1.1 Einführung in Halbleiter
Halbleitergeräte sind grundlegende Komponenten elektronischer Schaltungen und werden aus Halbleitermaterialien hergestellt. Halbleitermaterialien werden als Substanzen mit elektrischer Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren definiert. Neben der Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren besitzen Halbleiter auch die folgenden Eigenschaften:
1, ein Temperaturanstieg kann die Leitfähigkeit von Halbleitern erheblich verbessern. Zum Beispiel verdoppelt sich der Widerstand von reinem Silizium (SI), wenn die Temperatur von 30 Grad bis 20 Grad steigt.
2, Spurenmengen an Verunreinigungen (ihre Anwesenheit und Konzentration) können die Leitfähigkeit von Halbleitern drastisch verändern. Zum Beispiel wird ein Verunreinigungsatom (wie ein +3 oder +5 Valenzelement pro Million Siliziumatome eingeführt, der Widerstand bei Raumtemperatur (27 Grad; Warum ist die Raumtemperatur 27 Grad 27 Grad, weil die absolute Temperatur eine Zahl ist. nimmt von 214.000 Ω · cm auf 0,2 Ω · cm ab.
In 3 kann die Lichtbelastung die Leitfähigkeit von Halbleitern erheblich verbessern. Beispielsweise hat ein Cadmiumsulfid (CDS) -Film, das auf einem Isoliersubstrat abgelagert ist, in Abwesenheit von Licht einen Widerstand von mehreren Megegohms (MΩ), aber unter Beleuchtung fällt der Widerstand auf mehrere Zehn Kilohm (Kω).
4 Außerdem können Magnet- und elektrische Felder auch die Leitfähigkeit von Halbleitern deutlich verändern.
Daher sind Halbleiter Materialien mit Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren, und ihre intrinsischen Eigenschaften sind aufgrund externer Faktoren wie Licht, Wärme, Magnetismus, elektrischen Feldern und Spurenverunreinigungskonzentrationen sehr anfällig für signifikante Veränderungen.
Angesichts dieser vorteilhaften Eigenschaften können Halbleiter effektiv genutzt werden. Insbesondere die nachfolgenden Diskussionen über Dioden, Transistoren und Feld - Effekttransistoren zeigen, wie die Eigenschaft von Verunreinigungen der Spuren signifikant verändert, die die Leitfähigkeit der Halbleiter signifikant verändert.
1.2 Intrinsische Halbleiter
Wie führen wir Spurenverunreinigungen in Halbleiter ein? Können wir dem natürlichen Quarz direkt Verunreinigungen hinzufügen (deren Hauptkomponente SI ist)? Wir können natürliches Silizium nicht direkt verwenden, da es verschiedene Verunreinigungen enthält, die seine Leitfähigkeit unkontrollierbar machen. Um als grundlegendes Material für alle Halbleiter zu dienen, ist das Hauptziel, kontrollierbare Leitfähigkeit zu erreichen.
Daher müssen wir natürliches Silizium zu einer reinen Siliziumkristallstruktur reinigen. Diese reine Halbleiterkristallstruktur wird als intrinsischer Halbleiter bezeichnet.
Eigenschaften von intrinsischen Halbleitern: (intrinsische Halbleiter sind reine Kristallstrukturen)
1, Reinheit, bedeutet keine Verunreinigungen.
2, Kristallstruktur, die Stabilität darstellt. Die Atome sind aneinander gebunden und verhindert die Freizügigkeit, was zu einer noch geringeren Leitfähigkeit im Vergleich zu natürlichen Silizium führt.
1.2.1 Kristallstruktur von intrinsischen Halbleitern
In der Chemie erfuhren wir, dass die äußersten Elektronen von zwei benachbarten Siliziumatomen in einem Kristall gemeinsame Elektronen werden und kovalente Bindungen bilden. Allerdings bleiben nicht alle äußersten Elektronen jedes Si -Atoms in ihren eigenen kovalenten Bindungen ausschließlich. Der Grund dafür ist, dass das Material in einer Umgebung mit Temperatur existiert. Zusätzlich zu der geordneten Bewegung werden die äußersten Elektronen aufgrund des Einflusses der Temperatur auch eine thermische Bewegung - zufällige Bewegung - unterzogen. Gelegentlich kann ein Elektron über höhere Energie als andere Atome besitzen, sodass es sich von der kovalenten Bindung befreien und ein freies Elektron werden kann. Selbst mit einer geringen Menge an Energie können die äußersten Elektronen eines Leiters eine Richtbewegung erzeugen.
Intrinsische Halbleiter sind frei von Verunreinigungen. Wenn sich ein Elektron von einer kovalenten Bindung befreien, hinterlässt es eine als Loch bekannte freie Stelle. Bei intrinsischen Halbleitern entspricht die Anzahl der freien Elektronen der Anzahl der Löcher und sie werden paarweise erzeugt. Die Kristallstruktur, Löcher und freie Elektronen sind in der folgenden Abbildung dargestellt:
1.2.1 Kristallstruktur von intrinsischen Halbleitern (Fortsetzung)
Wenn ein externes elektrisches Feld auf einen intrinsischen Halbleiter angewendet wird:
1, freie Elektronen bewegen sich direktElektronenstrom.
2 bewegen sich aufgrund des Vorhandenseins von Löchern die Valenzelektronen in eine bestimmte Richtung, um diese Löcher zu füllen, was dazu führt, dass die Löcher auch eine gerichtete Bewegung unterzogen werden (da freie Elektronen und Löcher paarweise erzeugt werden). Diese Bewegung von Löchern bildet aLochstrom. Da freie Elektronen und Löcher entgegengesetzte Ladungen tragen und sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, ist der Gesamtstrom in einem intrinsischen Halbleiter die Summe dieser beiden Ströme.
Die obigen Phänomene zeigen, dass sowohl Löcher als auch freie Elektronen als Partikel mit elektrischer Ladung wirken (solche Partikel werden aufgerufenAnklagekräfte). Somit sind beide Gebührenträger. Dies unterscheidet intrinsische Halbleiter von Leiter: Bei Leiter gibt es nur eine Art von Ladungsträger, während es in intrinsischen Halbleitern zwei Arten von Ladungsträgern gibt.
1.2.2 Trägerkonzentration in intrinsischen Halbleitern
Das Phänomen, bei dem ein Halbleiter freien Elektronen erzeugt.Intrinsische Erregung.
Während der zufälligen Bewegung freier Elektronen verschwinden die freien Elektronen und Löcher gleichzeitig. Dieses Phänomen heißtRekombination. Die Anzahl der freien Elektronen - -Lochpaare, die durch intrinsische Anregung erzeugt werden, entspricht der Anzahl des freien Elektrons - Lochpaare, die sich rekombinieren und ein dynamisches Gleichgewicht erreichen. Dies bedeutet, dass bei einer bestimmten Temperatur die Konzentrationen von freien Elektronen und Löchern gleich sind.
Wenn die Umgebungstemperatur steigt, verstärkt sich die thermische Bewegung, und mehr freie Elektronen befreit sich von den Einschränkungen der Valenzelektronen, was zu einem Anstieg der Löcher führt. Folglich nimmt die Trägerkonzentration zu und verbessert die Leitfähigkeit. Wenn die Temperatur abnimmt, nimmt die Trägerkonzentration umgekehrt ab und verringert die Leitfähigkeit. Wenn die Temperatur auf absolute Null (0 K) sinkt, fehlt Valenzelektronen die Energie, sich von kovalenten Bindungen zu befreien, was zu einer Leitfähigkeit führt.
Bei intrinsischen Halbleitern beinhaltet Leitfähigkeit die Bewegung von zwei Arten von Ladungsträgern. Obwohl die Leitfähigkeit der intrinsischen Halbleiter von der Temperatur abhängt, bleibt sie aufgrund ihrer kristallinen Struktur extrem schlecht. Trotz ihrer schlechten Leitfähigkeit weisen intrinsische Halbleiter eine starke Kontrolle in ihren leitenden Eigenschaften auf.
1,3 dotierte Halbleiter
In diesem Abschnitt wird erklärt, warum intrinsische Halbleiter eine so starke Kontrolle in der Leitfähigkeit aufweisen. Hier werden wir die folgende Eigenschaft von Halbleitern nutzen:Spurenmengen an Verunreinigungen können ihre Leitfähigkeit erheblich verändern.
"Doping" bezieht sich auf den Prozess der Einführung geeigneter Verunreinigungselemente in einen intrinsischen Halbleiter. Abhängig von der Art der hinzugefügten Verunreinigungselemente können dotierte Halbleiter eingeteilt werdenN - Typ Semiconductors TypeUndP - Typ -Halbleiter Typ. Durch die Kontrolle der Konzentration der Unreinheitselemente kann die Leitfähigkeit des dotierten Halbleiters genau reguliert werden.
1.3.1 n - Typ Semiconductor Typ
"N" steht fürNegativ, wie Elektronen eine negative Ladung tragen und leicht sind. Um zusätzliche Elektronen in die Kristallstruktur einzuführen, werden Pentavalentelemente (z. B. Phosphor, P) typischerweise in den Halbleiter dotiert. Da ein Phosphor -Atom über fünf Valenzelektronen verfügt, nach der Bildung kovalenter Bindungen mit umgebenden Siliziumatomen bleibt ein zusätzliches Elektronenreste. Dieses Elektron kann leicht zu einem freien Elektron mit minimalem Energieeingang werden. Das Unreinheitsatom, das jetzt im Kristallgitter fixiert ist und ein Elektron fehlt, wird zu einem unbeweglichen positiven Ion. Dies ist in der Abbildung unten dargestellt:
1.3.1 n - Typ Semiconductor (Fortsetzung)
In einem N - -Typ -Halbleiter ist die Konzentration der freien Elektronen größer als die von Löchern. Daher werden freie Elektronen genanntMehrheitsträger(Multiplikatoren), während Löcher genannt werdenMinderheitsträger(Minderjährige). Somit beruht die Leitfähigkeit eines N - -Typs -Halbleiters hauptsächlich auf freien Elektronen. Je höher die Konzentration von dotierten Verunreinigungen, desto größer ist die Konzentration der Mehrheitsbadeler und desto stärker die Leitfähigkeit.
Lassen Sie uns untersuchen, wie sich die Konzentration von Minderheitenträgern ändert, wenn die Mehrheitsbetreiberkonzentration zunimmt. Die Konzentration der Minderheitsträger nimmt ab, da die erhöhte Anzahl freier Elektronen die Rekombinationswahrscheinlichkeit mit Löchern erhöht.
Wenn die Temperatur steigt, nimmt die Anzahl der Träger zu und die Zunahme der Mehrheitsbetreiber entspricht der Zunahme der Minderheitsbetreiber. Die prozentuale Veränderung der Minderheitsbetreiberkonzentration ist jedoch höher als die von Mehrheitsbetreiber (aufgrund der unterschiedlichen Grundkonzentrationen von Minderheiten und Majors, obwohl der numerische Anstieg gleich ist). Obwohl die Konzentration von Minderheitenträgern niedrig ist, sollten sie daher nicht unterschätzt werden. Minderheitsträger sind ein kritischer Faktor, der die Temperaturstabilität von Halbleitergeräten beeinflusst, und daher muss auch ihre Konzentration berücksichtigt werden.
1.3.2 p - Typ Semiconductor Typ
"P" steht fürPositiv, benannt nach den positiv geladenen Löchern. Um zusätzliche Löcher in die Kristallstruktur einzuführen, werden dreifache Elemente (z. B. Bor, b) typischerweise in den Halbleiter dotiert. Wenn ein Boratom kovalente Bindungen mit umgebenden Siliziumatomen bildet, schafft es eine Leerstelle (die elektrisch neutral ist). Wenn ein Valenzelektron aus einem benachbarten Siliziumatom diese Stelle füllt, erzeugt die kovalente Bindung ein Loch. Das Verunreinigungsatom wird dann zu einem unbeweglichen negativen Ion. Dies ist in der Abbildung unten dargestellt:
1.3.2 P - Typ Semiconductor (Fortsetzung)
Im Vergleich zu N - Typ Semiconductors Typ in p - Typ Semiconductors Typ:
Löcher sind die Mehrheitsträger, während freie Elektronen die Minderheitsträger sind.
Leitfähigkeit stützt sich hauptsächlich auf Löchern. Je höher die Konzentration von dotierten Verunreinigungen ist, desto größer ist die Konzentration der Löcher, was zu einer stärkeren Leitfähigkeit führt (da die Leerstellen in Verunreinigungsatomen Elektronen absorbieren). Die Konzentration der Minderheitsträger nimmt ab.
Wenn die Temperatur steigt, ist die prozentuale Änderung der freien Elektronenkonzentration höher als die der Lochkonzentration.