Puolijohteiden oppimisen perusteet

Puolijohteiden oppimisen perusteet

Tässä viestissä opitaan kattavasti puolijohdelaitteiden perusperiaatteista ja siitä, miten puolijohteiden sisäinen rakenne toimii sähkön vaikutuksesta.

Näiden puolijohdemateriaalien välisellä resistanssiarvolla ei ole täydellisiä johtimen ominaisuuksia eikä täydellisiä eristimiä, se on näiden kahden rajan välissä.



Tämä ominaisuus voi määritellä materiaalin puolijohdeominaisuuden, mutta olisi mielenkiintoista tietää, miten puolijohde toimii johtimen ja eristimen välillä.



Resistiivisyys

Ohmin lain mukaan elektronisen laitteen sähköinen vastus määritellään komponentin potentiaalieron ja komponentin läpi virtaavan virran suhteena.

Nyt resistanssimittauksen käyttö voi aiheuttaa yhden ongelman, sen arvo muuttuu resistiivisen materiaalin fyysisen ulottuvuuden muuttuessa.



Esimerkiksi kun resistiivisen materiaalin pituutta kasvatetaan, myös sen vastusarvo kasvaa suhteellisesti.
Vastaavasti sen paksuuden kasvaessa sen vastusarvo pienenee suhteellisesti.

Tarve tässä on määritellä materiaali, joka voi osoittaa joko johtamisen tai sähkövirran vastustuksen ominaisuuden sen koosta, muodosta tai ulkonäöstä riippumatta.

Tämän erityisen vastusarvon ilmaisemisen suuruus tunnetaan nimellä Resistanssi, jolla on symboli ρ, (Rho)



Resistiivisyyden mittayksikkö on Ohm-metri (Ω.m), ja se voidaan ymmärtää parametrina, joka kääntää johtavuutta.

Saadakseen vertailut useiden materiaalien resistanssien välillä, ne luokitellaan kolmeen pääryhmään: Johtimet, eristimet ja puolijohteet. Alla olevassa kaaviossa on tarvittavat tiedot:

Kuten yllä olevasta kuvasta näet, johtimien, kuten kullan ja hopean, resistanssissa on merkityksetön ero, kun taas eristeiden, kuten kvartsin ja lasin, resistanssissa voi olla huomattava ero.

Tämä johtuu niiden reaktiosta ympäristön lämpötilaan, joka tekee metalleista erittäin tehokkaita johtimia kuin eristimet

Kapellimestarit

Yllä olevasta kaaviosta ymmärrämme, että johtimilla on pienin ominaisvastus, joka voi tyypillisesti olla mikroohmia / metri.

Pienen resistiivisyytensä vuoksi sähkövirta pystyy kulkemaan niiden läpi helposti suuren määrän elektronien saatavuuden vuoksi.

Näitä elektroneja voidaan kuitenkin työntää vain, kun niiden paine on johtimen poikki, ja tämä paine voidaan muodostaa käyttämällä jännitettä johtimen yli.

Siten kun johdinta käytetään positiivisella / negatiivisella potentiaalierolla, johtimen jokaisen atomin vapaat elektronit pakotetaan irtoamaan vanhemmista atomeistaan ​​ja ne alkavat kulkeutua johtimen poikki, ja se tunnetaan yleisesti virran virtauksena .

Aste, jolla nämä elektronit pystyvät liikkumaan, riippuu siitä, kuinka helposti ne voidaan vapauttaa atomistaan ​​vasteena jännite-eroon.

Metalleja pidetään yleensä hyvinä sähkönjohtimina, ja metallien joukossa kulta, hopea, kupari ja alumiini ovat parhaita järjestäjiä.

Koska näillä johtimilla on vain vähän elektroneja atomiensa valenssialueella, potentiaaliero irtoaa niistä helposti ja he alkavat hypätä yhdestä atomista seuraavaan atomiin prosessin, jota kutsutaan 'Domino-efektiksi', tuloksena virran virtaus kapellimestari.

Vaikka kulta ja hopea ovat parhaita sähkönjohtimia, kupari ja alumiini ovat edullisia johtojen ja kaapeleiden valmistuksessa niiden alhaisen hinnan ja runsauden sekä fyysisen kestävyyden vuoksi.

Huolimatta siitä, että kupari ja alumiini ovat hyviä sähkönjohtimia, niillä on silti jonkin verran vastusta, koska mikään ei voi olla 100% ihanteellinen.

Vaikka näiden johtimien tarjoama vastus on pieni, se voi nousta merkittäväksi suurempien virtojen avulla. Lopulta näiden johtimien vastus suuremmalle virralle häviää lämpönä.

Eristimet

Toisin kuin johtimet, eristimet ovat huonoja sähkönjohtimia. Ne ovat yleensä ei-metallien muodossa ja niillä on hyvin vähän haavoittuvia tai vapaita elektroneja vanhempien atomiensa kanssa.

Tämä tarkoittaa, että näiden ei-metallien elektronit ovat tiukasti sidoksissa vanhempien atomeihin, joita on erittäin vaikea irrottaa jännitteen avulla.

Tästä ominaisuudesta johtuen, kun sähköjännitettä käytetään, elektronit eivät pysty siirtymään pois atomista, mikä ei johda elektronien virtaukseen, eikä johtoa siten tapahdu.

Tämä ominaisuus johtaa erittäin korkeaan eristysvastuksen arvoon, monien miljoonien ohmien luokkaa.

Materiaalit, kuten lasi, marmori, PVC, muovit, kvartsi, kumi, kiille, bakeliitti ovat esimerkkejä hyvistä eristeistä.

Aivan kuten johtimella, eristeillä on yhtä tärkeä rooli elektroniikan arkistoinnissa. Ilman eristintä olisi mahdotonta eristää jännite-eroja piirivaiheiden välillä, mikä johtaa oikosulkuihin.

Esimerkiksi posliinia ja lasia käytetään korkeajännitetornissa vaihtovirran turvalliseen siirtämiseen kaapeleiden yli. Johdoissa käytämme PVC: tä positiivisten, negatiivisten napojen eristämiseen, ja piirilevyissä Bakeliittia eristämään kupariraidat toisistaan.

Puolijohteiden perusteet

Materiaalit, kuten pii (Si), germanium (Ge) ja galliumarsenidi, kuuluvat puolijohdemateriaalien alle. Tämä johtuu siitä, että näillä materiaaleilla on ominaisuus johtaa sähköä väliaikaisesti, mikä ei johda asianmukaiseen johtamiseen eikä asianmukaiseen eristykseen. Tämän ominaisuuden vuoksi nämä materiaalit nimetään puolijohteiksi.

Näillä materiaaleilla on hyvin vähän vapaita elektroneja niiden atomien poikki, jotka on tiukasti ryhmitelty kiteiseen ristikkoon. Silti elektronit pystyvät irtoamaan ja virtaamaan, mutta vain käytettäessä erityisiä olosuhteita.

Tämän sanottuaan on mahdollista parantaa johtokykyä näissä puolijohteissa tuomalla tai korvaamalla jonkinlainen 'luovuttaja' tai 'akseptori' atomia kiteiseen asetteluun, mikä mahdollistaa ylimääräisten 'vapaiden elektronien' ja 'reikien' tai päinvastaisen vapautumisen päinvastoin.

Tämä toteutetaan tuomalla tietty määrä ulkoista materiaalia olemassa olevaan materiaaliin, kuten piiin tai germaaniin.

Itse asiassa materiaalit, kuten pii ja germaanium, luokitellaan sisäisiksi puolijohteiksi niiden äärimmäisen puhtaan kemiallisen luonteen ja täydellisen puolijohtavan materiaalin läsnäolon vuoksi.

Tämä tarkoittaa myös sitä, että soveltamalla niihin kontrolloitua määrää epäpuhtauksia pystymme määrittämään johtamisnopeuden näissä sisäisissä materiaaleissa.

Voimme ottaa käyttöön epäpuhtaustyyppejä, joita kutsutaan luovuttajiksi tai hyväksyjiksi näille materiaaleille niiden parantamiseksi joko vapailla elektroneilla tai vapailla rei'illä.

Näissä prosesseissa, kun sisäiseen materiaaliin lisätään epäpuhtautta suhteessa 1 epäpuhtausatomi 10 miljoonaa puolijohdemateriaaliatomia kohti, sitä kutsutaan Doping .

Riittävän epäpuhtauden lisäämisen avulla puolijohdemateriaali voitaisiin muuntaa N- tai P-tyypin materiaaliksi.

Piini on yksi suosituimmista puolijohdemateriaaleista, sillä sen uloimman kuoren poikki on 4 valenssielektronia, ja sitä ympäröivät myös vierekkäiset atomit, jotka muodostavat yhteensä 8 elektronin kiertoradat.

Kahden piiatomin välinen sitoutuminen on kehitetty siten, että se mahdollistaa yhden elektronin jakamisen viereisen atomin kanssa, mikä johtaa hyvään stabiiliin sitoutumiseen.

Puhtaassa muodossa piikiteellä voi olla hyvin vähän vapaita valenssielektroneja, mikä antaa sille hyvän eristimen ominaisuudet, jolla on äärimmäiset vastusarvot.

Piimateriaalin liittäminen potentiaalieroon ei auta johtamista sen läpi, ellei siihen synny jonkinlaista positiivista tai negatiivista napaisuutta.

Ja tällaisten napaisuuksien luomiseksi dopingprosessi toteutetaan näissä materiaaleissa lisäämällä epäpuhtauksia edellisissä kappaleissa kuvatulla tavalla.

Pienatomirakenteen ymmärtäminen

piikristallihilan kuva

piiatomi, joka osoittaa 4 elektronia valenssiradallaan

Yllä olevissa kuvissa näemme, kuinka säännöllisen puhtaan piikidehilan rakenne näyttää. Epäpuhtautta varten puolijohdekiteisiin lisätään tavallisesti materiaaleja, kuten arseenia, antimonia tai fosforia, mikä muuttaa ne ulkoisiksi, mikä tarkoittaa, että niillä on epäpuhtauksia.

Mainitut epäpuhtaudet koostuvat 5 elektronista niiden uloimmalla kaistalla, joka tunnetaan nimellä 'Pentavalentti' epäpuhtaus, jakamista vierekkäisten atomiensa kanssa.
Tämä varmistaa, että neljä viidestä atomista pystyy liittymään vierekkäisiin piiatomeihin, lukuun ottamatta yhtä 'vapaata elektronia', joka voidaan vapauttaa, kun sähköjännite kytketään.

Tässä prosessissa, koska epäpuhtaat atomit alkavat 'lahjoittaa' jokaisen elektronin läheisen atominsa yli, 'Pentavalenttiset' atomit nimetään 'luovuttajiksi'.

Antimonin käyttö dopingiin

Antimoni (Sb) ja fosfori (P) ovat usein paras valinta piivalmisteen 'Pentavalent' epäpuhtauksien lisäämisessä. antimoniatomi, joka osoittaa 5 elektronia valenssiradallaan p-tyypin puolijohde

Antimonissa 51 elektronia on asetettu 5 kuoren yli sen ytimen ympärille, kun taas sen uloin kaista koostuu 5 elektronista.
Tämän vuoksi puolijohdemateriaali pystyy hankkimaan ylimääräisiä virtaa kuljettavia elektroneja, joista kullakin on negatiivinen varaus. Siksi sitä kutsutaan nimellä 'N-tyypin materiaali'.

Elektroneja kutsutaan myös nimellä 'enemmistön kantajat' ja myöhemmin kehittyviä reikiä kutsutaan 'vähemmistön kantajiksi'.

Kun antimonilla seostettu puolijohde altistetaan sähköpotentiaalille, elektronit, jotka sattuu pudottamaan, korvataan välittömästi antimoniatomeista tulevilla vapailla elektroneilla. Koska prosessi kuitenkin lopulta pitää vapaan elektronin kelluvan seostetun kiteen sisällä, tämä aiheuttaa sen olevan negatiivisesti varautunut materiaali.

Tässä tapauksessa puolijohdetta voidaan kutsua N-tyypiksi, jos sen luovuttajan tiheys on suurempi kuin sen akceptoritiheys. Tarkoitus, kun vapaita elektroneja on enemmän kuin reikien määrään, mikä aiheuttaa negatiivisen polarisaation, kuten alla on osoitettu.

P-tyypin puolijohteiden ymmärtäminen

Jos tarkastelemme tilannetta päinvastoin, lisäämällä 3-elektroninen 'kolmiarvoinen' epäpuhtaus puolijohdekiteeseen, esimerkiksi jos lisätään alumiinia, booria tai indiumia, jotka sisältävät 3 elektronia valenssisidoksessaan, siis neljännen sidoksen muodostuminen on mahdotonta.

Tämän vuoksi perusteellinen yhteys vaikeutuu, mikä antaa puolijohteelle runsaasti positiivisesti varautuneita kantajia. Näitä kantajia kutsutaan 'rei'iksi' koko puolijohdeverkon läpi johtuen monista puuttuvista elektroneista.

Piikiteessä olevien reikien vuoksi läheinen elektroni houkuttelee reikää yrittäen täyttää aukon. Heti kun elektronit yrittävät tehdä tämän, se vapauttaa asemansa ja luo uuden reiän edelliseen asentoonsa.

Tämä puolestaan ​​houkuttelee seuraavaa lähellä olevaa elektronia, joka taas jättää uuden reiän yrittäessään miehittää seuraavaa reikää. Prosessi antaa edelleen vaikutelman, että reiät todella liikkuvat tai virtaavat puolijohteen poikki, jonka tunnemme yleensä virran tavanomaisena virtauskuviona.

Kun '' reiät näyttävät liikkuvan '', syntyy elektronipula, jolloin koko seostettu kide saa positiivisen napaisuuden.

Koska kustakin epäpuhtausatomista tulee vastuussa reiän muodostumisesta, näitä kolmiarvoisia epäpuhtauksia kutsutaan 'akseptoreiksi' johtuen siitä, että ne hyväksyvät jatkuvasti vapaita elektroneja prosessissa.
Boori (B) on yksi kolmiarvoisista lisäaineista, jota käytetään yleisesti edellä selitetyssä dopingprosessissa.

Kun booria käytetään dopingmateriaalina, se aiheuttaa johtumiseen pääasiassa positiivisesti varautuneita kantajia.
Tämän seurauksena syntyy P-tyyppinen materiaali, jolla on positiivisia reikiä, joita kutsutaan 'enemmistön kantajiksi', kun taas vapaita elektroneja kutsutaan 'vähemmistön kantajiksi'.

Tämä selittää, kuinka puolijohde-perusmateriaali muuttuu P-tyypiksi johtuen sen akseptoriatomien lisääntyneestä tiheydestä luovuttaja-atomeihin verrattuna.

Kuinka booria käytetään dopingiin

booriatomi, jossa on 3 elektronia, ulommassa valenssisidoksessa

jaksottainen taulukko puolijohteita varten

Yhteenveto puolijohteiden perusteista

N-tyypin puolijohde (dopattu viisiarvoisella epäpuhtaudella, kuten esimerkiksi antimoni)

Sellaisia ​​puolijohteita, joihin on seostettu viisiarvoisia epäpuhtausatomeja, kutsutaan luovuttajiksi, koska ne osoittavat johtavuutta elektronien liikkeen kautta ja siksi niitä kutsutaan N-tyypin puolijohteiksi.
N-tyypin puolijohteesta löydämme:

  1. Positiivisesti veloitetut lahjoittajat
  2. Runsaasti vapaita elektroneja
  3. Suhteellisen pienempi määrä 'reikiä' verrattuna 'vapaisiin elektroneihin'
  4. Dopingin seurauksena syntyy positiivisesti varautuneita luovuttajia ja negatiivisesti varautuneita vapaita elektroneja.
  5. Potentiaalieron soveltaminen johtaa negatiivisesti varautuneiden elektronien ja positiivisesti varautuneiden reikien kehittymiseen.

P-tyypin puolijohde (dopattu kolmiarvoisella epäpuhtaudella, kuten esimerkiksi boori)

Sellaisia ​​puolijohteita, joihin on seostettu kolmiarvoisia epäpuhtausatomeja, kutsutaan akseptoreiksi, koska ne osoittavat johtavuutta reikien liikkeen kautta ja siksi niitä kutsutaan P-tyypin puolijohteiksi.
N-tyypin puolijohteesta löydämme:

  1. Negatiivisesti ladatut hyväksyjät
  2. Runsaasti reikiä
  3. Suhteellisen pieni määrä vapaita elektroneja verrattuna reikien läsnäoloon.
  4. Doping johtaa negatiivisesti varautuneiden akseptorien ja positiivisesti varautuneiden reikien syntymiseen.
  5. Kirjatun jännitteen käyttö aiheuttaa positiivisesti varautuneiden reikien ja negatiivisesti varautuneiden vapaiden elektronien muodostumisen.

Itse asiassa P- ja N-tyyppiset puolijohteet ovat luonnollisesti sähköisesti neutraaleja.
Yleensä antimoni (Sb) ja boori (B) ovat kaksi materiaalia, joita käytetään dopingjäseninä niiden runsaan saatavuuden vuoksi. Nämä kutsutaan myös nimellä 'mettaloidit'.

Tämän sanottuaan, jos tarkastelet jaksollista taulukkoa, löydät monia muita samanlaisia ​​materiaaleja, joissa on 3 tai 5 elektronia uloimmassa atomikaistallaan. Tarkoittaa, että näistä materiaaleista voi tulla sopivia myös dopingtarkoituksiin.
Jaksollinen järjestelmä




Pari: Matkapuhelinohjattu koiran syöttölaite Seuraava: Vahvistinpiirien ymmärtäminen