1.1 Introduzione ai semiconduttori
I dispositivi a semiconduttore sono componenti fondamentali dei circuiti elettronici e sono realizzati con materiali a semiconduttore. I materiali a semiconduttore sono definiti come sostanze con conduttività elettrica tra conduttori e isolanti. Oltre ad avere conduttività tra quella di conduttori e isolanti, anche i semiconduttori possiedono le seguenti proprietà:
1, un aumento della temperatura può migliorare significativamente la conduttività dei semiconduttori. Ad esempio, la resistività del silicio puro (SI) raddoppia quando la temperatura aumenta da 30 gradi a 20 gradi.
2, tracce di impurità (la loro presenza e concentrazione) possono alterare drasticamente la conduttività dei semiconduttori. Ad esempio, se un elemento di valenza di impurità (come un elemento di valenza {{3+5) viene introdotto per un milione di atomi di silicio, la resistività a temperatura ambiente (27 gradi; perché è la temperatura ambiente 27 gradi per 300 k, quindi è un intero, t {=273+ t =273+ e il valore di T -th, e il thims è un numero intero, t {=273+ t =273+ t e il valore più vicino a 300 k, quindi è un intero, t {=273+ t =273+ t e il valore più vicino a 300 k, quindi è un intero, t {=273+ t {{7} e è 214.000 Ω · cm a 0,2 Ω · cm.
3, l'esposizione alla luce può migliorare significativamente la conduttività dei semiconduttori. Ad esempio, un film di solfuro di cadmio (CDS) depositato su un substrato isolante ha una resistenza di diversi megohm (Mω) in assenza di luce, ma sotto illuminazione, la resistenza scende a diverse decine di chilohm (kω).
4, inoltre, i campi magnetici ed elettrici possono anche alterare notevolmente la conduttività dei semiconduttori.
Pertanto, i semiconduttori sono materiali con conduttività tra conduttori e isolanti e le loro proprietà intrinseche sono altamente suscettibili a cambiamenti significativi a causa di fattori esterni come luce, calore, magnetismo, campi elettrici e concentrazioni di impurità di traccia.
Date queste proprietà vantaggiose, i semiconduttori possono essere effettivamente utilizzati. In particolare, le successive discussioni su diodi, transistor e field - Transistor di effetto dimostreranno come viene sfruttata la proprietà delle impurità di traccia che alterano significativamente la conducibilità dei semiconduttori.
1.2 semiconduttori intrinseci
Come introduciamo le tracce di impurità nei semiconduttori? Possiamo aggiungere direttamente impurità al quarzo naturale (il cui componente principale è SI)? Non possiamo usare il silicio naturale direttamente perché contiene varie impurità, che rendono la sua conducibilità incontrollabile. Per servire come materiale fondamentale per tutti i semiconduttori, l'obiettivo principale è raggiungere una conducibilità controllabile.
Pertanto, dobbiamo purificare il silicio naturale in una pura struttura cristallina di silicio. Questa struttura cristallina a semiconduttore puro è definita semiconduttore intrinseca.
Caratteristiche dei semiconduttori intrinseci: (i semiconduttori intrinseci sono strutture cristalline pure)
1, purezza, che non significa impurità.
2, struttura cristallina, che rappresenta la stabilità. Gli atomi sono legati l'uno all'altro, prevenendo la libera circolazione, il che si traduce in conduttività ancora inferiore rispetto al silicio naturale.
1.2.1 Struttura cristallina dei semiconduttori intrinseci
In chimica, abbiamo appreso che gli elettroni più esterni di due atomi di silicio adiacenti (SI) in un cristallo diventano elettroni condivisi, formando legami covalenti. Tuttavia, non tutti gli elettroni più esterni di ciascun atomo di SI rimangono rigorosamente all'interno dei propri legami covalenti. La ragione di ciò è che il materiale esiste in un ambiente con temperatura. Oltre al movimento ordinato, gli elettroni più esterni subiscono anche movimento termico - movimento casuale - a causa dell'influenza della temperatura. Occasionalmente, un elettrone può possedere un'energia più elevata rispetto ad altri atomi, permettendogli di liberarsi dal legame covalente e diventare un elettrone libero. Anche con una piccola quantità di energia, gli elettroni più esterni di un conduttore possono generare movimento direzionale.
I semiconduttori intrinseci sono liberi da impurità. Quando un elettrone si libera da un legame covalente, lascia un posto vacante noto come buco. Nei semiconduttori intrinseci, il numero di elettroni liberi è uguale al numero di fori e sono generati in coppia. La struttura cristallina, i fori e gli elettroni liberi sono illustrati nella figura seguente:
1.2.1 Struttura cristallina dei semiconduttori intrinseci (continua)
Se viene applicato un campo elettrico esterno attraverso un semiconduttore intrinseco:
1, gli elettroni liberi si muovono direttamente, formando uncorrente elettronica.
2, a causa della presenza di fori, gli elettroni di valenza si muovono in una direzione specifica per riempire questi fori, causando anche un movimento direzionale dei fori (poiché gli elettroni e i fori liberi vengono generati in coppia). Questo movimento di buchi forma aCurrente del foro. Poiché gli elettroni e i fori liberi trasportano cariche opposte e si muovono in direzioni opposte, la corrente totale in un semiconduttore intrinseco è la somma di queste due correnti.
I fenomeni di cui sopra dimostrano che sia i buchi che gli elettroni liberi agiscono come particelle che trasportano carica elettrica (tali particelle sono chiamateCarrier di carica). Pertanto, entrambi sono vettori di carica. Ciò distingue i semiconduttori intrinseci dai conduttori: nei conduttori, esiste un solo tipo di portatore di carica, mentre nei semiconduttori intrinseci ci sono due tipi di portatori di carica.
1.2.2 Concentrazione del vettore nei semiconduttori intrinseci
Il fenomeno in cui un semiconduttore genera elettrone libero - coppie di fori sotto l'eccitazione termica è chiamatoEccitazione intrinseca.
Durante il movimento casuale di elettroni liberi, quando incontrano buchi, gli elettroni liberi e i buchi scompaiono contemporaneamente. Questo fenomeno si chiamaricombinazione. Il numero di elettroni liberi - coppie di fori generate dall'eccitazione intrinseca è uguale al numero di elettroni liberi - coppie di fori che si ricombinano, ottenendo un equilibrio dinamico. Ciò significa che a una certa temperatura, le concentrazioni di elettroni e buchi liberi sono uguali.
Quando la temperatura ambiente aumenta, il movimento termico si intensifica e più elettroni liberi si liberano dai vincoli degli elettroni di valenza, portando ad un aumento dei buchi. Di conseguenza, la concentrazione del vettore aumenta, migliorando la conducibilità. Al contrario, quando la temperatura diminuisce, la concentrazione del vettore diminuisce, riducendo la conducibilità. Quando la temperatura scende a zero assoluto (0 K), gli elettroni di valenza mancano dell'energia per liberarsi da legami covalenti, con conseguente conducibilità.
Nei semiconduttori intrinseci, la conduttività comporta il movimento di due tipi di portatori di carica. Sebbene la conduttività dei semiconduttori intrinseci dipenda dalla temperatura, rimane estremamente scarsa a causa della loro struttura cristallina. Nonostante la loro scarsa conducibilità, i semiconduttori intrinseci presentano una forte controllabilità nelle loro proprietà conduttive.
1.3 Semiconduttori drogati
Questa sezione spiegherà perché i semiconduttori intrinseci presentano una controllabilità così forte nella conducibilità. Qui utilizzeremo la seguente proprietà dei semiconduttori:La traccia di impurità può alterare significativamente la propria conducibilità.
"Doping" si riferisce al processo di introduzione di elementi di impurità appropriati in un semiconduttore intrinseco. A seconda del tipo di elementi di impurità aggiunti, i semiconduttori drogati possono essere classificati inN - Tipo semiconduttoriEP - Tipo semiconduttori. Controllando la concentrazione degli elementi di impurità, la conduttività del semiconduttore drogato può essere regolata con precisione.
1.3.1 n - tipo semiconduttore
"N" sta perNegativo, poiché gli elettroni trasportano una carica negativa e sono leggeri. Per introdurre ulteriori elettroni nella struttura cristallina, elementi pentavalenti (EG, fosforo, P) sono in genere drogati nel semiconduttore. Poiché un atomo di fosforo ha cinque elettroni di valenza, dopo aver formato legami covalenti con atomi di silicio circostante, rimane un elettrone extra. Questo elettrone può facilmente diventare un elettrone libero con un ingresso di energia minimo. L'atomo di impurità, ora fisso nel reticolo cristallino e privo di un elettrone, diventa uno ione positivo immobile. Questo è illustrato nella figura seguente:
1.3.1 n - tipo semiconduttore (continua)
In un semiconduttore N -, la concentrazione di elettroni liberi è maggiore di quella dei buchi. Pertanto, vengono chiamati elettroni liberivettori di maggioranza(moltiplicatori), mentre i buchi sono chiamativettori di minoranza(minori). Pertanto, la conduttività di un semiconduttore di tipo n - si basa principalmente su elettroni liberi. Maggiore è la concentrazione di impurità drogate, maggiore è la concentrazione di portatori di maggioranza e più forte la conducibilità.
Esaminiamo come la concentrazione di portatori di minoranza cambia quando aumenta la concentrazione del vettore di maggioranza. La concentrazione del vettore di minoranza diminuisce perché l'aumento del numero di elettroni liberi aumenta la probabilità di ricombinazione con buchi.
Quando la temperatura aumenta, il numero di portatori aumenta e l'aumento dei portatori di maggioranza è uguale all'aumento dei portatori di minoranza. Tuttavia, la variazione percentuale della concentrazione del vettore di minoranza è superiore a quella dei vettori di maggioranza (a causa delle diverse concentrazioni di base di minoranze e major, anche se l'aumento numerico è lo stesso). Pertanto, sebbene la concentrazione di portatori di minoranza sia bassa, non dovrebbero essere sottovalutate. I portatori di minoranza sono un fattore critico che colpisce la stabilità della temperatura dei dispositivi a semiconduttore e quindi anche la loro concentrazione deve essere considerata.
1.3.2 p - tipo semiconduttore
"P" sta perPositivo, che prende il nome dai buchi caricati positivamente. Per introdurre ulteriori fori nella struttura cristallina, gli elementi trivalenti (ad es. Boron, B) sono in genere drogati nel semiconduttore. Quando un atomo di boro forma legami covalenti con atomi di silicio circostante, crea un posto vacante (che è elettricamente neutro). Quando un elettrone di valenza da un atomo di silicio vicino riempie questo posto vacante, il legame covalente genera un buco. L'atomo di impurità diventa quindi uno ione negativo immobile. Questo è illustrato nella figura seguente:
1.3.2 p - tipo semiconduttore (continua)
Rispetto a n - tipo semiconduttori, in p - Tipo semiconduttori:
I buchi sono i vettori di maggioranza, mentre gli elettroni liberi sono i portatori di minoranza.
La conduttività si basa principalmente sui buchi. Maggiore è la concentrazione di impurità drogate, maggiore è la concentrazione di buchi, portando a una conducibilità più forte (man mano che i posti vacanti negli atomi di impurità assorbono gli elettroni). La concentrazione del vettore di minoranza diminuisce.
Quando la temperatura aumenta, la variazione percentuale della concentrazione di elettroni liberi è superiore a quella della concentrazione di fori.
