دانش اساسی نیمه هادی ها

1.1 آشنایی با نیمه هادی ها

دستگاه های نیمه هادی مؤلفه های اساسی مدارهای الکترونیکی هستند و از مواد نیمه هادی ساخته می شوند. مواد نیمه هادی به عنوان موادی با هدایت الکتریکی بین هادی ها و عایق ها تعریف می شوند. علاوه بر داشتن رسانایی بین هادی ها و عایق ها ، نیمه هادی ها نیز دارای خواص زیر هستند:

1 ، افزایش دما می تواند به طور قابل توجهی هدایت نیمه هادی ها را افزایش دهد. به عنوان مثال ، مقاومت سیلیکون خالص (SI) دو برابر می شود که درجه حرارت از 30 درجه به 20 درجه افزایش یابد.

2 ، مقدار کمتری از ناخالصی ها (حضور و غلظت آنها) می تواند به طور چشمگیری هدایت نیمه هادی ها را تغییر دهد. به عنوان مثال ، اگر یک اتم ناخالصی (مانند +3 یا +5 عنصر Valence) در هر میلیون اتم سیلیکون ، مقاومت در دمای اتاق (27 درجه ؛ چرا دمای اتاق 27 درجه است؟ از 214،000 Ω · سانتی متر تا 0.2 Ω · سانتی متر.

3 ، قرار گرفتن در معرض نور می تواند به طور قابل توجهی هدایت نیمه هادی ها را بهبود بخشد. به عنوان مثال ، یک فیلم سولفید کادمیوم (CDS) که بر روی یک بستر عایق قرار گرفته است ، در صورت عدم وجود نور ، مقاومت در برابر چندین megohms (MΩ) دارد ، اما در زیر روشنایی ، مقاومت به چند ده کیلو هلیم (kΩ) کاهش می یابد.

علاوه بر این ، علاوه بر این ، میدان های مغناطیسی و الکتریکی نیز می توانند به طور قابل توجهی هدایت نیمه هادی ها را تغییر دهند.

بنابراین ، نیمه هادی ها موادی هستند که دارای هدایت بین هادی ها و عایق ها هستند ، و خصوصیات ذاتی آنها به دلیل عوامل خارجی مانند نور ، گرما ، مغناطیس ، میدان های الکتریکی و غلظت ناخالصی کمیاب بسیار مستعد هستند.

با توجه به این خصوصیات سودمند ، نیمه هادی ها می توانند به طور مؤثر مورد استفاده قرار گیرند. به طور خاص ، مباحث بعدی در مورد دیودها ، ترانزیستورها و زمینه- ترانزیستورهای اثر نشان می دهد که چگونه خاصیت ناخالصی های ردیابی به طور قابل توجهی تغییر هدایت نیمه هادی را مهار می کند.

1.2 نیمه هادی های ذاتی

چگونه ناخالصی های ردیابی را به نیمه هادی ها معرفی کنیم؟ آیا می توانیم مستقیماً ناخالصی ها را به کوارتز طبیعی اضافه کنیم (مؤلفه اصلی آنها SI است)؟ ما نمی توانیم مستقیماً از سیلیکون طبیعی استفاده کنیم زیرا حاوی ناخالصی های مختلفی است ، که هدایت آن را غیرقابل کنترل می کند. برای خدمت به عنوان ماده اساسی برای همه نیمه هادی ها ، هدف اصلی دستیابی به هدایت قابل کنترل است.

بنابراین ، ما باید سیلیکون طبیعی را در یک ساختار کریستالی سیلیکون خالص پاک کنیم. این ساختار کریستالی نیمه هادی خالص به عنوان یک نیمه هادی ذاتی گفته می شود.

ویژگی های نیمه هادی های ذاتی: (نیمه هادی های ذاتی ساختارهای کریستالی خالص هستند)

1 ، خلوص ، به معنای عدم ناخالصی.

2 ، ساختار کریستالی ، نمایانگر ثبات. اتمها به یکدیگر متصل هستند و از حرکت آزاد جلوگیری می کنند ، که منجر به هدایت حتی پایین تر در مقایسه با سیلیکون طبیعی می شود.

1.2.1 ساختار کریستالی نیمه هادی های ذاتی

در شیمی ، ما آموخته ایم که بیرونی ترین الکترون دو اتم سیلیکون مجاور (SI) در یک کریستال به الکترونهای مشترک تبدیل می شود و پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهد. با این حال ، تمام بیرونی ترین الکترون های هر اتم SI کاملاً در اوراق قرضه کووالانسی خود باقی نمی ماند. دلیل این امر این است که مواد در محیطی با دما وجود دارد. علاوه بر حرکت سفارش داده شده ، بیرونی ترین الکترون ها نیز به دلیل تأثیر دما ، حرکت حرارتی-- را انجام می دهند. گاهی اوقات ، یک الکترون ممکن است انرژی بالاتری نسبت به سایر اتم ها داشته باشد و به آن اجازه می دهد تا از پیوند کووالانسی خلاص شود و به یک الکترون آزاد تبدیل شود. حتی با مقدار کمی انرژی ، بیرونی ترین الکترون های یک هادی می توانند حرکت جهت دار ایجاد کنند.

نیمه هادی های ذاتی عاری از ناخالصی هستند. هنگامی که یک الکترون از پیوند کووالانسی عاری می شود ، جای خالی را به عنوان سوراخ پشت سر می گذارد. در نیمه هادی های ذاتی ، تعداد الکترونهای آزاد برابر با تعداد سوراخ ها است و به صورت جفت تولید می شوند. ساختار کریستال ، سوراخ ها و الکترون های رایگان در شکل زیر نشان داده شده است:

1.2.1 ساختار کریستالی نیمه هادی های ذاتی (ادامه)

اگر یک میدان الکتریکی خارجی در یک نیمه هادی ذاتی اعمال شود:

1 ، الکترون های رایگان به صورت جهت حرکت می کنند و تشکیل می دهندجریان الکترون.

2 ، به دلیل وجود سوراخ ها ، الکترونهای Valence در یک جهت خاص برای پر کردن این سوراخ ها حرکت می کنند و باعث می شود سوراخ ها نیز به حرکت در جهت جهت ای برسند (از آنجا که الکترون ها و سوراخ های آزاد به صورت جفت تولید می شوند). این حرکت سوراخ ها شکل می دهدجریان سوراخبشر از آنجا که الکترون ها و سوراخ های آزاد بار متضاد را حمل می کنند و در جهات مخالف حرکت می کنند ، کل جریان در یک نیمه هادی ذاتی مجموع این دو جریان است.

پدیده های فوق نشان می دهد که هر دو سوراخ و الکترونهای آزاد به عنوان ذرات حامل بار الکتریکی عمل می کنند (چنین ذرات نامیده می شوندحامل های شارژ). بنابراین ، هر دو حامل شارژ هستند. این نیمه هادی های ذاتی را از هادی ها متمایز می کند: در هادی ها ، فقط یک نوع حامل بار وجود دارد ، در حالی که در نیمه هادی های ذاتی ، دو نوع حامل بار وجود دارد.

1.2.2 غلظت حامل در نیمه هادی های ذاتی

پدیده ای که یک نیمه هادی در آن ایجاد می کند الکترونی رایگان- جفت سوراخ تحت تحریک حرارتی نامیده می شودتحریک ذاتی.

در حین حرکت تصادفی الکترونهای آزاد ، هنگامی که با سوراخ روبرو می شوند ، الکترون های آزاد و سوراخ ها به طور همزمان از بین می روند. این پدیده نامیده می شودنوترکیبشر تعداد الکترونی رایگان-} جفت سوراخ تولید شده توسط تحریک ذاتی برابر با تعداد الکترون های رایگان -} جفت سوراخ است که نوترکیب می شوند و به یک تعادل پویا می رسند. این بدان معنی است که در دمای مشخص ، غلظت الکترون ها و سوراخ های آزاد یکسان است.

هنگامی که دمای محیط بالا می رود ، حرکت حرارتی شدت می یابد و الکترونهای آزادتر از محدودیت های الکترونهای ظرفیت عاری می شوند و منجر به افزایش سوراخ می شوند. در نتیجه ، غلظت حامل افزایش می یابد و باعث افزایش هدایت می شود. در مقابل ، هنگامی که دما کاهش می یابد ، غلظت حامل کاهش می یابد و باعث کاهش هدایت می شود. هنگامی که دما به صفر مطلق (0 K) کاهش می یابد ، الکترونهای Valence فاقد انرژی برای خلاص شدن از اوراق قرضه کووالانسی هستند و در نتیجه هیچ گونه هدایت وجود ندارد.

در نیمه هادی های ذاتی ، رسانایی شامل حرکت دو نوع حامل بار است. اگرچه هدایت نیمه هادی های ذاتی به دما بستگی دارد ، اما به دلیل ساختار کریستالی آنها بسیار ضعیف است. با وجود هدایت ضعیف ، نیمه هادی های ذاتی قابلیت کنترل قوی در خصوصیات رسانا خود را نشان می دهند.

1.3 نیمه هادی دوپ شده

در این بخش توضیح داده شده است که چرا نیمه هادی های ذاتی چنین کنترل قوی در هدایت را نشان می دهند. در اینجا ، ما از خاصیت زیر هادی ها استفاده خواهیم کرد:مقدار کمبود ناخالصی ها می توانند هدایت آنها را به میزان قابل توجهی تغییر دهند.

"دوپینگ" به فرایند معرفی عناصر ناخالصی مناسب به یک نیمه هادی ذاتی اشاره دارد. بسته به نوع عناصر ناخالصی اضافه شده ، نیمه هادی های دوپ شده را می توان به طبقه بندی کردn - نوع نیمه هادی هاوتP - نوع نیمه هادی هابشر با کنترل غلظت عناصر ناخالصی ، هدایت نیمه هادی دوپ شده دقیقاً تنظیم می شود.

1.3.1 n - نوع نیمه هادی را تایپ کنید

"N" مخفف استمنفی، همانطور که الکترون ها بار منفی دارند و سبک هستند. برای معرفی الکترونهای اضافی به ساختار کریستال ، عناصر پنتاوالنت (به عنوان مثال ، فسفر ، P) به طور معمول در نیمه هادی قرار می گیرند. از آنجا که یک اتم فسفر دارای پنج الکترون ظرفیت است ، پس از تشکیل پیوندهای کووالانسی با اتم های سیلیکون اطراف ، یک الکترون اضافی باقی می ماند. این الکترون به راحتی می تواند به یک الکترون آزاد با حداقل ورودی انرژی تبدیل شود. اتم ناخالصی که اکنون در شبکه کریستال ثابت شده و فاقد یک الکترون است ، به یک یون مثبت بی حرکت تبدیل می شود. این در شکل زیر نشان داده شده است:

1.3.1 n {{1} type نیمه هادی (ادامه)

در یک نیمه هادی N {{0} type ، غلظت الکترونهای آزاد از سوراخ ها بیشتر است. بنابراین ، به الکترون های رایگان خوانده می شودحامل های اکثریت(ضرب) ، در حالی که سوراخ ها نامیده می شوندحامل های اقلیت(خردسالان). بنابراین ، هدایت یک نیمه هادی N {1} type در درجه اول به الکترونهای آزاد متکی است. هرچه غلظت ناخالصی های دوپ بیشتر باشد ، غلظت حامل های اکثریت بیشتر می شود و هدایت آن را قوی تر می کند.

بگذارید بررسی کنیم که چگونه غلظت حامل های اقلیت با افزایش غلظت حامل اکثریت تغییر می کند. غلظت حامل اقلیت کاهش می یابد زیرا افزایش تعداد الکترونهای آزاد احتمال نوترکیبی با سوراخ را افزایش می دهد.

با افزایش دما ، تعداد حامل ها افزایش می یابد و افزایش حامل های اکثریت برابر با افزایش حامل های اقلیت است. با این حال ، درصد تغییر در غلظت حامل اقلیت بیشتر از حامل های اکثریت است (به دلیل غلظت پایه های مختلف اقلیت ها و رشته ها ، حتی اگر افزایش عددی یکسان باشد). بنابراین ، اگرچه غلظت حامل های اقلیت کم است ، اما نباید آنها را دست کم گرفت. حامل های اقلیت یک عامل مهم است که بر پایداری دما دستگاههای نیمه هادی تأثیر می گذارد و بنابراین باید غلظت آنها نیز در نظر گرفته شود.

1.3.2 P- type نیمه هادی

"P" مخفف استمثبت، به نام سوراخ های بار مثبت. برای معرفی سوراخ های اضافی به ساختار کریستال ، عناصر سه ظرفیتی (به عنوان مثال ، بور ، B) به طور معمول در نیمه هادی قرار می گیرند. هنگامی که یک اتم بور پیوندهای کووالانسی را با اتم های سیلیکون اطراف تشکیل می دهد ، جای خالی (که از نظر الکتریکی خنثی است) ایجاد می کند. هنگامی که یک الکترون Valence از یک اتم سیلیکون همسایه این جای خالی را پر می کند ، پیوند کووالانسی سوراخ ایجاد می کند. اتم ناخالصی سپس به یون منفی بی حرکت تبدیل می شود. این در شکل زیر نشان داده شده است:

1.3.2 P {{1} type نیمه هادی (ادامه)

در مقایسه با N {{0} type نیمه هادی ، در p - type نیمه هادی ها:

سوراخ ها حامل های اکثریت هستند ، در حالی که الکترون های آزاد حامل اقلیت هستند.

هدایت در درجه اول به سوراخ ها متکی است. هرچه غلظت ناخالصی های دوپ شده بیشتر باشد ، غلظت سوراخ ها بیشتر می شود و منجر به هدایت قوی تر می شود (زیرا جای خالی در اتم های ناخالصی الکترون ها را جذب می کند). غلظت حامل اقلیت کاهش می یابد.

با افزایش دما ، درصد تغییر در غلظت الکترون آزاد از غلظت سوراخ بالاتر است.