Podstawowa elektronika - półprzewodniki
ZA semiconductorjest substancją, której rezystywność znajduje się między przewodnikami i izolatorami. Właściwość rezystywności nie jest jedyną, która decyduje o materiale jako półprzewodniku, ale ma kilka następujących właściwości.
Półprzewodniki mają rezystywność mniejszą niż izolatory i większą niż przewodniki.
Półprzewodniki mają ujemny współczynnik temperaturowy. Opór w półprzewodnikach wzrasta wraz ze spadkiem temperatury i odwrotnie.
Właściwości przewodzące półprzewodnika zmieniają się po dodaniu do niego odpowiedniego metalicznego zanieczyszczenia, co jest bardzo ważną właściwością.
Urządzenia półprzewodnikowe są szeroko stosowane w dziedzinie elektroniki. Tranzystor zastąpił nieporęczne lampy próżniowe, dzięki czemu zmniejszył się rozmiar i koszt urządzeń, a rewolucja ta stale zwiększa tempo, prowadząc do nowych wynalazków, takich jak zintegrowana elektronika. Poniższa ilustracja przedstawia klasyfikację półprzewodników.
Przewodnictwo w półprzewodnikach
Po uzyskaniu pewnej wiedzy na temat elektronów, dowiedzieliśmy się, że najbardziej zewnętrzna powłoka ma valence electronsktóre są luźno przymocowane do jądra. W takim atomie, który ma elektrony walencyjne po zbliżeniu do drugiego atomu, elektrony walencyjne obu tych atomów łączą się, tworząc „Electron pairs”. Ta więź nie jest tak silna, a zatem jestCovalent bond.
Na przykład atom germanu ma 32 elektrony. 2 elektrony na pierwszej orbicie, 8 na drugiej orbicie, 18 na trzeciej orbicie, a 4 na ostatniej orbicie. Te 4 elektrony to elektrony walencyjne atomu germanu. Elektrony te mają tendencję do łączenia się z elektronami walencyjnymi sąsiednich atomów, tworząc pary elektronów, jak pokazano na poniższym rysunku.
Utworzenie otworu
Ze względu na energię cieplną dostarczaną do kryształu niektóre elektrony mają tendencję do przemieszczania się ze swojego miejsca i zrywania wiązań kowalencyjnych. Te zerwane wiązania kowalencyjne dają wolne elektrony, które wędrują losowo. Alemoved away electrons tworzy pustą przestrzeń lub wartościowość za, która jest nazywana jako a hole.
Ta dziura, która reprezentuje brakujący elektron, może być uważana za jednostkowy ładunek dodatni, podczas gdy elektron jest uważany za jednostkowy ładunek ujemny. Uwolnione elektrony poruszają się losowo, ale gdy przyłożone jest jakieś zewnętrzne pole elektryczne, elektrony te poruszają się w kierunku przeciwnym do przyłożonego pola. Ale dziury utworzone z powodu braku elektronów poruszają się w kierunku przyłożonego pola.
Hole Current
Jest już zrozumiałe, że kiedy wiązanie kowalencyjne zostaje zerwane, powstaje dziura. W rzeczywistości istnieje silna tendencja kryształu półprzewodnika do tworzenia wiązania kowalencyjnego. Tak więc w krysztale zwykle nie ma dziury. Można to lepiej zrozumieć na poniższym rysunku, przedstawiającym sieć krystaliczną półprzewodnika.
Elektron, kiedy zostaje przesunięty z miejsca A, powstaje dziura. Ze względu na tendencję do tworzenia wiązania kowalencyjnego, elektron z B zostaje przesunięty do A. Teraz, ponownie, aby zrównoważyć wiązanie kowalencyjne w B, elektron zostaje przesunięty z C do B. To kontynuuje budowę ścieżki. Ten ruch otworu przy braku zastosowanego pola jest przypadkowy. Ale kiedy jest przyłożone pole elektryczne, dziura dryfuje wzdłuż przyłożonego pola, co stanowihole current. Nazywa się to prądem dziur, ale nie prądem elektronów, ponieważ ruch dziur przyczynia się do przepływu prądu.
Elektrony i dziury w ruchu przypadkowym mogą się ze sobą spotykać, tworząc pary. Ta rekombinacja powoduje uwolnienie ciepła, które zrywa inne wiązanie kowalencyjne. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta tempo wytwarzania elektronów i dziur, a tym samym tempo rekombinacji, co skutkuje wzrostem gęstości elektronów i dziur. W efekcie przewodnictwo półprzewodnika wzrasta, a rezystywność maleje, co oznacza ujemny współczynnik temperaturowy.
Półprzewodniki wewnętrzne
Mówi się, że półprzewodnik w swojej niezwykle czystej postaci to intrinsic semiconductor. Właściwości tego czystego półprzewodnika są następujące -
- Elektrony i dziury powstają wyłącznie w wyniku wzbudzenia termicznego.
- Liczba wolnych elektronów jest równa liczbie dziur.
- Zdolność przewodzenia jest niewielka w temperaturze pokojowej.
W celu zwiększenia zdolności przewodzenia wewnętrznego półprzewodnika, lepiej jest dodać trochę zanieczyszczeń. Ten proces dodawania zanieczyszczeń nazywa sięDoping. Otóż, ten domieszkowany wewnętrzny półprzewodnik jest nazywany zewnętrznym półprzewodnikiem.
Doping
Proces dodawania zanieczyszczeń do materiałów półprzewodnikowych nazywany jest domieszkowaniem. Dodawane zanieczyszczenia są na ogół zanieczyszczeniami pięciowartościowymi i trójwartościowymi.
Pentavalent Impurities
Plik pentavalentZanieczyszczenia to te, które mają pięć elektronów walencyjnych na najbardziej zewnętrznej orbicie. Przykład: bizmut, antymon, arsen, fosfor
Atom pięciowartościowy nazywany jest a donor atom ponieważ przekazuje jeden elektron do pasma przewodzenia czystego atomu półprzewodnika.
Trivalent Impurities
Plik trivalentZanieczyszczenia to te, które mają trzy elektrony walencyjne na najbardziej zewnętrznej orbicie. Przykład: gal, ind, aluminium, bor
Trójwartościowy atom nazywany jest acceptor atom ponieważ przyjmuje jeden elektron z atomu półprzewodnika.
Zewnętrzny półprzewodnik
Zanieczyszczony półprzewodnik, który jest tworzony przez domieszkowanie czystego półprzewodnika, jest nazywany extrinsic semiconductor. Istnieją dwa typy zewnętrznych półprzewodników w zależności od rodzaju dodanych zanieczyszczeń. Są to zewnętrzne półprzewodniki typu N i zewnętrzne półprzewodniki typu P.
Zewnętrzny półprzewodnik typu N.
Niewielka ilość pięciowartościowego zanieczyszczenia jest dodawana do czystego półprzewodnika w celu uzyskania zewnętrznego półprzewodnika typu N. Dodane zanieczyszczenie ma 5 elektronów walencyjnych.
Na przykład, jeśli atom arsenu zostanie dodany do atomu germanu, cztery elektrony walencyjne zostaną połączone z atomami Ge, podczas gdy jeden elektron pozostanie jako wolny elektron. Jest to pokazane na poniższym rysunku.
Wszystkie te wolne elektrony tworzą prąd elektronowy. W związku z tym zanieczyszczenie dodane do czystego półprzewodnika zapewnia elektrony do przewodzenia.
W zewnętrznym półprzewodniku typu N, ponieważ przewodzenie odbywa się przez elektrony, elektrony są nośnikami większości, a dziury są nośnikami mniejszościowymi.
Ponieważ nie ma żadnych dodatnich ani ujemnych ładunków, elektrony są elektrycznie obojętne.
Kiedy pole elektryczne jest przykładane do półprzewodnika typu N, do którego dodaje się domieszkę pięciowartościową, wolne elektrony przemieszczają się w kierunku elektrody dodatniej. Nazywa się to przewodnictwem ujemnym lub przewodem typu N.
Zewnętrzny półprzewodnik typu P.
Niewielka ilość trójwartościowego zanieczyszczenia jest dodawana do czystego półprzewodnika w celu uzyskania zewnętrznego półprzewodnika typu P. Dodane zanieczyszczenie ma 3 elektrony walencyjne. Na przykład, jeśli atom boru zostanie dodany do atomu germanu, trzy elektrony walencyjne przyłączą się do atomów Ge, tworząc trzy wiązania kowalencyjne. Ale jeszcze jeden elektron w germanie pozostaje bez tworzenia wiązania. Ponieważ w borze nie ma już elektronu do utworzenia wiązania kowalencyjnego, przestrzeń jest traktowana jako dziura. Jest to pokazane na poniższym rysunku.
Zanieczyszczenie borem dodane w niewielkiej ilości zapewnia szereg otworów, które pomagają w przewodzeniu. Wszystkie te otwory tworzą prąd dziur.
W zewnętrznym półprzewodniku typu P, ponieważ przewodzenie odbywa się przez dziury, dziury są w większości nośnikami, podczas gdy elektrony są nośnikami mniejszościowymi.
Dodane tutaj zanieczyszczenie zapewnia dziury, które nazywane są jako acceptors, ponieważ przyjmują elektrony z atomów germanu.
Ponieważ liczba ruchomych otworów pozostaje równa liczbie akceptorów, półprzewodnik Ptype pozostaje elektrycznie obojętny.
Kiedy pole elektryczne jest przykładane do półprzewodnika typu P, do którego dodaje się trójwartościowe zanieczyszczenie, dziury przemieszczają się w kierunku elektrody ujemnej, ale z wolniejszym tempem niż elektrony. Nazywa się to przewodnictwem typu P.
W przewodnictwie typu P elektrony walencyjne przemieszczają się od jednego wiązania kowalencyjnego do drugiego, w przeciwieństwie do typu N.
Dlaczego krzem jest preferowany w półprzewodnikach?
Wśród materiałów półprzewodnikowych, takich jak german i krzem, jest szeroko stosowany materiał do produkcji różnych elementów elektronicznych Silicon (Si). Krzem jest preferowany nad germanem z wielu powodów, takich jak -
Pasmo energetyczne wynosi 0,7ev, podczas gdy dla germanu wynosi 0,2ev.
Generowanie pary termicznej jest mniejsze.
Tworzenie się warstwy SiO2 jest łatwe dla krzemu, co pomaga w produkcji wielu komponentów wraz z technologią integracji.
Si można łatwo znaleźć w naturze niż Ge.
Hałas jest mniejszy w elementach składających się z Si niż w Ge.
W związku z tym krzem jest używany do produkcji wielu elementów elektronicznych, które są używane do tworzenia różnych obwodów do różnych celów. Te składniki mają indywidualne właściwości i szczególne zastosowania.
Główne komponenty elektroniczne to - rezystory, rezystory zmienne, kondensatory, kondensatory zmienne, cewki indukcyjne, diody, diody tunelowe, diody waraktorowe, tranzystory, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, LED, ogniwa słoneczne, termistor, warystor, transformator, przełączniki , przekaźniki itp.