa N“.

Prav tako so elektroni imenovani 'večinski nosilci', luknje, ki se nato razvijajo, pa 'manjšinski nosilci'.

Ko je antimonov dopiran polprevodnik izpostavljen električnemu potencialu, se elektroni, ki se slučajno odbijejo, takoj nadomestijo s prostimi elektroni iz antimonovih atomov. Ker pa postopek sčasoma zadrži prosti elektron, ki plava znotraj dopiranega kristala, to povzroči, da gre za negativno nabit material.

V tem primeru lahko polprevodnik imenujemo N-tip, če ima gostoto dajalcev večjo od njegove akceptorske gostote. To pomeni, da je večje število prostih elektronov v primerjavi s številom lukenj, ki povzročajo negativno polarizacijo, kot je navedeno spodaj.

Razumevanje polprevodnikov tipa P

Če situacijo preučimo obratno, v polprevodniški kristal vnesemo 3-elektronsko 'trivalentno' nečistoto, na primer če vstavimo aluminij, bor ali indij, ki vsebujejo 3 elektrone v svoji valentni vezi, zato 4. vez postane nemogoče oblikovati.

Zaradi tega postane temeljita povezava težka, kar omogoča polprevodniku veliko pozitivno nabitih nosilcev. Ti nosilci se zaradi celotne veliko manjkajočih elektronov imenujejo 'luknje' v celotni polprevodniški mreži.

Zaradi prisotnosti lukenj v silicijevem kristalu se v luknjo privabi bližnji elektron, ki poskuša zapolniti režo. Ko pa elektroni to poskušajo, zapustijo svoj položaj in ustvarijo novo luknjo v prejšnjem položaju.

Ta pa privabi naslednji bližnji elektron, ki med poskusom zasedbe naslednje luknje spet pusti novo luknjo. Postopek se nadaljuje in daje vtis, da se luknje dejansko premikajo ali pretakajo skozi polprevodnik, kar običajno prepoznamo kot običajni tok toka.

Ko se zdi, da se luknje premikajo, pride do pomanjkanja elektronov, kar celotnemu dopiranemu kristalu omogoči pozitivno polarnost.

Ker je vsak nečistotni atom odgovoren za tvorjenje luknje, se te trivalentne nečistoče imenujejo 'akceptorji', ker v procesu neprekinjeno sprejemajo proste elektrone.
Bor (B) je eden od trivalentnih dodatkov, ki se popularno uporablja za zgoraj pojasnjeni postopek dopinga.

Kadar se bor uporablja kot doping, povzroči, da imajo prevodnost v glavnem pozitivno nabite nosilce.
To povzroči nastanek materiala tipa P s pozitivnimi luknjami, imenovanimi „večinski nosilci“, medtem ko se prosti elektroni imenujejo „manjšinski nosilci“.

To pojasnjuje, kako se polprevodniški osnovni material spremeni v P-tip zaradi povečane gostote njegovih akceptorskih atomov v primerjavi z donatorskimi atomi.

Kako se bor uporablja za doping?

Povzetek osnov polprevodnikov

Polprevodnik N-tipa (dopiran s petvalentno primesjo, kot je na primer antimon)

Takšni polprevodniki, dopirani s petovalentnimi nečistotnimi atomi, se imenujejo donorji, saj kažejo prevodnost skozi gibanje elektronov, zato jih imenujemo polprevodniki tipa N.
V polprevodniku N-tipa najdemo:

1. Pozitivno nabiti donatorji
2. Obilno število prostih elektronov
3. Relativno manjše število 'lukenj' v primerjavi s 'prostimi elektroni'
4. Kot posledica dopinga nastanejo pozitivno nabiti donorji in negativno nabiti prosti elektroni.
5. Uporaba potencialne razlike povzroči razvoj negativno nabitih elektronov in pozitivno nabitih lukenj.

Polprevodnik tipa P (dopiran s trivalentno primesjo, kot je na primer bor)

Takšni polprevodniki, dopirani s trovalentnimi atomi nečistoč, se imenujejo akceptorji, saj kažejo prevodnost skozi gibanje lukenj, zato jih imenujemo polprevodniki tipa P.
V polprevodniku N-tipa najdemo:

1. Negativno napolnjeni sprejemniki
2. Obilna količina lukenj
3. Relativno manjše število prostih elektronov v primerjavi s prisotnostjo lukenj.
4. Doping povzroči nastanek negativno nabitih sprejemnikov in pozitivno nabitih lukenj.
5. Uporaba napetosti povzroči nastanek pozitivno nabitih lukenj in negativno nabitih prostih elektronov.

Sami po sebi so polprevodniki tipa P in N naravno električno nevtralni.
Antimon (Sb) in bor (B) sta navadno dva materiala, ki se uporabljata kot doping člana zaradi njihove velike razpoložljivosti. Ti so imenovani tudi 'mettaloidi'.

Če pogledamo periodično tabelo, bomo našli še veliko podobnih materialov, ki imajo v zunanjem atomskem pasu 3 ali 5 elektronov. To pomeni, da lahko ti materiali postanejo primerni tudi za doping.
Periodni sistem