Базовая электроника - полупроводники

Полупроводник - это вещество, сопротивление которого лежит между проводниками и изоляторами. Свойство удельного сопротивления не единственное, которое определяет материал как полупроводник, но оно обладает следующими свойствами:

  • Полупроводники имеют удельное сопротивление, которое меньше, чем у изоляторов, и больше, чем у проводников.

  • Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент. Сопротивление в полупроводниках возрастает с понижением температуры и наоборот.

  • Проводящие свойства полупроводника изменяются, когда к нему добавляется подходящая металлическая примесь, что является очень важным свойством.

Полупроводниковые приборы широко используются в области электроники. Транзистор заменил громоздкие вакуумные трубки, из-за чего размер и стоимость устройств уменьшились, и эта революция продолжала увеличивать свои темпы, приводя к новым изобретениям, таким как интегрированная электроника. На следующем рисунке показана классификация полупроводников.

Полупроводниковая классификация

Проводимость в полупроводниках

Получив некоторые знания об электронах, мы узнали, что во внешней оболочке имеются валентные электроны, которые слабо связаны с ядром. Такой атом, имеющий валентные электроны при приближении к другому атому, валентные электроны обоих этих атомов объединяются, образуя « электронные пары ». Эта связь не очень сильна и, следовательно, это ковалентная связь .

Например, атом германия имеет 32 электрона. 2 электрона на первой орбите, 8 на второй орбите, 18 на третьей орбите и 4 на последней орбите. Эти 4 электрона являются валентными электронами атома германия. Эти электроны имеют тенденцию соединяться с валентными электронами соседних атомов, образуя электронные пары, как показано на следующем рисунке.

кондукция

Создание дыры

Из-за тепловой энергии, подаваемой в кристалл, некоторые электроны стремятся сместиться со своего места и разорвать ковалентные связи. Эти разрушенные ковалентные связи приводят к свободным электронам, которые блуждают случайным образом. Но удаленные электроны создают пустое пространство или валентность позади, которая называется дырой .

Эту дыру, которая представляет отсутствующий электрон, можно рассматривать как единичный положительный заряд, а электрон - как единичный отрицательный заряд. Освобожденные электроны движутся случайно, но когда какое-то внешнее электрическое поле приложено, эти электроны движутся в направлении, противоположном приложенному полю. Но дыры, созданные из-за отсутствия электронов, движутся в направлении приложенного поля.

Отверстие тока

Уже понятно, что при разрыве ковалентной связи создается дыра. На самом деле, в полупроводниковом кристалле наблюдается сильная тенденция к образованию ковалентной связи. Итак, дыра не имеет тенденцию существовать в кристалле. Это может быть лучше понято на следующем рисунке, на котором показана полупроводниковая кристаллическая решетка.

Отверстие тока

Электрон, когда его смещают с места А, образуется дырка. Из-за склонности к образованию ковалентной связи электрон из B сдвигается в A. Теперь, снова, чтобы сбалансировать ковалентную связь в B, электрон перемещается из C в B. Это продолжает строить путь. Это движение дыры при отсутствии приложенного поля является случайным. Но когда прикладывается электрическое поле, отверстие дрейфует вдоль приложенного поля, которое составляет ток отверстия . Это называется током дырок, а не током электронов, потому что движение дырок способствует потоку тока.

Электроны и дырки, находясь в случайном движении, могут сталкиваться друг с другом, образуя пары. Эта рекомбинация приводит к выделению тепла, которое разрывает другую ковалентную связь. Когда температура увеличивается, скорость генерации электронов и дырок увеличивается, таким образом, увеличивается скорость рекомбинации, что приводит к увеличению плотности электронов и дырок. В результате проводимость полупроводника увеличивается, а удельное сопротивление уменьшается, что означает отрицательный температурный коэффициент.

Внутренние полупроводники

Говорят, что полупроводник в его чрезвычайно чистой форме является внутренним полупроводником . Свойства этого чистого полупроводника следующие:

  • Электроны и дырки создаются исключительно тепловым возбуждением.
  • Количество свободных электронов равно числу дырок.
  • Способность проводимости мала при комнатной температуре.

Чтобы увеличить проводящую способность собственного полупроводника, лучше добавить некоторые примеси. Этот процесс добавления примесей называется допингом . Теперь этот легированный собственный полупроводник называется Внешним полупроводником.

Легирование

Процесс добавления примесей в полупроводниковые материалы называется легированием. Добавляемые примеси, как правило, представляют собой пятивалентные и трехвалентные примеси.

Пятивалентные примеси

  • Пятивалентные примеси - это те, которые имеют пять валентных электронов на самой внешней орбите. Пример: висмут, сурьма, мышьяк, фосфор

  • Пятивалентный атом называется донорным атомом, потому что он жертвует один электрон в зону проводимости чистого атома полупроводника.

Трехвалентные примеси

  • Трехвалентные примеси - это те, которые имеют три валентных электрона на самой внешней орбите. Пример: галлий, индий, алюминий, бор

  • Трехвалентный атом называется акцептором, потому что он принимает один электрон от атома полупроводника.

Внешний полупроводник

Нечистый полупроводник, который образуется путем легирования чистого полупроводника, называется внешним полупроводником . Существует два типа внешних полупроводников в зависимости от типа добавляемой примеси. Это внешний полупроводник N-типа и внешний полупроводник P-типа.

Внешний полупроводник N-типа

Небольшое количество пятивалентной примеси добавляется к чистому полупроводнику для получения внешнего полупроводника N-типа. Добавленная примесь имеет 5 валентных электронов.

Например, если атом мышьяка добавляется к атому германия, четыре валентных электрона присоединяются к атомам Ge, а один электрон остается в качестве свободного электрона. Это показано на следующем рисунке.

Внешний тип N полупроводника

Все эти свободные электроны составляют электронный ток. Следовательно, примесь при добавлении в чистый полупроводник обеспечивает электроны для проводимости.

  • В внешнем полупроводнике N-типа, поскольку проводимость происходит через электроны, электроны являются основными носителями, а дырки являются миноритарными носителями.

  • Поскольку нет добавления положительных или отрицательных зарядов, электроны электрически нейтральны.

  • Когда электрическое поле прикладывается к полупроводнику N-типа, к которому добавляется пятивалентная примесь, свободные электроны движутся к положительному электроду. Это называется отрицательной или N-типа проводимости.

Внешний полупроводник P-типа

Небольшое количество трехвалентной примеси добавляется к чистому полупроводнику для получения внешнего полупроводника P-типа. Добавленная примесь имеет 3 валентных электрона. Например, если атом бора добавлен к атому германия, три валентных электрона присоединяются к атомам Ge, образуя три ковалентные связи. Но еще один электрон в германии остается без образования какой-либо связи. Поскольку в боре не осталось электрона, образующего ковалентную связь, пространство рассматривается как дырка. Это показано на следующем рисунке.

P тип Внешний полупроводник

Примесь бора при добавлении в небольшом количестве обеспечивает ряд отверстий, которые помогают в проводимости. Все эти отверстия составляют ток отверстия.

  • В внешнем полупроводнике P-типа, поскольку проводимость проходит через дырки, дырки являются основными носителями, а электроны - миноритарными.

  • Добавленная здесь примесь обеспечивает дырки, которые называются акцепторами , потому что они принимают электроны от атомов германия.

  • Поскольку число подвижных дырок остается равным количеству акцепторов, полупроводник P-типа остается электрически нейтральным.

  • Когда электрическое поле прикладывается к полупроводнику P-типа, к которому добавляется трехвалентная примесь, дырки движутся в направлении отрицательного электрода, но медленнее, чем электроны. Это называется проводимостью P-типа.

  • В этой проводимости P-типа валентные электроны переходят от одной ковалентной связи к другой, в отличие от N-типа.

Почему кремний предпочитают в полупроводниках?

Среди полупроводниковых материалов, таких как германий и кремний, широко используемым материалом для изготовления различных электронных компонентов является кремний (Si) . Кремний предпочтительнее германия по многим причинам, таким как -

  • Ширина запрещенной зоны составляет 0,7 эВ, тогда как для германия она равна 0,2 эВ.

  • Генерация тепловой пары меньше.

  • Кремний легко образует слой SiO2, что способствует изготовлению многих компонентов наряду с технологией интеграции.

  • Si легче найти в природе, чем Ge.

  • Шум в компонентах из Si меньше, чем в Ge.

Следовательно, кремний используется в производстве многих электронных компонентов, которые используются для создания различных схем для различных целей. Эти компоненты имеют индивидуальные свойства и особенности использования.

Основные электронные компоненты включают в себя - резисторы, переменные резисторы, конденсаторы, переменные конденсаторы, индукторы, диоды, туннельные диоды, варакторные диоды, транзисторы, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, светодиоды, солнечные элементы, термистор, варистор, трансформатор, переключатели. реле и пр.