Grundlegende Elektronik - Halbleiter
EIN semiconductorist eine Substanz, deren spezifischer Widerstand zwischen den Leitern und Isolatoren liegt. Die Eigenschaft des spezifischen Widerstands ist nicht die einzige, die ein Material als Halbleiter bestimmt, aber sie hat nur wenige Eigenschaften wie folgt.
Halbleiter haben einen spezifischen Widerstand, der geringer als Isolatoren und höher als Leiter ist.
Halbleiter haben einen negativen Temperaturkoeffizienten. Der Widerstand in Halbleitern nimmt mit sinkender Temperatur zu und umgekehrt.
Die Leitfähigkeitseigenschaften eines Halbleiters ändern sich, wenn eine geeignete metallische Verunreinigung hinzugefügt wird, was eine sehr wichtige Eigenschaft ist.
Halbleiterbauelemente werden häufig auf dem Gebiet der Elektronik eingesetzt. Der Transistor hat die sperrigen Vakuumröhren ersetzt, wodurch die Größe und die Kosten der Geräte verringert wurden, und diese Revolution hat ihr Tempo weiter erhöht, was zu neuen Erfindungen wie der integrierten Elektronik führte. Die folgende Abbildung zeigt die Klassifizierung von Halbleitern.
Leitung in Halbleitern
Nachdem wir einige Kenntnisse über die Elektronen hatten, stellten wir fest, dass die äußerste Schale die valence electronsdie lose an den Kern gebunden sind. Bei einem solchen Atom, das Valenzelektronen hat, wenn es dem anderen Atom nahe gebracht wird, verbinden sich die Valenzelektronen dieser beiden Atome zu „Electron pairs”. Diese Bindung ist nicht so stark und daher ist es eineCovalent bond.
Zum Beispiel hat ein Germaniumatom 32 Elektronen. 2 Elektronen im ersten Orbit, 8 im zweiten Orbit, 18 im dritten Orbit und 4 im letzten Orbit. Diese 4 Elektronen sind Valenzelektronen des Germaniumatoms. Diese Elektronen neigen dazu, sich mit Valenzelektronen benachbarter Atome zu verbinden, um die Elektronenpaare zu bilden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Schaffung eines Lochs
Aufgrund der dem Kristall zugeführten Wärmeenergie neigen einige Elektronen dazu, sich von ihrem Platz zu entfernen und die kovalenten Bindungen aufzubrechen. Diese gebrochenen kovalenten Bindungen führen zu freien Elektronen, die zufällig wandern. Aber diemoved away electrons schafft einen leeren Raum oder eine Valenz dahinter, die als a bezeichnet wird hole.
Dieses Loch, das ein fehlendes Elektron darstellt, kann als positive Ladungseinheit betrachtet werden, während das Elektron als negative Ladungseinheit betrachtet wird. Die freigesetzten Elektronen bewegen sich zufällig, aber wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, bewegen sich diese Elektronen in entgegengesetzter Richtung zum angelegten Feld. Die Löcher, die durch das Fehlen von Elektronen entstehen, bewegen sich jedoch in Richtung des angelegten Feldes.
Lochstrom
Es versteht sich bereits, dass beim Aufbrechen einer kovalenten Bindung ein Loch entsteht. Tatsächlich besteht eine starke Tendenz des Halbleiterkristalls, eine kovalente Bindung zu bilden. Ein Loch existiert also nicht in einem Kristall. Dies kann besser durch die folgende Abbildung verstanden werden, die ein Halbleiterkristallgitter zeigt.
Wenn ein Elektron von einem Ort A verschoben wird, wird ein Loch gebildet. Aufgrund der Tendenz zur Bildung einer kovalenten Bindung wird ein Elektron von B nach A verschoben. Um die kovalente Bindung bei B wieder auszugleichen, wird ein Elektron von C nach B verschoben. Dies baut weiterhin einen Pfad auf. Diese Bewegung des Lochs in Abwesenheit eines angelegten Feldes ist zufällig. Wenn jedoch ein elektrisches Feld angelegt wird, driftet das Loch entlang des angelegten Feldes, das das bildethole current. Dies wird als Lochstrom, aber nicht als Elektronenstrom bezeichnet, da die Bewegung der Löcher zum Stromfluss beiträgt.
Elektronen und Löcher können sich in zufälliger Bewegung begegnen, um Paare zu bilden. Diese Rekombination führt zur Freisetzung von Wärme, die eine weitere kovalente Bindung aufbricht. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt die Erzeugungsrate von Elektronen und Löchern zu, wodurch die Rekombinationsrate zunimmt, was zu einer Zunahme der Dichte von Elektronen und Löchern führt. Infolgedessen nimmt die Leitfähigkeit des Halbleiters zu und der spezifische Widerstand ab, was den negativen Temperaturkoeffizienten bedeutet.
Eigenhalbleiter
Ein Halbleiter in seiner extrem reinen Form soll ein sein intrinsic semiconductor. Die Eigenschaften dieses reinen Halbleiters sind wie folgt:
- Die Elektronen und Löcher werden ausschließlich durch thermische Anregung erzeugt.
- Die Anzahl der freien Elektronen entspricht der Anzahl der Löcher.
- Die Leitfähigkeit ist bei Raumtemperatur gering.
Um die Leitfähigkeit des intrinsischen Halbleiters zu erhöhen, ist es besser, einige Verunreinigungen hinzuzufügen. Dieser Vorgang des Hinzufügens von Verunreinigungen wird als bezeichnetDoping. Dieser dotierte intrinsische Halbleiter wird nun als extrinsischer Halbleiter bezeichnet.
Doping
Das Hinzufügen von Verunreinigungen zu den Halbleitermaterialien wird als Dotierung bezeichnet. Die zugesetzten Verunreinigungen sind im allgemeinen fünfwertige und dreiwertige Verunreinigungen.
Pentavalent Impurities
Das pentavalentVerunreinigungen sind diejenigen, die fünf Valenzelektronen in der äußersten Umlaufbahn haben. Beispiel: Wismut, Antimon, Arsen, Phosphor
Das fünfwertige Atom heißt a donor atom weil es ein Elektron an das Leitungsband eines reinen Halbleiteratoms abgibt.
Trivalent Impurities
Das trivalentVerunreinigungen sind diejenigen, die drei Valenzelektronen in der äußersten Umlaufbahn haben. Beispiel: Gallium, Indium, Aluminium, Bor
Das dreiwertige Atom heißt als acceptor atom weil es ein Elektron vom Halbleiteratom akzeptiert.
Extrinsischer Halbleiter
Ein unreiner Halbleiter, der durch Dotieren eines reinen Halbleiters gebildet wird, wird als bezeichnet extrinsic semiconductor. Abhängig von der Art der hinzugefügten Verunreinigung gibt es zwei Arten von extrinsischen Halbleitern. Sie sind extrinsische Halbleiter vom N-Typ und extrinsische Halbleiter vom P-Typ.
Extrinsischer Halbleiter vom N-Typ
Eine kleine Menge fünfwertiger Verunreinigungen wird einem reinen Halbleiter zugesetzt, um einen extrinsischen Halbleiter vom N-Typ zu ergeben. Die hinzugefügte Verunreinigung hat 5 Valenzelektronen.
Wenn beispielsweise dem Germaniumatom ein Arsenatom hinzugefügt wird, werden vier der Valenzelektronen an die Ge-Atome gebunden, während ein Elektron als freies Elektron verbleibt. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Alle diese freien Elektronen bilden einen Elektronenstrom. Daher liefert die Verunreinigung, wenn sie zu reinem Halbleiter gegeben wird, Elektronen zur Leitung.
In extrinsischen Halbleitern vom N-Typ sind die Elektronen Majoritätsträger und die Löcher Minoritätsträger, da die Leitung durch Elektronen erfolgt.
Da keine positiven oder negativen Ladungen hinzugefügt werden, sind die Elektronen elektrisch neutral.
Wenn ein elektrisches Feld an einen Halbleiter vom N-Typ angelegt wird, zu dem eine fünfwertige Verunreinigung hinzugefügt wird, wandern die freien Elektronen in Richtung der positiven Elektrode. Dies wird als negative Leitfähigkeit oder Leitfähigkeit vom N-Typ bezeichnet.
Extrinsischer Halbleiter vom P-Typ
Eine kleine Menge dreiwertiger Verunreinigungen wird zu einem reinen Halbleiter gegeben, um einen extrinsischen Halbleiter vom P-Typ zu ergeben. Die hinzugefügte Verunreinigung hat 3 Valenzelektronen. Wenn zum Beispiel dem Germaniumatom ein Boratom hinzugefügt wird, werden drei der Valenzelektronen an die Ge-Atome gebunden, um drei kovalente Bindungen zu bilden. Ein weiteres Elektron in Germanium bleibt jedoch ohne Bindung. Da im Bor kein Elektron mehr vorhanden ist, um eine kovalente Bindung zu bilden, wird der Raum als Loch behandelt. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die Borverunreinigung liefert, wenn sie in einer kleinen Menge zugesetzt wird, eine Anzahl von Löchern, die bei der Leitung helfen. Alle diese Löcher bilden einen Lochstrom.
In extrinsischen Halbleitern vom P-Typ sind die Löcher, da die Leitung durch Löcher stattfindet, Majoritätsträger, während die Elektronen Minoritätsträger sind.
Die hier hinzugefügte Verunreinigung liefert Löcher, die als bezeichnet werden acceptors, weil sie Elektronen von den Germaniumatomen aufnehmen.
Da die Anzahl der beweglichen Löcher gleich der Anzahl der Akzeptoren bleibt, bleibt der Ptype-Halbleiter elektrisch neutral.
Wenn ein elektrisches Feld an einen Halbleiter vom P-Typ angelegt wird, zu dem eine dreiwertige Verunreinigung hinzugefügt wird, bewegen sich die Löcher in Richtung einer negativen Elektrode, jedoch langsamer als Elektronen. Dies wird als Leitfähigkeit vom P-Typ bezeichnet.
Bei dieser Leitfähigkeit vom P-Typ bewegen sich die Valenzelektronen im Gegensatz zum N-Typ von einer kovalenten Bindung zur anderen.
Warum wird Silizium in Halbleitern bevorzugt?
Unter den Halbleitermaterialien wie Germanium und Silizium ist das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung verschiedener elektronischer Komponenten Silicon (Si). Silizium wird aus vielen Gründen gegenüber Germanium bevorzugt, wie z.
Die Energiebandlücke beträgt 0,7ev, während sie für Germanium 0,2ev beträgt.
Die Erzeugung von Wärmepaaren ist kleiner.
Die Bildung einer SiO2-Schicht ist für Silizium einfach, was bei der Herstellung vieler Komponenten zusammen mit der Integrationstechnologie hilft.
Si ist in der Natur leicht zu finden als Ge.
In Bauteilen aus Si ist das Rauschen geringer als in Ge.
Daher wird Silizium bei der Herstellung vieler elektronischer Komponenten verwendet, die zur Herstellung verschiedener Schaltungen für verschiedene Zwecke verwendet werden. Diese Komponenten haben individuelle Eigenschaften und besondere Verwendungszwecke.
Die wichtigsten elektronischen Komponenten umfassen: Widerstände, variable Widerstände, Kondensatoren, variable Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden, Tunneldioden, Varaktordioden, Transistoren, BJTs, UJTs, FETs, MOSFETs, LDR, LED, Solarzellen, Thermistor, Varistor, Transformator, Schalter , Relais usw.