1.1 Pengenalan kepada semikonduktor
Peranti semikonduktor adalah komponen asas litar elektronik, dan ia diperbuat daripada bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor ditakrifkan sebagai bahan dengan kekonduksian elektrik antara konduktor dan penebat. Di samping mempunyai kekonduksian antara konduktor dan penebat, semikonduktor juga memiliki sifat berikut:
1, kenaikan suhu dapat meningkatkan kekonduksian semikonduktor. Sebagai contoh, resistiviti silikon tulen (Si) berganda apabila suhu meningkat dari 30 darjah hingga 20 darjah.
2, jumlah kekotoran (kehadiran dan kepekatan mereka) secara drastik dapat mengubah kekonduksian semikonduktor. Sebagai contoh, jika satu atom pencemaran (seperti +3 atau +5 elemen valensi) diperkenalkan per juta atom silikon, resistiviti pada suhu bilik (27 darjah; 214,000 Ω · cm hingga 0.2 Ω · cm.
3, pendedahan cahaya dapat meningkatkan kekonduksian semikonduktor. Sebagai contoh, filem kadmium sulfida (CDS) yang didepositkan pada substrat penebat mempunyai rintangan beberapa megohms (MΩ) jika tiada cahaya, tetapi di bawah pencahayaan, rintangan jatuh ke beberapa puluhan kilohms (kΩ).
4, selain itu, medan magnet dan elektrik juga dapat mengubah kekonduksian semikonduktor.
Oleh itu, semikonduktor adalah bahan dengan kekonduksian antara konduktor dan penebat, dan sifat intrinsiknya sangat mudah terdedah kepada perubahan ketara disebabkan oleh faktor luaran seperti cahaya, haba, magnet, medan elektrik, dan mengesan kepekatan kekotoran.
Memandangkan sifat -sifat yang berfaedah ini, semikonduktor boleh digunakan dengan berkesan. Khususnya, perbincangan seterusnya mengenai diod, transistor, dan transistor kesan bidang akan menunjukkan bagaimana sifat kekotoran jejak yang ketara mengubah kekonduksian semikonduktor dimanfaatkan.
1.2 Semikonduktor intrinsik
Bagaimanakah kita memperkenalkan kekotoran kepada semikonduktor? Bolehkah kita secara langsung menambah kekotoran kepada kuarza semulajadi (komponen utamanya adalah Si)? Kita tidak boleh menggunakan silikon semulajadi secara langsung kerana ia mengandungi pelbagai kekotoran, yang menjadikan kekonduksiannya tidak terkawal. Untuk berfungsi sebagai bahan asas untuk semua semikonduktor, matlamat utama adalah untuk mencapai kekonduksian yang dapat dikawal.
Oleh itu, kita perlu membersihkan silikon semulajadi ke dalam struktur kristal silikon tulen. Struktur kristal semikonduktor tulen ini dirujuk sebagai semikonduktor intrinsik.
Ciri -ciri semikonduktor intrinsik: (semikonduktor intrinsik adalah struktur kristal tulen)
1, kesucian, tidak bermakna kekotoran.
2, struktur kristal, mewakili kestabilan. Atom terikat antara satu sama lain, menghalang pergerakan bebas, yang mengakibatkan kekonduksian yang lebih rendah berbanding silikon semulajadi.
1.2.1 Struktur kristal semikonduktor intrinsik
Dalam kimia, kita mengetahui bahawa elektron paling luar dua atom silikon bersebelahan (SI) dalam kristal menjadi elektron bersama, membentuk ikatan kovalen. Walau bagaimanapun, tidak semua elektron paling luar bagi setiap atom Si kekal ketat dalam ikatan kovalen mereka sendiri. Alasannya ialah bahan yang wujud dalam persekitaran dengan suhu. Sebagai tambahan kepada gerakan yang diperintahkan, elektron paling luar juga menjalani gerakan gerakan gerakan terma-due kepada pengaruh suhu. Kadang -kadang, elektron mungkin mempunyai tenaga yang lebih tinggi daripada atom lain, yang membolehkannya membebaskan diri dari ikatan kovalen dan menjadi elektron bebas. Walaupun dengan sedikit tenaga, elektron paling luar konduktor dapat menghasilkan gerakan arah.
Semikonduktor intrinsik bebas daripada kekotoran. Apabila elektron bebas dari ikatan kovalen, ia meninggalkan kekosongan yang dikenali sebagai lubang. Dalam semikonduktor intrinsik, bilangan elektron bebas adalah sama dengan bilangan lubang, dan mereka dihasilkan secara berpasangan. Struktur kristal, lubang, dan elektron bebas digambarkan dalam gambar di bawah:
1.2.1 Struktur Kristal Semikonduktor Intrinsik (Sambungan)
Sekiranya medan elektrik luaran digunakan di seluruh semikonduktor intrinsik:
1, elektron bebas bergerak secara langsung, membentukarus elektron.
2, disebabkan oleh kehadiran lubang, elektron valensi bergerak ke arah tertentu untuk mengisi lubang -lubang ini, menyebabkan lubang juga menjalani pergerakan arah (kerana elektron dan lubang bebas dihasilkan secara berpasangan). Pergerakan lubang ini membentuk asemasa lubang. Sebagai elektron dan lubang bebas membawa caj yang bertentangan dan bergerak ke arah yang bertentangan, jumlah arus dalam semikonduktor intrinsik adalah jumlah kedua arus ini.
Fenomena di atas menunjukkan bahawa kedua -dua lubang dan elektron bebas bertindak sebagai zarah yang membawa caj elektrik (zarah tersebut dipanggilpembawa caj). Oleh itu, kedua -duanya adalah pembawa caj. Ini membezakan semikonduktor intrinsik dari konduktor: Dalam konduktor, hanya terdapat satu jenis pembawa caj, sedangkan dalam semikonduktor intrinsik, terdapat dua jenis pembawa caj.
1.2.2 Kepekatan pembawa dalam semikonduktor intrinsik
Fenomena di mana semikonduktor menjana pasangan lubang elektron percuma di bawah pengujaan terma dipanggilpengujaan intrinsik.
Semasa gerakan rawak elektron bebas, apabila mereka menemui lubang, elektron bebas dan lubang secara serentak hilang. Fenomena ini dipanggilrekombinasi. Bilangan pasangan lubang elektron bebas yang dihasilkan oleh pengujaan intrinsik sama dengan bilangan pasangan lubang elektron bebas yang rekombin, mencapai keseimbangan dinamik. Ini bermakna bahawa pada suhu tertentu, kepekatan elektron dan lubang bebas adalah sama.
Apabila suhu ambien meningkat, gerakan haba semakin meningkat, dan lebih banyak elektron bebas melepaskan diri dari kekangan elektron valensi, yang membawa kepada peningkatan lubang. Oleh itu, kepekatan pembawa meningkat, meningkatkan kekonduksian. Sebaliknya, apabila suhu berkurangan, kepekatan pembawa berkurangan, mengurangkan kekonduksian. Apabila suhu jatuh ke sifar mutlak (0 K), elektron valensi tidak mempunyai tenaga untuk melepaskan diri dari ikatan kovalen, tidak mengakibatkan kekonduksian.
Dalam semikonduktor intrinsik, kekonduksian melibatkan pergerakan dua jenis pembawa caj. Walaupun kekonduksian semikonduktor intrinsik bergantung kepada suhu, ia tetap sangat miskin kerana struktur kristal mereka. Walaupun kekonduksian mereka yang lemah, semikonduktor intrinsik mempamerkan kawalan yang kuat dalam sifat konduktif mereka.
1.3 semikonduktor doped
Bahagian ini akan menjelaskan mengapa semikonduktor intrinsik mempamerkan kawalan yang kuat dalam kekonduksian. Di sini, kami akan menggunakan harta semikonduktor berikut:jejak kekotoran dapat mengubah kekonduksian mereka dengan ketara.
"Doping" merujuk kepada proses memperkenalkan unsur -unsur kekotoran yang sesuai ke dalam semikonduktor intrinsik. Bergantung pada jenis elemen kekotoran yang ditambah, semikonduktor doped dapat diklasifikasikan ke dalamN-jenis semikonduktordanSemikonduktor p-jenis. Dengan mengawal kepekatan unsur -unsur kekotoran, kekonduksian semikonduktor doped dapat dikawal dengan tepat.
1.3.1 N-jenis semikonduktor
"N" bermaksudNegatif, kerana elektron membawa caj negatif dan ringan. Untuk memperkenalkan elektron tambahan ke dalam struktur kristal, unsur -unsur pentavalen (contohnya, fosforus, p) biasanya doped ke dalam semikonduktor. Oleh kerana atom fosforus mempunyai lima elektron valensi, selepas membentuk ikatan kovalen dengan atom silikon sekitar, satu elektron tambahan kekal. Elektron ini dengan mudah boleh menjadi elektron bebas dengan input tenaga yang minimum. Atom kekotoran, yang kini ditetapkan dalam kisi kristal dan kekurangan elektron, menjadi ion positif yang tidak bergerak. Ini digambarkan dalam gambar di bawah:
1.3.1 N-Type Semiconductor (Sambungan)
Dalam semikonduktor N-jenis, kepekatan elektron bebas lebih besar daripada lubang. Oleh itu, elektron bebas dipanggilpembawa majoriti(pengganda), sementara lubang dipanggilpembawa minoriti(kanak -kanak bawah umur). Oleh itu, kekonduksian semikonduktor N-jenis terutamanya bergantung kepada elektron bebas. Semakin tinggi kepekatan kekotoran doped, semakin besar kepekatan pembawa majoriti, dan semakin kuat kekonduksian.
Marilah kita mengkaji bagaimana kepekatan pembawa minoriti berubah apabila kepekatan pembawa majoriti meningkat. Kepekatan pembawa minoriti berkurangan kerana peningkatan bilangan elektron bebas menimbulkan kebarangkalian rekombinasi dengan lubang.
Apabila suhu meningkat, bilangan pembawa meningkat, dan peningkatan dalam pembawa majoriti adalah sama dengan peningkatan pembawa minoriti. Walau bagaimanapun, perubahan peratusan dalam kepekatan pembawa minoriti adalah lebih tinggi daripada pembawa majoriti (disebabkan oleh kepekatan asas minoriti dan jurusan yang berlainan, walaupun peningkatan berangka adalah sama). Oleh itu, walaupun kepekatan pembawa minoriti adalah rendah, mereka tidak boleh dipandang rendah. Pembawa minoriti adalah faktor kritikal yang mempengaruhi kestabilan suhu peranti semikonduktor, dan oleh itu kepekatan mereka juga harus dipertimbangkan.
1.3.2 P-jenis semikonduktor
"P" bermaksudPositif, dinamakan sempena lubang positif. Untuk memperkenalkan lubang tambahan ke dalam struktur kristal, unsur -unsur trivalen (contohnya, boron, b) biasanya doped ke dalam semikonduktor. Apabila atom boron membentuk ikatan kovalen dengan atom silikon di sekeliling, ia mewujudkan kekosongan (yang neutral elektrik). Apabila elektron valensi dari atom silikon jiran mengisi kekosongan ini, ikatan kovalen menghasilkan lubang. Atom kekotoran kemudian menjadi ion negatif yang tidak bergerak. Ini digambarkan dalam gambar di bawah:
1.3.2 Semikonduktor P-Type (diteruskan)
Berbanding dengan semikonduktor N-jenis, dalam semikonduktor p-jenis:
Lubang adalah pembawa majoriti, manakala elektron bebas adalah pembawa minoriti.
Kekonduksian terutamanya bergantung pada lubang. Semakin tinggi kepekatan kekotoran doped, semakin besar kepekatan lubang, yang membawa kepada kekonduksian yang lebih kuat (sebagai kekosongan dalam atom kekotoran menyerap elektron). Kepekatan pembawa minoriti berkurangan.
Apabila suhu meningkat, peratusan perubahan dalam kepekatan elektron bebas lebih tinggi daripada kepekatan lubang.