Изучаване на основи на полупроводници

В тази публикация ние подробно научаваме относно основните принципи на работа на полупроводниковите устройства и как функционира вътрешната структура на полупроводниците под въздействието на електричеството.

Стойността на съпротивлението между тези полупроводникови материали няма нито пълна характеристика на проводника, нито пълен изолатор, тя е между тези две граници.

Тази характеристика може да определи полупроводниковите свойства на материала, но би било интересно да се знае как работи полупроводник между проводник и изолатор.

Съпротивление

Съгласно закона на Ом електрическото съпротивление на електронно устройство се определя като отношение на потенциалната разлика в компонента към тока, протичащ през компонента.

Сега използването на измерване на съпротивление може да създаде един проблем, стойността му се променя, когато се променя физическото измерение на резистивния материал.

Например, когато резистивният материал се увеличи по дължина, стойността му на съпротивление също се увеличава пропорционално.
По същия начин, когато дебелината му се увеличи, стойността на съпротивлението намалява пропорционално.

Необходимостта тук е да се определи материал, който може да показва свойство или на проводимост, или на противопоставяне на електрически ток, независимо от неговия размер, форма или външен вид.

Величината за изразяване на тази конкретна стойност на съпротивлението е известна като Resistivity, която има символа ρ, (Rho)

Мерната единица за съпротивление е Ohm-метър (Ω.m) и може да се разбира като параметър, който е обратен на проводимостта.

За да се получат сравненията между съпротивленията на няколко материала, те са класифицирани в 3 основни категории: проводници, изолатори и полупроводници. Графиката по-долу предоставя необходимите подробности:

Както можете да видите на горната фигура, има незначителна разлика в съпротивлението на проводници като злато и сребро, докато може да има значителна разлика в съпротивлението на изолатори като кварц и стъкло.

Това се дължи на реакцията им на околната температура, което прави металите изключително ефективни проводници от изолаторите

Диригенти

От горната диаграма разбираме, че проводниците имат най-малко съпротивление, което обикновено може да бъде в микроом / метър.

Поради ниското им съпротивление електрическият ток може лесно да премине през тях, поради наличието на голямо количество електрони.

Тези електрони обаче могат да бъдат изтласкани само когато тяхното налягане е през проводника и това налягане може да се образува чрез прилагане на напрежение през проводника.

По този начин, когато се прилага проводник с положителна / отрицателна потенциална разлика, свободните електрони на всеки атом на проводника са принудени да се изместят от своите родителски атоми и те започват да се носят в проводника и обикновено е известен като поток на ток .

Степента, с която тези електрони са в състояние да се движат, зависи от това колко лесно могат да бъдат освободени от техните атоми, в отговор на разликата в напрежението.

Обикновено металите се считат за добри проводници на електричество, а сред металите златото, среброто, медта и алуминият са най-добрите подредени проводници.

Тъй като тези проводници имат много малко електрони във валентната лента на техните атоми, те лесно се изместват от потенциална разлика и те започват да скачат от един атом към следващия атом чрез процес, наречен „ефект на Домино“, което води до поток на ток през диригентът.

Въпреки че златото и среброто са най-добрите проводници на електричество, медта и алуминият са предпочитани за правене на проводници и кабели поради ниската им цена и изобилие, както и тяхната физическа здравина.

Въпреки факта, че медта и алуминият са добри проводници на електричество, те все още имат известно съпротивление, защото нищо не може да бъде 100% идеално.

Въпреки че малкото съпротивление, предлагано от тези проводници, може да стане значително с прилагането на по-високи токове. В крайна сметка съпротивлението на по-висок ток на тези проводници се разсейва като топлина.

Изолатори

За разлика от проводниците, изолаторите са лоши проводници на електричество. Те обикновено са под формата на неметали и имат много малко уязвими или свободни електрони с техните родителски атоми.

Това означава, че електроните на тези неметали са плътно свързани с техните родителски атоми, които са изключително трудни за изместване при прилагане на напрежение.

Поради тази характеристика, когато се прилага електрическо напрежение, електроните не успяват да се отдалечат от атомите, което води до поток на електрони и следователно не се извършва проводимост.

Това свойство води до много висока стойност на устойчивост на изолатора от порядъка на много милиони ома.

Примери за добри изолатори са материали като стъкло, мрамор, PVC, пластмаси, кварц, каучук, слюда, бакелит.

Подобно на проводника, изолаторите също играят важна роля в областта на електрониката. Без изолатор би било невъзможно да се изолират разликите в напрежението между етапите на веригата, което води до късо съединение.

Например виждаме използването на порцелан и стъкло в кули с високо напрежение за безопасно предаване на променлив ток през кабелите. В проводниците използваме PVC за изолиране на положителни, отрицателни клеми, а в печатни платки използваме бакелит, за да изолираме медни релси един от друг.

Основи на полупроводниците

Материали като силиций (Si), германий (Ge) и галиев арсенид попадат под основните полупроводникови материали. Това е така, защото тези материали имат характеристиката на междинно провеждане на електричество, което не поражда нито правилна проводимост, нито подходяща изолация. Поради това свойство тези материали се наричат ​​полупроводници.

Тези материали показват много малко свободни електрони в техните атоми, които са плътно групирани в кристална решетъчна формация. И все пак, електроните могат да се изместят и да текат, но само когато се използват специфични условия.

Като каза това, става възможно да се повиши скоростта на проводимост в тези полупроводници чрез въвеждане или заместване на някакъв вид „донорски“ или „акцепторни“ атоми в кристалното оформление, което позволява освобождаването на допълнителни „свободни електрони“ и „дупки“ или заместник обратно.

Това се осъществява чрез въвеждане на определено количество външен материал към съществуващия материал като силиций или германий.

Сами по себе си материали като силиций и германий се категоризират като присъщи полупроводници, поради тяхната изключително чиста химическа природа и наличието на пълен полупроводников материал.

Това също означава, че чрез прилагане на контролирано количество примес в тях, ние сме в състояние да определим степента на проводимост в тези вътрешни материали.

Можем да въведем типове примеси, посочени като донори или акцептори към тези материали, за да ги подобрим или със свободни електрони, или със свободни дупки.

При тези процеси, когато примес се добавя към присъщ материал в съотношението 1 примесен атом на 10 милиона атома на полупроводников материал, той се нарича Допинг .

С въвеждането на достатъчно примеси, полупроводниковият материал може да се трансформира в N-тип или P-тип материал.

Силицият е сред най-популярните полупроводникови материали, имащ 4 валентни електрона в най-външната си обвивка, а също така е заобиколен от съседни атоми, образуващи общо орбити от 8 електрона.

Връзката между двата силициеви атома е разработена по такъв начин, че позволява споделяне на един електрон със съседния му атом, което води до добра стабилна връзка.

В чистата си форма силициевият кристал може да има много малко свободни валентни електрони, придавайки му свойствата на добър изолатор, имащ екстремни стойности на съпротивление.

Свързването на силициев материал с потенциална разлика няма да помогне за проводимост през него, освен ако в него не се създадат някакви положителни или отрицателни полярности.

И за да се създадат такива полярности, процесът на допинг се прилага в тези материали чрез добавяне на примеси, както е обсъдено в предишните параграфи.

Разбиране на структурата на силициевия атом

В горните изображения виждаме как изглежда структурата на обикновена кристална решетка от чист силиций. За примесите обикновено в полупроводниковите кристали се въвеждат материали като арсен, антимон или фосфор, които ги превръщат във външни, което означава „с примеси“.

Споменатите примеси са съставени от 5 електрона в най-външната им ивица, известна като „петивалентен“ примес, за споделяне с прилежащите им атоми.
Това гарантира, че 4 от 5-те атома могат да се свържат със съседните силициеви атоми, с изключение на един „свободен електрон“, който може да бъде освободен, когато е свързано електрическо напрежение.

В този процес, тъй като нечистите атоми започват да „даряват“ всеки електрон през близкия им атом, „петивалентните“ атоми се наричат ​​„донори“.

Използване на антимон за допинг

Антимонът (Sb) и фосфорът (P) често се превръщат в най-добрия избор за въвеждане на „петивалентен“ примес в силиция.

В Антимона 51 електрона са разположени в 5 обвивки около ядрото му, докато най-външната му лента се състои от 5 електрона.
Поради това основният полупроводников материал е в състояние да придобие допълнителни тоководещи електрони, всеки от които има отрицателен заряд. Следователно той е наречен „N-тип материал“.

Също така електроните са наречени „Мажоритарни носители“, а дупките, които се развиват впоследствие, се наричат ​​„Малцинствени носители“.

Когато полупроводникът, легиран от Антимон, е подложен на електрически потенциал, електроните, които се отблъскват, незабавно се заместват със свободните електрони от атомите на Антимона. Тъй като обаче в крайна сметка процесът задържа свободен електрон, плаващ в легирания кристал, това го кара да бъде отрицателно зареден материал.

В този случай полупроводник може да бъде наречен N-тип, ако има донорна плътност по-висока от неговата акцепторна плътност. Смисъл, когато има по-голям брой свободни електрони в сравнение с броя на дупките, причиняващи отрицателна поляризация, както е посочено по-долу.

Разбиране на P-Type Semiconductor

Ако разгледаме ситуацията обратно, въвеждането на 3-електронен примес „тривалентен“ в полупроводников кристал, например ако въведем алуминий, бор или индий, които съдържат 3 електрона във валентната си връзка, следователно 4-та връзка става невъзможно да се образува.

Поради това задълбочената връзка става трудна, позволявайки на полупроводника да има много положително заредени носители. Тези носители се наричат ​​„дупки“ в цялата полупроводникова решетка, поради много липсващи електрони.

Сега, поради наличието на дупки в силициевия кристал, близкият електрон се привлича към дупката, опитвайки се да запълни слота. Обаче, щом електроните се опитат да направят това, той освобождава позицията си, създавайки нова дупка в предишното си положение.

Това от своя страна привлича следващия близък електрон, който отново оставя нова дупка, докато се опитва да заеме следващата дупка. Процесът продължава, като създава впечатление, че всъщност дупките се движат или текат през полупроводника, което обикновено разпознаваме като конвенционален модел на протичане на тока.

Тъй като 'дупките изглежда се движат', възниква недостиг на електрони, което позволява на целия легиран кристал да придобие положителна полярност.

Тъй като всеки примесен атом става отговорен за генерирането на дупка, тези тривалентни примеси се наричат ​​„Акцептори“ поради факта, че те продължават да приемат свободни електрони непрекъснато в процеса.
Борът (B) е една от тривалентните добавки, която се използва широко за обяснения по-горе допинг процес.

Когато борът се използва като легиращ материал, той води до това, че проводимостта има предимно положително заредени носители.
Това води до създаването на P-тип материал с положителни дупки, наречени „Основни носители“, докато свободните електрони се наричат ​​„Миноритарни носители“.

Това обяснява как полупроводниковият основен материал се превръща в P-тип поради увеличената плътност на неговите акцепторни атоми в сравнение с донорните атоми.

Как се използва бор за допинг

Обобщаване на основите на полупроводниците

N-тип полупроводник (легиран с петивалентен примес като например антимон)

Такива полупроводници, легирани с петавалентни примесни атоми, се наричат ​​донори, тъй като те показват проводимост чрез движението на електрони и следователно те се наричат ​​като полупроводници от N-тип.
В полупроводника от N-тип откриваме:

1. Положително заредени дарители
2. Изобилие от свободни електрони
3. Относително по-малък брой „дупки“ в сравнение със „свободните електрони“
4. В резултат на допинг се създават положително заредени донори и отрицателно заредени свободни електрони.
5. Прилагането на потенциална разлика води до развитието на отрицателно заредени електрони и положително заредени дупки.

Полупроводник P-тип (легиран с тривалентен примес, като бор например)

Такива полупроводници, които са легирани с тривалентни примесни атоми, се наричат ​​акцептори, тъй като те показват проводимост чрез движението на дупки и следователно те се наричат ​​като полупроводници от Р-тип.
В полупроводника от N-тип откриваме:

1. Отрицателно заредени акцептори
2. Изобилие от дупки
3. Относително по-малък брой свободни електрони в сравнение с наличието на дупки.
4. Допингът води до създаване на отрицателно заредени акцептори и положително заредени дупки.
5. Прилагането на подадено напрежение води до генериране на положително заредени дупки и отрицателно заредени свободни електрони.

Сами по себе си, полупроводниците от тип P и N са естествено електрически неутрални.
Обикновено антимонът (Sb) и борът (B) са двата материала, които се използват като допинг членове поради тяхната богата наличност. Те също се наричат ​​„металоиди“.

Като казахте това, ако погледнете периодичната таблица, ще намерите много други подобни материали с 3 или 5 електрона в най-външната си атомна лента. Това предполага, че тези материали също могат да станат подходящи за допинг целта.
Периодичната таблица