Vật liệu - Giới thiệu
Mỗi materialtrong tự nhiên có những thuộc tính nhất định. Các thuộc tính này xác định hành vi của vật liệu. Khoa học vật liệu là một nhánh của điện tử liên quan đến việc nghiên cứu dòng chảy của các electron trong các vật liệu hoặc không gian khác nhau, khi chúng chịu các điều kiện khác nhau.
Do sự xen kẽ của các nguyên tử trong chất rắn, thay vì các mức năng lượng đơn lẻ, sẽ có các dải mức năng lượng được hình thành. Tập hợp các mức năng lượng này, được đóng gói chặt chẽ được gọi làEnergy bands.
Các loại vật liệu
Dải năng lượng trong đó các điện tử hóa trị được gọi là Valence band, trong khi vùng có các điện tử dẫn được gọi là Conduction band. Khoảng cách năng lượng giữa hai dải này được gọi làForbidden energy gap.
Về mặt điện tử, các vật liệu được phân loại rộng rãi thành Chất cách điện, Chất bán dẫn và Chất dẫn điện.
Insulators- Chất cách điện là những vật liệu không thể dẫn điện được do khe hở cấm lớn. Ví dụ: Gỗ, Cao su.
Semiconductors- Chất bán dẫn là những vật liệu trong đó khoảng trống năng lượng bị cấm là nhỏ và sự dẫn điện xảy ra nếu có một số năng lượng bên ngoài tác dụng. Ví dụ: Silicon, Germanium.
Conductors- Chất dẫn điện là những vật liệu trong đó khoảng trống năng lượng bị cấm biến mất khi vùng hoá trị và vùng dẫn trở nên rất gần nhau và chúng chồng lên nhau. Ví dụ: Đồng, Nhôm.
Trong số cả ba, chất cách điện được sử dụng khi điện trở suất đối với điện là mong muốn và chất dẫn điện được sử dụng khi độ dẫn điện phải cao. Các chất bán dẫn là những chất làm nảy sinh mối quan tâm cụ thể về cách chúng được sử dụng.
Chất bán dẫn
A Semiconductorlà chất có điện trở suất nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Tính chất của điện trở suất không phải là đặc tính duy nhất quyết định vật liệu làm chất bán dẫn, nhưng nó có một số tính chất như sau.
Chất bán dẫn có điện trở suất nhỏ hơn chất cách điện và hơn chất dẫn điện.
Chất bán dẫn có đồng nhiệt độ âm. Điện trở trong chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ giảm và ngược lại.
Đặc tính dẫn điện của Chất bán dẫn thay đổi, khi một tạp chất kim loại thích hợp được thêm vào nó, đây là một đặc tính rất quan trọng.
Các thiết bị bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử. Bóng bán dẫn đã thay thế các ống chân không cồng kềnh, từ đó kích thước và giá thành của các thiết bị giảm xuống và cuộc cách mạng này không ngừng tăng tốc dẫn đến những phát minh mới như điện tử tích hợp. Chất bán dẫn có thể được phân loại như hình dưới đây.
Một chất bán dẫn ở dạng cực kỳ tinh khiết được cho là intrinsic semiconductor. Nhưng khả năng dẫn truyền của dạng tinh khiết này quá thấp. Để tăng khả năng dẫn điện của chất bán dẫn nội tại, tốt hơn nên pha thêm một số tạp chất. Quá trình thêm tạp chất này được gọi làDoping. Bây giờ, chất bán dẫn nội tại pha tạp chất này được gọi làExtrinsic Semiconductor.
Các tạp chất được thêm vào, nói chung là pentavalent và trivalenttạp chất. Tùy thuộc vào các loại tạp chất này, việc phân loại khác được thực hiện. Khi mộtpentavalent tạp chất được thêm vào chất bán dẫn tinh khiết, nó được gọi là N-type extrinsic Semiconductor. Đồng thời, khi mộttrivalent tạp chất được thêm vào chất bán dẫn tinh khiết, nó được gọi là P-type extrinsic Semiconductor.
Giao lộ PN
Khi một electron di chuyển khỏi vị trí của nó, một lỗ trống được cho là sẽ được hình thành ở đó. Vì vậy, một lỗ trống là sự vắng mặt của một electron. Nếu một electron được cho là di chuyển từ cực âm sang cực dương, điều đó có nghĩa là một lỗ trống đang được chuyển từ cực dương sang cực âm.
Các vật liệu được đề cập ở trên là những điều cơ bản của công nghệ bán dẫn. CácN-type vật liệu được hình thành bằng cách thêm các tạp chất pentavalent đã electrons as its majority carriersvà lỗ hổng như những người mang thiểu số. Trong khiP-type vật liệu được hình thành bằng cách thêm các tạp chất hóa trị ba có holes as its majority carriers và các electron là hạt tải điện thiểu số.
Chúng ta hãy thử tìm hiểu điều gì sẽ xảy ra khi vật liệu P và N kết hợp với nhau.
Nếu vật liệu loại P và vật liệu loại N được đặt lại gần nhau, cả hai chúng sẽ tham gia tạo thành một đường giao nhau, như thể hiện trong hình bên dưới.
Vật liệu loại P có holes như là majority carriers và vật liệu loại N có electrons như là majority carriers. Khi thu hút các điện tích trái dấu, một số lỗ trống ở loại P có xu hướng đi về phía n, trong khi một số electron ở loại N có xu hướng đi về phía P.
Khi cả hai di chuyển về phía đường giao nhau, các lỗ trống và các điện tử tái kết hợp với nhau để trung hòa và tạo thành các ion. Bây giờ, trong đường giao nhau này, tồn tại một vùng nơi các ion âm và dương được hình thành, được gọi làPN junction hoặc rào chắn đường giao nhau như trong hình.
Sự hình thành các ion âm ở phía P và các ion dương ở phía N dẫn đến việc hình thành một vùng tích điện hẹp ở hai bên của điểm nối PN. Khu vực này hiện không có các nhà cung cấp dịch vụ di chuyển phí. Các ion hiện diện ở đây đã đứng yên và duy trì một vùng không gian giữa chúng mà không có bất kỳ hạt mang điện tích nào.
Vì vùng này hoạt động như một rào cản giữa các vật liệu loại P và N, vùng này còn được gọi là Barrier junction. Tên này có một tên gọi khác làDepletion regioncó nghĩa là nó làm cạn kiệt cả hai khu vực. Xảy ra sự khác biệt điện thế V D do sự hình thành các ion, qua đường giao nhau được gọi làPotential Barriervì nó ngăn cản sự di chuyển thêm của các lỗ trống và các electron qua đường giao nhau. Sự hình thành này được gọi làDiode.
Xu hướng của một Diode
Khi một diode hoặc bất kỳ hai thành phần đầu cuối nào được kết nối trong một mạch, nó có hai điều kiện phân cực với nguồn cung cấp nhất định. họ đangForward biased điều kiện và Reverse biased tình trạng.
Điều kiện thiên vị chuyển tiếp
Khi một diode được kết nối trong một mạch, với anode to the positive thiết bị đầu cuối và cathode to the negative đầu cuối của nguồn cung cấp, khi đó kết nối như vậy được cho là forward biased tình trạng.
Loại kết nối này làm cho mạch ngày càng phân cực thuận hơn và giúp dẫn truyền nhiều hơn. Một diode dẫn điện tốt trong điều kiện phân cực thuận.
Điều kiện thiên vị ngược
Khi một diode được kết nối trong một mạch, với anode to the negative thiết bị đầu cuối và cathode to the positive đầu cuối của nguồn cung cấp, khi đó kết nối như vậy được cho là Reverse biased tình trạng.
Loại kết nối này làm cho mạch ngày càng bị phân cực ngược và giúp giảm thiểu và ngăn chặn sự dẫn điện. Một diode không thể dẫn trong điều kiện phân cực ngược.
Với những thông tin trên, bây giờ chúng ta đã hiểu rõ về mối nối PN là gì. Với kiến thức này, chúng ta hãy chuyển sang và tìm hiểu về bóng bán dẫn trong chương tiếp theo.