1.1 Kynning á hálfleiðara
Semiconductor tæki eru grundvallaratriði í rafrænum hringrásum og þau eru gerð úr hálfleiðara efnum. Hálfleiðandi efni eru skilgreind sem efni með rafleiðni milli leiðara og einangrunar. Auk þess að hafa leiðni milli leiðara og einangrara, hafa hálfleiðarar einnig eftirfarandi eiginleika:
1, hækkun á hitastigi getur verulega aukið leiðni hálfleiðara. Sem dæmi má nefna að viðnám hreint kísil (SI) tvöfaldar þegar hitastigið eykst úr 30 gráðu í 20 gráðu.
2, snefilmagn óhreininda (nærvera þeirra og einbeiting) getur breytt leiðni hálfleiðara. Til dæmis, ef eitt óhreinindi atóm (eins og +3 eða +5} gildisþáttur) er kynnt á milljón sílikonatóm, þá er viðnám við stofuhita (27 gráðu; af hverju er stofuhiti 27 gráðu? Vegna þess að alger hitastig er heiltala, T =273+ t =273+ t, og nánasta gildi fyrir t er 300 frá 214.000 Ω · cm til 0,2 Ω · cm.
3, ljós útsetning getur bætt leiðni hálfleiðara verulega. Sem dæmi má nefna að kadmíumsúlfíð (CDS) kvikmynd sem sett er á einangrunar undirlag hefur viðnám nokkurra megohms (MΩ) í fjarveru ljóss, en undir lýsingu lækkar viðnámið í nokkra tugi kílóhms (kΩ).
4, að auki geta segulmagnaðir og rafsvið einnig verulega breytt leiðni hálfleiðara.
Þess vegna eru hálfleiðarar efni með leiðni milli leiðara og einangrunar og eðlislægir eiginleikar þeirra eru mjög næmir fyrir verulegum breytingum vegna utanaðkomandi þátta eins og ljóss, hita, segulmagns, rafsviðs og styrkleika um snefil.
Í ljósi þessara hagstæðu eiginleika er hægt að nota hálfleiðara á áhrifaríkan hátt. Sérstaklega munu síðari umræður um díóða, smára og reit - áhrif smára sýna fram á hvernig eiginleiki rekja óhreininda sem breytast verulega á hálfleiðara leiðni.
1.2 Innri hálfleiðarar
Hvernig kynnum við snefil óhreinindi í hálfleiðara? Getum við beint bætt óhreinindum við náttúrulega kvars (sem aðalþátturinn er si)? Við getum ekki notað náttúrulegt sílikon beint vegna þess að það inniheldur ýmis óhreinindi, sem gera leiðni sína stjórnlaus. Til að þjóna sem grundvallarefni fyrir alla hálfleiðara er meginmarkmiðið að ná stjórnandi leiðni.
Þess vegna verðum við að hreinsa náttúrulegt kísil í hreina kísil kristalbyggingu. Þessi hreina hálfleiðari kristalbygging er vísað til sem innri hálfleiðari.
Einkenni eðlislægra hálfleiðara: (eðlislægir hálfleiðarar eru hreinar kristalbyggingar)
1, hreinleiki, sem þýðir engin óhreinindi.
2, kristalbygging, sem táknar stöðugleika. Atómin eru bundin hvert við annað og koma í veg fyrir frjálsa hreyfingu, sem hefur í för með sér enn minni leiðni miðað við náttúrulegt sílikon.
1.2.1 Kristalbygging eðlislægra hálfleiðara
Í efnafræði komumst við að því að ysta rafeindir tveggja aðliggjandi kísils (SI) atóma í kristal urðu deilt rafeindum og myndaði samgild tengsl. Hins vegar eru ekki allar ystu rafeindir hvers Si atóms stranglega innan þeirra eigin samgildra tengsla. Ástæðan fyrir þessu er sú að efnið er til í umhverfi með hitastig. Til viðbótar við pantaða hreyfingu gangast ysta rafeindirnar einnig hitauppstreymi - handahófskennda hreyfingu - vegna áhrifa hitastigs. Stundum getur rafeind haft meiri orku en önnur atóm, sem gerir henni kleift að losa sig við samgild tengsl og verða frjáls rafeind. Jafnvel með litlu magni af orku geta ysta rafeindir leiðara myndað stefnuhreyfingu.
Innri hálfleiðarar eru lausir við óhreinindi. Þegar rafeind brýtur laus við samgild tengsl, skilur hún eftir sig laus störf sem kallast gat. Í eðlislægum hálfleiðara er fjöldi ókeypis rafeinda jafnt og fjöldi holna og eru þær búnar til í pörum. Kristalbyggingin, götin og ókeypis rafeindir eru sýndar á myndinni hér að neðan:
1.2.1 Kristalbygging eðlislægra hálfleiðara (framhald)
Ef utanaðkomandi rafsvið er beitt yfir eðlislægan hálfleiðara:
1, ókeypis rafeindir hreyfa sig stefnu og myndaRafeindastraumur.
2, vegna nærveru götna, hreyfast gildisrafeindir í ákveðna átt til að fylla þessi göt, sem veldur því að götin gangast einnig undir stefnuhreyfingu (þar sem ókeypis rafeindir og göt eru búnar til í pörum). Þessi hreyfing göts myndar aholu straumur. Þar sem ókeypis rafeindir og göt bera gagnstæða hleðslu og fara í gagnstæða átt er heildarstraumurinn í innri hálfleiðara summan af þessum tveimur straumum.
Ofangreind fyrirbæri sýna fram á að bæði göt og ókeypis rafeindir virka sem agnir sem bera rafhleðslu (slíkar agnir eru kallaðarhleðslufyrirtæki). Þannig eru báðir hleðslutæki. Þetta aðgreinir eðlislæga hálfleiðara frá leiðara: í leiðara er aðeins ein tegund hleðslutæki en í innri hálfleiðara eru tvenns konar hleðslufyrirtæki.
1.2.2 Styrkur burðaraðila hjá eðlislægum hálfleiðara
Fyrirbærið þar sem hálfleiðari býr til ókeypis rafeind - gatpar undir hitauppstreymi er kallaðinnri örvun.
Meðan á handahófi hreyfingar ókeypis rafeinda stendur, þegar þær lenda í götum, hverfa ókeypis rafeindir og göt samtímis. Þetta fyrirbæri er kallaðEndurröðun. Fjöldi ókeypis rafeinda - holupara sem myndast með innri örvun jafngildir fjölda ókeypis rafeinds - gatpara sem sameinast og ná kraftmiklu jafnvægi. Þetta þýðir að við ákveðinn hitastig er styrkur frjálsra rafeinda og holna sá sami.
Þegar umhverfishitastigið hækkar magnast hitauppstreymi og fleiri frjálsar rafeindir brjótast lausar við þvingun rafeinda sem leiða til aukningar á götum. Þar af leiðandi eykst burðarstyrkur og eykur leiðni. Aftur á móti, þegar hitastigið lækkar, minnkar burðarstyrkur og dregur úr leiðni. Þegar hitastigið lækkar niður í algera núll (0 K) skortir gildisrafeindir orku til að losa sig við samgild tengsl, sem leiðir til enga leiðni.
Hjá eðlislægum hálfleiðara felur leiðni í sér hreyfingu tvenns konar hleðslufyrirtækja. Þrátt fyrir að leiðni eðlislægra hálfleiðara sé háð hitastigi, þá er hún mjög léleg vegna kristallaðrar uppbyggingar þeirra. Þrátt fyrir lélega leiðni þeirra sýna eðlislægir hálfleiðarar sterka stjórnunarhæfni í leiðandi eiginleikum þeirra.
1.3 Dópaðir hálfleiðarar
Þessi hluti mun útskýra hvers vegna eðlislægir hálfleiðarar sýna svo sterka stjórnunarhæfni í leiðni. Hér munum við nota eftirfarandi eiginleika hálfleiðara:snefilmagn óhreininda getur breytt verulega leiðni þeirra.
„Dóp“ vísar til þess að setja viðeigandi óhreinindi í innri hálfleiðara. Það fer eftir tegund óhreinindaþátta sem bætt er við, hægt er að flokka dópaða hálfleiðara íN - tegund hálfleiðaraOgP - tegund hálfleiðara. Með því að stjórna styrk óhreinindaþátta er hægt að stjórna leiðni dópaðs hálfleiðara.
1.3.1 n - tegund hálfleiðari
"N" stendur fyrirNeikvætt, eins og rafeindir bera neikvæða hleðslu og eru léttar. Til að setja viðbótar rafeindir í kristalbygginguna eru pentavalent þættir (td fosfór, p) venjulega dópaðir í hálfleiðara. Þar sem fosfóratóm er með fimm gildisrafeindir, eftir að hafa myndað samgild tengi við nærliggjandi kísilatóm, er ein auka rafeind eftir. Þessi rafeind getur auðveldlega orðið ókeypis rafeind með lágmarks orkuinntak. Óhreinleika atómið, sem nú er fest í kristalgrindurnar og skortir rafeind, verður hreyfanlegur jákvætt jón. Þetta er sýnt á myndinni hér að neðan:
1.3.1 n - tegund hálfleiðari (framhald)
Í n - er hálfleiðari er styrkur frjálsra rafeinda meiri en götin. Þess vegna kallast ókeypis rafeindirMeirihluta flutningsmenn(margfaldarar), meðan göt eru kölluðMinnihlutabifreiðar(ólögráða börn). Þannig treystir leiðni n - hálfleiðara fyrst og fremst á ókeypis rafeindir. Því hærri sem styrkur dópaðra óhreininda er, því meiri er styrkur meirihluta burðarefna og því sterkari leiðni.
Við skulum kanna hvernig styrkur minnihlutabifreiðar breytist þegar styrkur meirihlutans eykst. Styrkur minnihlutans minnkar vegna þess að aukinn fjöldi frjálsra rafeinda eykur líkurnar á endurröðun með götum.
Þegar hitastigið hækkar eykst flutningafyrirtæki og aukning meirihluta burðarefna er jöfn aukningu minnihlutabifreiðar. Hins vegar er hlutfallsbreytingin á styrk minnihlutahópa hærri en meirihluta burðarefna (vegna mismunandi grunnstyrks minnihlutahópa og aðalhlutverks, jafnvel þó að töluleg aukning sé sú sama). Þess vegna, þó að styrkur minnihlutabifreiðar sé lítill, ætti ekki að vanmeta þá. Minnihlutabifreiðar eru mikilvægur þáttur sem hefur áhrif á hitastig stöðugleika hálfleiðara tækja og því verður einnig að íhuga styrkur þeirra.
1.3.2 p - tegund hálfleiðari
„P“ stendur fyrirJákvætt, nefnt eftir jákvætt hlaðna göt. Til að setja viðbótar holur í kristalbygginguna eru þrígildir þættir (td bór, b) venjulega dópaðir í hálfleiðarann. Þegar bóratóm myndar samgild tengsl við nærliggjandi kísilatóm skapar það laust starf (sem er rafmagns hlutlaust). Þegar gildisrafeind frá nærliggjandi kísilatómi fyllir þetta starf, býr samgild binding gat. Óhreinleika atómið verður síðan hreyfanlegt neikvætt jón. Þetta er sýnt á myndinni hér að neðan:
1.3.2 p - tegund hálfleiðari (framhald)
Í samanburði við n - tegundir hálfleiðara, í p - tegund hálfleiðara:
Göt eru meirihlutaflutningsmenn en ókeypis rafeindir eru minnihlutabifreiðar.
Leiðni treystir fyrst og fremst á göt. Því hærri sem styrkur dópaðra óhreininda er, því meiri er styrkur götanna, sem leiðir til sterkari leiðni (eins og laus störf í óhreinindatómum taka upp rafeindir). Styrkur minnihlutabifreiðar minnkar.
Þegar hitastigið hækkar er prósentubreytingin á frjálsum rafeindaþéttni hærri en í holustyrk.