Puslaidininkių pagrindų mokymasis

Šiame įraše mes išsamiai sužinome apie pagrindinius puslaidininkių įtaisų darbo principus ir tai, kaip puslaidininkių vidinė struktūra veikia veikiant elektrai.

Šių puslaidininkių medžiagų atsparumo vertė neturi nei laidininko, nei visos izoliatoriaus charakteristikos, ji yra tarp šių dviejų ribų.

Ši savybė gali apibrėžti medžiagos puslaidininkio savybę, tačiau būtų įdomu sužinoti, kaip puslaidininkis veikia tarp laidininko ir izoliatoriaus.

Atsparumas

Pagal Ohmo dėsnį elektroninio prietaiso elektrinė varža apibrėžiama kaip komponento potencialo skirtumo ir per komponentą tekančios srovės santykis.

Dabar naudojant atsparumo matavimą gali kilti viena problema, jo vertė kinta, kai keičiasi varžos medžiagos fizinis matmuo.

Pavyzdžiui, padidinus varžinės medžiagos ilgį, proporcingai didėja ir jos varžos vertė.
Panašiai, padidėjus jo storiui, jo pasipriešinimo vertė proporcingai mažėja.

Čia reikia apibrėžti medžiagą, kuri gali parodyti laidumo savybę arba prieštaravimą elektros srovei, neatsižvelgiant į jos dydį, formą ar fizinę išvaizdą.

Šios konkrečios varžos vertės išreiškimo dydis yra žinomas kaip atsparumas, kurio simbolis yra ρ, (Rho)

Varžos matavimo vienetas yra omo metras (Ω.m), ir tai gali būti suprantama kaip parametras, kuris atvirkštinis laidumui.

Norint palyginti kelių medžiagų atsparumą, jie skirstomi į 3 pagrindines kategorijas: laidininkai, izoliatorius ir puslaidininkiai. Žemiau esančioje diagramoje pateikiama reikalinga informacija:

Kaip matote aukščiau pateiktame paveikslėlyje, laidininkų, tokių kaip auksas ir sidabras, atsparumas skiriasi nežymiai, tuo tarpu izoliatorių, pvz., Kvarco ir stiklo, atsparumas gali skirtis labai skirtingai.

Taip yra dėl jų reakcijos į aplinkos temperatūrą, dėl kurios metalai yra labai efektyvūs laidininkai nei izoliatoriai

Dirigentai

Iš pirmiau pateiktos diagramos suprantame, kad laidininkai turi mažiausiai varžą, kuri paprastai gali būti mikroohmais / metras.

Dėl mažo atsparumo elektros srovė gali lengvai praeiti pro juos, nes yra didelis elektronų kiekis.

Tačiau šiuos elektronus galima stumti tik tada, kai jų slėgis yra virš laidininko, ir šis slėgis gali būti suformuotas, naudojant laidininko įtampą.

Taigi, kai laidininkas yra su teigiamo / neigiamo potencialo skirtumu, kiekvieno laidininko atomo laisvieji elektronai yra priversti atsikratyti savo tėvų atomų ir jie pradeda dreifuoti skersai laidininko, ir paprastai žinomas kaip srovės srautas .

Šių elektronų judėjimo laipsnis priklauso nuo to, kaip lengvai juos galima atlaisvinti nuo jų atomų, atsižvelgiant į įtampos skirtumą.

Metalai paprastai laikomi gerais elektros laidininkais, o auksas, sidabras, varis ir aliuminis yra geriausi tvarkingi laidininkai.

Kadangi šie laidininkai turi labai nedaug elektronų savo atomų valentinėje juostoje, jie lengvai išsiskiria potencialų skirtumu ir pradeda pereiti nuo vieno atomo prie kito atomo per procesą, vadinamą „Domino efektu“, dėl kurio srovė teka per visą dirigentas.

Nors auksas ir sidabras yra geriausi elektros laidininkai, vielos ir kabelių gamybai pirmenybė teikiama variui ir aliuminiui dėl jų mažos kainos ir gausos bei fizinio tvirtumo.

Nepaisant to, kad varis ir aliuminis yra geri elektros laidininkai, jie vis tiek turi tam tikrą atsparumą, nes niekas negali būti idealus.

Nors šių laidininkų atsparumas yra mažas, naudojant didesnes sroves, jis gali būti reikšmingas. Galų gale atsparumas didesnei šių laidininkų srovei išsisklaido kaip šiluma.

Izoliatoriai

Priešingai nei laidininkai, izoliatorius yra blogi elektros laidininkai. Paprastai jie yra nemetalų pavidalo ir turi labai mažai pažeidžiamų ar laisvų elektronų su savo pirminiais atomais.

Tai reiškia, kad šių nemetalų elektronai yra tvirtai surišti su jų pirminiais atomais, kuriuos labai sunku pašalinti taikant įtampą.

Dėl šios savybės, kai naudojama elektros įtampa, elektronai nesugeba atitolti nuo atomų, todėl elektronai neteka, todėl nevyksta laidumas.

Dėl šios savybės izoliatoriaus atsparumo vertė yra labai didelė, daugelio milijonų omų.

Gerų izoliatorių pavyzdžiai yra tokios medžiagos kaip stiklas, marmuras, PVC, plastikas, kvarcas, guma, žėrutis, bakelitas.

Kaip ir laidininkas, izoliatoriai taip pat vaidina svarbų vaidmenį pateikiant elektroniką. Be izoliatoriaus neįmanoma išskirti įtampos skirtumų grandinės pakopose, dėl kurių atsiranda trumpasis jungimas.

Pavyzdžiui, matome, kad aukštos įtampos bokštuose porcelianas ir stiklas naudojami saugiai perduodant kintamą srovę per kabelius. Laiduose mes naudojame PVC teigiamų, neigiamų gnybtų izoliacijai, o PCB - bakelitą, kad izoliuotume varinius takelius vienas nuo kito.

Puslaidininkių pagrindai

Tokios medžiagos kaip silicis (Si), germanis (Ge) ir galio arsenidas patenka į pagrindines puslaidininkines medžiagas. Taip yra todėl, kad šioms medžiagoms būdinga tai, kad elektros energija yra tarpininkaujama, todėl nėra nei tinkamo laidumo, nei tinkamos izoliacijos. Dėl šios savybės šios medžiagos yra įvardijamos kaip puslaidininkiai.

Šios medžiagos per savo atomus turi labai mažai laisvųjų elektronų, kurie yra glaudžiai suskirstyti į kristalinės grotelės rūšį. Vis dėlto elektronai sugeba išstumti ir tekėti, tačiau tik tada, kai yra naudojamos konkrečios sąlygos.

Tai pasakius, tampa įmanoma pagerinti laidumą šiuose puslaidininkiuose, įvedant arba pakeičiant tam tikrus „donoro“ ar „akceptoriaus“ atomus į kristalinį išdėstymą, leidžiant išsiskirti papildomiems „laisviesiems elektronams“ ir „skylėms“ ar atvirkščiai. atvirkščiai.

Tai įgyvendinama įvedant tam tikrą kiekį išorinės medžiagos į esamą medžiagą, pavyzdžiui, silicį ar germanį.

Pats savaime tokios medžiagos kaip silicis ir germanis yra priskiriamos vidiniams puslaidininkiams dėl ypatingai gryno cheminio pobūdžio ir visos puslaidininkinės medžiagos.

Tai taip pat reiškia, kad, pritaikydami jiems kontroliuojamą priemaišų kiekį, mes galime nustatyti laidumo greitį šiose vidinėse medžiagose.

Mes galime pristatyti priemaišų rūšis, vadinamus šių medžiagų donorais ar priėmėjais, kad sustiprintume jas laisvaisiais elektronais arba laisvomis skylėmis.

Šiuose procesuose, kai priemaiša į vidinę medžiagą pridedama proporcingai 1 priemaišos atomui 10 milijonų puslaidininkių medžiagų atomų, ji vadinama Dopingas .

Įvedus pakankamai priemaišų, puslaidininkinė medžiaga galėtų būti transformuota į N tipo arba P tipo medžiagą.

Silicis yra viena iš populiariausių puslaidininkinių medžiagų, kurios išoriniame apvalkale yra 4 valentiniai elektronai, be to, jį supa gretimi atomai, kurių bendra orbita yra 8 elektronai.

Ryšys tarp dviejų silicio atomų yra sukurtas taip, kad jis leistų dalytis vienu elektronu su gretimu atomu, o tai užtikrintų gerą stabilų ryšį.

Gryna forma silicio kristalas gali turėti labai nedaug laisvųjų valentinių elektronų, todėl jam priskiriamos gero izoliatoriaus savybės, pasižyminčios ypatingomis atsparumo vertėmis.

Silicio medžiagos sujungimas su potencialų skirtumu nepadės jokio laidumo per ją, nebent joje bus sukurta tam tikra teigiama ar neigiama poliarija.

Norint sukurti tokią poliariškumą, į šias medžiagas diegiamas dopingo procesas, pridedant priemaišų, kaip aptarta ankstesnėse dalyse.

Suprasti silicio atomo struktūrą

Aukščiau pateiktuose paveikslėliuose matome, kaip atrodo įprasto gryno silicio kristalinės gardelės struktūra. Dėl priemaišos paprastai tokios medžiagos kaip arsenas, stibis ar fosforas yra įterpiamos į puslaidininkinius kristalus, paverčiant jas išorinėmis, ty „turinčiomis priemaišų“.

Minėtos priemaišos susideda iš 5 elektronų, esančių jų tolimiausioje juostoje, vadinamoje „Pentavalentine“ priemaiša, kuriomis dalijamasi su gretimais atomais.
Tai užtikrina, kad 4 iš 5 atomų gali prisijungti prie gretimų silicio atomų, išskyrus vieną „laisvąjį elektroną“, kurį galima atlaisvinti prijungus elektros įtampą.

Šiame procese, kadangi nešvarūs atomai pradeda „dovanoti“ kiekvieną elektroną šalia jų esančio atomo, „penkiavalenčiai“ atomai vadinami „donorais“.

Antimono naudojimas dopingui

Stibis (Sb) ir fosforas (P) dažnai tampa geriausiu pasirinkimu įvedant „penkiavalentę“ silicio priemaišą.

Antimonyje 51 elektronas yra išdėstytas 5 apvalkaluose aplink jo branduolį, o išorinė juosta susideda iš 5 elektronų.
Dėl to pagrindinė puslaidininkinė medžiaga sugeba įgyti papildomų srovę nešančių elektronų, kurių kiekvienas priskiriamas neigiamu krūviu. Todėl ji vadinama „N tipo medžiaga“.

Taip pat elektronai vadinami „Daugumos nešėjais“, o vėliau atsirandančios skylės vadinamos „Mažumos nešėjais“.

Kai antimonu legiruotas puslaidininkis yra veikiamas elektrinio potencialo, elektronai, kurie atsitiks, bus nedelsiant pakeisti laisvaisiais antimono atomų elektronais. Tačiau kadangi procesas ilgainiui palaiko laisvą elektroną, plūduriuojantį legiruotame kristale, tai sukelia neigiamai įkrautą medžiagą.

Tokiu atveju puslaidininkis gali būti vadinamas N tipo, jei jo donoro tankis yra didesnis nei jo akceptoriaus tankis. Reiškia, kai laisvųjų elektronų yra daugiau nei skylių, o tai sukelia neigiamą poliarizaciją, kaip nurodyta toliau.

Suprasti P tipo puslaidininkius

Atsižvelgus į situaciją atvirkščiai, į puslaidininkinį kristalą įvedant 3 elektronų „trivalentę“ priemaišą, pavyzdžiui, įvedus aliuminį, borą ar indį, kurių valentinėje jungtyje yra 3 elektronai, todėl 4-osios jungties susidaryti tampa neįmanoma.

Dėl to sudėtingas išsamus sujungimas, leidžiantis puslaidininkiui turėti daug teigiamai įkrautų nešiklių. Šie nešikliai vadinami „skylėmis“ per visą puslaidininkių gardelę dėl daugybės trūkstamų elektronų.

Dėl to, kad silicio kristale yra skylių, netoliese esantis elektronas pritraukia skylę, bandydamas užpildyti angą. Tačiau kai tik elektronai bando tai padaryti, jis atlaisvina savo poziciją ir sukuria naują skylę ankstesnėje padėtyje.

Tai savo ruožtu pritraukia kitą netoliese esantį elektroną, kuris vėl palieka naują skylę bandydamas užimti kitą skylę. Procesas tęsia įspūdį, kad iš tikrųjų skylės juda arba teka per puslaidininkį, kurį mes paprastai pripažįstame kaip įprastą srovės srauto modelį.

Kai „skylės atrodo judančios“, atsiranda elektronų trūkumas, leidžiantis visam legiruotam kristalui įgyti teigiamą poliškumą.

Kadangi kiekvienas priemaišos atomas tampa atsakingas už skylės susidarymą, šios trivalentės priemaišos vadinamos „Akceptoriais“ dėl to, kad jos proceso metu nuolat priima laisvuosius elektronus.
Boras (B) yra vienas iš trivalentių priedų, kuris populiariai naudojamas pirmiau paaiškintam dopingo procesui.

Kai boras naudojamas kaip dopingo medžiaga, jo laidumas daugiausia turi teigiamai įkrautus nešiklius.
Dėl to sukuriama P tipo medžiaga, turinti teigiamų skylių, vadinamų „Daugumos nešėjais“, o laisvieji elektronai - „Mažumos nešėjais“.

Tai paaiškina, kaip puslaidininkių pagrindinė medžiaga virsta P tipo dėl padidėjusio jos akceptorių atomų tankio, palyginti su donoriniais atomais.

Kaip boras vartojamas dopingui

Apibendrinant puslaidininkių pagrindus

N tipo puslaidininkis (dopingas su penkiavalente priemaiša, pavyzdžiui, stibiu)

Tokie puslaidininkiai, kurie yra legiruoti penkiavalenčių priemaišų atomais, vadinami donorais, nes jie rodo laidumą per elektronų judėjimą, todėl vadinami N tipo puslaidininkiais.
N tipo puslaidininkyje randame:

1. Teigiamai apmokestinti donorai
2. Gausus laisvųjų elektronų skaičius
3. Santykinai mažesnis „skylių“ skaičius, palyginti su „laisvaisiais elektronais“
4. Dėl dopingo susidaro teigiamai įkrauti donorai ir neigiamai įkrauti laisvieji elektronai.
5. Taikant potencialų skirtumą atsiranda neigiamai įkrautų elektronų ir teigiamai įkrautų skylių.

P tipo puslaidininkis (dopingas su trivalente priemaiša, pavyzdžiui, boru)

Tokie puslaidininkiai, kurie yra sumaišyti su trivalenčiais priemaišų atomais, vadinami akceptoriais, nes jie rodo laidumą judant skylėms, todėl vadinami P tipo puslaidininkiais.
N tipo puslaidininkyje randame:

1. Neigiamai apmokestinti akceptai
2. Gausus skylių kiekis
3. Santykinai mažesnis laisvųjų elektronų skaičius, palyginti su skylių buvimu.
4. Dopingo metu atsiranda neigiamai įkrautų akceptorių ir teigiamai įkrautų skylių.
5. Pateikta įtampa sukelia teigiamai įkrautų skylių ir neigiamai įkrautų laisvųjų elektronų susidarymą.

Pats savaime P ir N tipo puslaidininkiai natūraliai būna elektra neutralūs.
Paprastai stibis (Sb) ir boras (B) yra dvi medžiagos, kurios naudojamos kaip dopingo nariai dėl jų gausumo. Jie taip pat vadinami „mettaloidais“.

Tai pasakius, jei pažvelgsite į periodinę lentelę, rasite daug kitų panašių medžiagų, turinčių 3 ar 5 elektronus jų tolimiausioje atominėje juostoje. Tai reiškia, kad šios medžiagos taip pat gali tapti tinkamos dopingo vartojimui.
Periodinė elementų lentelė