Læringsgrundlag for halvledere

I dette indlæg lærer vi grundigt om de grundlæggende arbejdsprincipper for halvlederanordninger, og hvordan den interne struktur af halvledere fungerer under indflydelse af elektricitet.

Modstandsværdien mellem disse halvledermaterialer har hverken en komplet lederkarakteristik eller en komplet isolator, den er imellem disse to grænser.

Denne funktion kan definere materialets halvlederegenskaber, men det ville være interessant at vide, hvordan en halvleder fungerer mellem en leder og en isolator.

Modstand

I henhold til Ohms lov defineres en elektronisk enheds elektriske modstand som forholdet mellem potentialforskellen på tværs af komponenten og strømmen, der strømmer gennem komponenten.

Brug af modstandsmåling kan nu udgøre et problem, dens værdi ændres, når den fysiske dimension af det resistive materiale ændres.

For eksempel når et resistivt materiale øges i længde, stiger dets modstandsværdi også forholdsmæssigt.
Tilsvarende, når dens tykkelse steg, falder dens modstandsværdi forholdsmæssigt.

Behovet her er at definere et materiale, der kan indikere en egenskab af enten en ledning eller modstand mod elektrisk strøm uanset dets størrelse, form eller fysiske udseende.

Størrelsen for at udtrykke denne særlige modstandsværdi er kendt som Resistivity, som har synbolen ρ, (Rho)

Måleenheden for resistivitet er Ohm-meter (Ω.m), og den kan forstås som en parameter, der er omvendt af ledningsevne.

For at få sammenligningerne mellem resistiviteterne for flere materialer klassificeres disse i 3 hovedkategorier: Ledere, isolator og halvledere. Nedenstående skema indeholder de nødvendige detaljer:

Som du kan se i ovenstående figur, er der en ubetydelig forskel på modstanden af ​​ledere som guld og sølv, hvorimod der kan være en betydelig forskel i modstanden på tværs af isolatorer som kvarts og glas.

Dette skyldes deres reaktion på omgivelsestemperatur, hvilket gør metaller meget effektive ledere end isolatorerne

Ledere

Fra ovenstående diagram forstår vi, at ledere har den mindste mængde modstand, som typisk kan være i mikroohms / meter.

På grund af deres lave resistivitet er elektrisk strøm i stand til at passere dem let på grund af tilgængeligheden af ​​en stor mængde elektroner.

Imidlertid kan disse elektroner kun skubbes, når deres tryk er på tværs af lederen, og dette tryk kan dannes ved at påføre en spænding over lederen.

Når en leder således påføres med en positiv / negativ potentialeforskel, tvinges de frie elektroner for hvert atom i lederen til at løsne sig fra deres forældre atomer, og de begynder at glide over i lederen og er generelt kendt som strøm af strøm .

Graden, i hvilken disse elektroner er i stand til at bevæge sig, afhænger af hvor let de kan frigøres fra deres atomer som reaktion på en spændingsforskel.

Metaller betragtes generelt som gode ledere af elektricitet, og blandt metaller er guld, sølv, kobber og aluminium de bedste ledere ordentligt.

Da disse ledere har meget få elektroner i deres atomers valensbånd, løsnes de let af en potentiel forskel, og de begynder at hoppe fra et atom til det næste atom gennem en proces kaldet 'Domino-effekt', hvilket resulterer i en strøm af strøm over dirigenten.

Selvom guld og sølv er de bedste ledere af elektricitet, foretrækkes kobber og aluminium til fremstilling af ledninger og kabler på grund af deres lave omkostninger og overflod og også deres fysiske robusthed.

På trods af at kobber og aluminium er gode ledere af elektricitet, har de stadig en vis modstand, fordi intet kan være 100% ideelt.

Selv om den er lille, kan modstanden fra disse ledere blive betydelig ved anvendelse af højere strømme. Til sidst spredes modstanden mod højere strøm på disse ledere som varme.

Isolatorer

I modsætning til ledere er isolator dårlige ledere af elektricitet. Disse er generelt i form af ikke-metaller og har meget lidt sårbare eller frie elektroner med deres moderatomer.

Det betyder, at elektronerne til disse ikke-metaller er tæt bundet til deres forældre atomer, som er ekstremt vanskelige at løsne ved anvendelse af spænding.

På grund af denne funktion, når elektronisk spænding tilføres, undgår elektronerne at bevæge sig væk fra atomerne, hvilket resulterer i ingen strøm af elektroner, og der finder derfor ingen ledning sted.

Denne egenskab fører til meget høj modstandsværdi over for isolator i størrelsesordenen mange millioner ohm.

Materialer som glas, marmor, PVC, plast, kvarts, gummi, glimmer, bakelit er eksempler på gode isolatorer.

Ligesom leder spiller isolatorer ligeledes en vigtig rolle i elektronikken. Uden isolator ville det være umuligt at isolere spændingsforskelle på tværs af kredsløbstrin, hvilket fører til kortslutning.

For eksempel ser vi brugen af ​​porcelæn og glas i højspændings tårne ​​til overførsel af vekselstrøm sikkert over kablerne. I ledninger bruger vi PVC til isolering af positive, negative terminaler, og i printkort bruger vi bakelit for at isolere kobberspor fra hinanden.

Grundlæggende om halvledere

Materialer som silicium (Si), germanium (Ge) og Galliumarsenid kommer under de grundlæggende halvledermaterialer. Det er fordi disse materialer har den egenskab at de leder elektricitet mellemliggende, hvilket hverken giver anledning til korrekt ledning eller korrekt isolering. På grund af denne egenskab er disse materialer navngivet som halvledere.

Disse materialer udviser meget få frie elektroner på tværs af deres atomer, som er tæt grupperet i en krystallinsk gitterformation. Alligevel er elektronerne i stand til at løsne sig og strømme, men kun når der anvendes specifikke forhold.

Når det er sagt, bliver det muligt at forbedre ledningshastigheden i disse halvledere ved at indføre eller erstatte en slags 'donor' eller 'acceptor' atomer til det krystallinske layout, hvilket muliggør frigivelse af ekstra 'frie elektroner' og 'huller' eller skruestik omvendt.

Dette implementeres ved at indføre en vis mængde af et eksternt materiale til det eksisterende materiale såsom silicium eller Germanium.

I sig selv er materialer som silicium og Germanium kategoriseret som iboende halvledere på grund af deres ekstreme rene kemiske natur og tilstedeværelsen af ​​komplet halvledende materiale.

Dette betyder også, at ved at anvende en kontrolleret mængde urenhed i dem, er vi i stand til at bestemme ledningshastigheden i disse iboende materialer.

Vi kan introducere typer af urenheder benævnt donorer eller acceptorer til disse materialer for at forbedre disse med enten frie elektroner eller frie huller.

I disse processer, når der tilsættes en urenhed til et indre materiale i andelen af ​​1 urenhedsatom pr. 10 millioner halvledermaterialeatom, betegnes det som Doping .

Med indførelsen af ​​tilstrækkelig urenhed kunne et halvledermateriale omdannes til et N-type eller P-Type materiale.

Silicium er blandt det mest populære halvledermateriale, der har 4 valenselektroner på tværs af sin yderste skal, og også omgivet af tilstødende atomer, der danner en samlet kredsløb på 8 elektroner.

Bindingen mellem de to siliciumatomer er udviklet på en sådan måde, at det tillader deling af en elektron med sit tilstødende atom, hvilket fører til en god stabil binding.

I sin rene form kan en siliciumkrystal have meget få frie valenselektroner, der tilskriver egenskaberne af en god isolator med ekstreme modstandsværdier.

Tilslutning af et siliciummateriale til en potentiel forskel hjælper ikke nogen ledning gennem det, medmindre der oprettes en slags positive eller negative polariteter i det.

Og for at skabe sådanne polariteter implementeres dopingprocessen i disse materialer ved at tilføje urenheder som beskrevet i de foregående afsnit.

Forståelse af Silicon Atom Structure

På ovenstående billeder ser vi, hvordan strukturen af ​​et almindeligt rent siliciumkrystalgitter ser ud. For urenheden introduceres normalt materialer som arsen, antimon eller fosfor i halvlederkrystallerne, der gør dem til ydre, hvilket betyder 'at have urenheder'.

De nævnte urenheder består af 5 elektroner på deres yderste bånd kendt som 'Pentavalent' urenhed til deling med deres tilstødende atomer.
Dette sikrer, at 4 blandt de 5 atomer er i stand til at forbinde med de tilstødende siliciumatomer, undtagen en enkelt 'fri elektron', som kan frigøres, når en elektrisk spænding er tilsluttet.

I denne proces, fordi de urene atomer begynder at 'donere' hver elektron på tværs af deres nærliggende atom, kaldes 'Pentavalente' atomer som 'donorer'.

Brug af antimon til doping

Antimon (Sb) og fosfor (P) bliver ofte det bedste valg til at introducere 'Pentavalent' urenhed til silicium.

I Antimon er 51 elektroner opsat på tværs af 5 skaller omkring dens kerne, mens dets yderste bånd består af 5 elektroner.
På grund af dette er det grundlæggende halvledermateriale i stand til at erhverve yderligere strømbærende elektroner, hver tilskrevet med en negativ ladning. Derfor hedder det 'N-type materiale'.

Elektronerne er også navngivet som 'Majority Carriers', og hullerne, der udvikler sig senere, kaldes 'Minority Carriers'.

Når en antimon-dopet halvleder udsættes for et elektrisk potentiale, erstattes de elektroner, der tilfældigvis bliver slået af, øjeblikkeligt med de frie elektroner fra Antimon-atomer. Men da processen til sidst holder en fri elektron flydende inden i den doterede krystal, får dette det til at være et negativt ladet materiale.

I dette tilfælde kan en halvleder kaldes en N-type, hvis den har donortæthed højere end dens acceptortæthed. Betydning når der er et større antal frie elektroner sammenlignet med antallet af huller, hvilket forårsager en negativ polarisering, som angivet nedenfor.

Forståelse af P-type halvleder

Hvis vi overvejer situationen omvendt ved at indføre en 3-elektron 'Trivalent' urenhed i en halvlederkrystal, for eksempel hvis vi introducerer aluminium, bor eller indium, som indeholder 3 elektroner i deres valensbinding, bliver en 4. binding derfor umulig at danne.

På grund af dette bliver en grundig forbindelse vanskelig, hvilket giver halvlederen mulighed for at have masser af positivt ladede bærere. Disse bærere kaldes 'huller' på tværs af hele halvledergitteret på grund af en hel masse manglende elektroner.

På grund af tilstedeværelsen af ​​huller i siliciumkrystallen tiltrækkes en nærliggende elektron nu til hullet og forsøger at udfylde spalten. Men så snart elektronerne prøver at gøre dette, forlader den sin position og skaber et nyt hul i sin tidligere position.

Dette tiltrækker igen den næste nærliggende elektron, som igen efterlader et nyt hul, mens de prøver at besætte det næste hul. Processen fortsætter med at give et indtryk af, at hullerne faktisk bevæger sig eller strømmer hen over halvlederen, hvilket vi generelt genkender som det konventionelle strømningsmønster for strømmen.

Da 'hullerne ser ud til at bevæge sig', giver det anledning til en mangel på elektroner, der tillader hele den dopede krystal at få en positiv polaritet.

Da hvert urenhedsatom bliver ansvarlig for at generere et hul, kaldes disse trivalente urenheder 'Acceptorer' på grund af det faktum, at disse fortsætter med at acceptere gratis elektroner kontinuerligt i processen.
Bor (B) er et af de trivalente tilsætningsstoffer, der populært anvendes til den ovenfor forklarede dopingproces.

Når bor bruges som et dopingmateriale, får det ledningen primært til at have positivt ladede bærere.
Dette resulterer i skabelsen af ​​P-type materiale med positive huller kaldet 'Majoritetsbærere', mens de frie elektroner kaldes 'Minoritetsbærere'.

Dette forklarer, hvordan et halvlederbasismateriale bliver til en P-type på grund af en øget tæthed af dets acceptoratomer sammenlignet med donoratomer.

Hvordan bor bruges til doping

Sammenfatning af det grundlæggende ved halvledere

N-type halvleder (dopet med en pentavalent urenhed som f.eks. Antimon)

Sådanne halvledere, der er doteret med pentavalente urenhedsatomer, betegnes som donorer, da de viser ledning gennem bevægelse af elektroner og derfor betegnes som N-type halvledere.
I N-type halvleder finder vi:

1. Positivt ladede donorer
2. Et stort antal gratis elektroner
3. Relativt mindre antal 'huller' sammenlignet med 'frie elektroner'
4. Som et resultat af doping oprettes der positivt ladede donorer og negativt ladede frie elektroner.
5. Anvendelsen af ​​en potentiel forskel resulterer i udviklingen af ​​negativt ladede elektroner og positivt ladede huller.

P-type halvleder (dopet med en trivalent urenhed som f.eks. Bor)

Sådanne halvledere, der er doteret med Trivalente urenhedsatomer, betegnes som acceptorer, da de viser ledning gennem hulernes bevægelse, og derfor betegnes de som P-type halvledere.
I N-type halvleder finder vi:

1. Negativt ladede acceptorer
2. Rigelig mængde huller
3. Relativt mindre antal frie elektroner sammenlignet med tilstedeværelsen af ​​huller.
4. Doping resulterer i oprettelsen af ​​negativt ladede acceptorer og positivt ladede huller.
5. Anvendelse af en arkiveret spænding forårsager dannelsen af ​​positivt ladede huller og negativt ladede frie elektroner.

I sig selv er P- og N-halvlederne naturligvis elektrisk neutrale.
Almindeligvis er Antimon (Sb) og bor (B) de to materialer, der anvendes som dopingmedlemmer på grund af deres rigelige tilgængelighed. Disse kaldes også 'mettaloider'.

Når det er sagt, hvis du ser på det periodiske system, vil du finde mange andre lignende materialer med 3 eller 5 elektroner i deres yderste atombånd. Impliserer, at disse materialer også kan blive egnede til dopingformålet.
Periodiske system