Pusvadītāju pamatu apguve

Šajā rakstā mēs vispusīgi uzzinām par pusvadītāju ierīču darbības principiem un to, kā pusvadītāju iekšējā struktūra darbojas elektrības ietekmē.

Pretestības vērtībai starp šiem pusvadītāju materiāliem nav ne pilnīgas vadītāja īpašības, ne pilnīga izolatora, tas ir starp šīm divām robežām.

Šī funkcija var definēt materiāla pusvadītāja īpašības, tomēr būtu interesanti uzzināt, kā pusvadītājs darbojas starp vadītāju un izolatoru.

Pretestība

Saskaņā ar Ohma likumu elektroniskās ierīces elektriskā pretestība tiek definēta kā potenciālās starpības attiecība komponentā pret strāvu, kas plūst caur komponentu.

Tagad, izmantojot pretestības mērīšanu, var rasties viena problēma, tā vērtība mainās, mainoties rezistīvā materiāla fiziskajai dimensijai.

Piemēram, palielinot pretestības materiāla garumu, proporcionāli palielinās arī tā pretestības vērtība.
Līdzīgi, palielinoties tā biezumam, pretestības vērtība proporcionāli samazinās.

Šeit ir jādefinē materiāls, kas var norādīt uz vadītspēju vai pretestību elektriskajai strāvai neatkarīgi no tā lieluma, formas vai fiziskā izskata.

Šīs īpašās pretestības vērtības izteikšanas lielums ir pazīstams kā pretestība, kurai ir simbols ρ, (Rho)

Pretestības mērvienība ir ommetrs (Ω.m), un to var saprast kā parametru, kas apgrieztu vadītspēju.

Lai iegūtu vairāku materiālu pretestības salīdzinājumus, tos iedala 3 galvenajās kategorijās: vadītāji, izolators un pusvadītāji. Zemāk redzamajā diagrammā sniegta nepieciešamā informācija:

Kā redzat iepriekš redzamajā attēlā, tādu vadītāju kā zelta un sudraba pretestībā ir nenozīmīga atšķirība, turpretī izolatoros, piemēram, kvarcā un stiklā, var būt ievērojama atšķirība pretestībā.

Tas ir saistīts ar to reakciju uz apkārtējo temperatūru, kas metālus padara par ļoti efektīviem vadītājiem nekā izolatori

Diriģenti

No iepriekš minētās diagrammas mēs saprotam, ka vadītājiem ir vismazākā pretestība, kas parasti var būt mikroohmi / metrs.

Zemas pretestības dēļ elektriskā strāva spēj tām viegli iziet cauri, pateicoties lielam elektronu daudzumam.

Tomēr šos elektronus var virzīt tikai tad, kad to spiediens ir pāri vadītājam, un šo spiedienu var izveidot, pielietojot spriegumu visā vadītājā.

Tādējādi, ja vadītājs tiek uzlikts ar pozitīvu / negatīvu potenciāla starpību, katra vadītāja atoma brīvie elektroni ir spiesti izstumties no vecāku atomiem un tie sāk dreifēt pāri vadītājam, un to parasti sauc par strāvas plūsmu .

Šo elektronu kustības pakāpe ir atkarīga no tā, cik viegli tos var atbrīvot no atomiem, reaģējot uz sprieguma starpību.

Metāli parasti tiek uzskatīti par labiem elektrības vadītājiem, un starp metāliem zelta, sudraba, vara un alumīnija vadītāji ir labākie.

Tā kā šiem vadītājiem ir ļoti maz elektronu to atomu valences joslā, potenciālā atšķirība tos viegli izstumj, un viņi sāk lēkt no viena atoma uz nākamo atomu, izmantojot procesu, ko sauc par “Domino efektu”, kā rezultātā strāvas plūsma pāri diriģents.

Lai gan zelts un sudrabs ir labākie elektrības vadītāji, vadu un kabeļu izgatavošanai priekšroku dod varam un alumīnijam to zemo izmaksu un pārpilnības, kā arī fiziskā izturības dēļ.

Neskatoties uz to, ka varš un alumīnijs ir labi elektrības vadītāji, tiem tomēr ir zināma pretestība, jo nekas nevar būt 100% ideāls.

Kaut arī šo vadītāju piedāvātā pretestība ir maza, piemērojot lielāku strāvu, tā var kļūt ievērojama. Galu galā pretestība lielākai strāvai uz šiem vadītājiem tiek izkliedēta kā siltums.

Izolatori

Pretstatā vadītājiem izolators ir slikti elektrības vadītāji. Tie parasti ir nemetālu formā, un tiem ir ļoti maz neaizsargātu vai brīvu elektronu ar vecāku atomiem.

Tas nozīmē, ka šo nemetālu elektroni ir cieši saistīti ar vecāku atomiem, kurus ir ārkārtīgi grūti atdalīt, pielietojot spriegumu.

Sakarā ar šo funkciju, kad tiek izmantots elektriskais spriegums, elektroni nespēj attālināties no atomiem, kā rezultātā elektronu plūsma nenotiek, un tāpēc nevadās vadīšana.

Šī īpašība rada ļoti augstu izolatora pretestības vērtību daudzu miljonu omu vērtībā.

Labu izolatoru piemēri ir tādi materiāli kā stikls, marmors, PVC, plastmasa, kvarcs, gumija, vizla, bakelīts.

Tāpat kā diriģentam, arī izolatoriem ir svarīga loma elektronikas reģistrā. Bez izolatora nebūtu iespējams izolēt sprieguma atšķirības ķēdes posmos, kas noved pie īssavienojumiem.

Piemēram, mēs redzam porcelāna un stikla izmantošanu augstsprieguma torņos, lai droši pārsūtītu maiņstrāvu pa kabeļiem. Vados mēs izmantojam PVC pozitīvu, negatīvu spaiļu izolēšanai, bet PCB - bakelītu, lai izolētu vara sliedes viena no otras.

Pusvadītāju pamati

Materiāli, piemēram, silīcijs (Si), germānijs (Ge) un gallija arsenīds, ietilpst pusvadītāju pamatmateriālos. Tas ir tāpēc, ka šiem materiāliem ir raksturīga elektrības vadīšana pa vidu, kas nerada ne pareizu vadīšanu, ne pienācīgu izolāciju. Šīs īpašības dēļ šie materiāli tiek nosaukti par pusvadītājiem.

Šie materiāli uz to atomiem uzrāda ļoti maz brīvo elektronu, kas ir cieši sagrupēti kristāliskā režģa veidojumā. Tomēr elektroni spēj izkustēties un plūst, bet tikai tad, ja tiek izmantoti īpaši apstākļi.

To sakot, ir iespējams uzlabot vadīšanas ātrumu šajos pusvadītājos, ieviešot vai aizstājot kristāliskā izkārtojumā kaut kādus “donoru” vai “akceptoru” atomus, ļaujot atbrīvot papildu “brīvos elektronus” un “caurumus” vai otrādi otrādi.

To īsteno, ieviešot noteiktu daudzumu ārēja materiāla esošajiem materiāliem, piemēram, silīcijs vai germānija.

Pats par sevi materiāli, piemēram, silīcijs un germānija, tiek klasificēti kā iekšējie pusvadītāji to ārkārtīgi tīra ķīmiskā rakstura un pilnīga pusvadītāja materiāla dēļ.

Tas arī nozīmē, ka, uzklājot tajos kontrolētu piemaisījumu daudzumu, mēs varam noteikt vadīšanas ātrumu šajos iekšējos materiālos.

Mēs varam ieviest piemaisījumu veidus, kas tiek dēvēti par šo materiālu donoriem vai akceptoriem, lai tos pastiprinātu ar brīviem elektroniem vai brīviem caurumiem.

Šajos procesos, ja piemaisījumu iekšējam materiālam pievieno 1 piemaisījuma atoma proporcijā uz 10 miljoniem pusvadītāju materiāla atomu, to sauc par Dopings .

Ieviešot pietiekamu piemaisījumu, pusvadītāju materiālu varēja pārveidot par N vai P tipa materiālu.

Silīcijs ir viens no populārākajiem pusvadītāju materiāliem, kura viscaurākajā apvalkā ir 4 valences elektroni, un to ieskauj arī blakus esošie atomi, kas kopā veido 8 elektronu orbītas.

Savienojums starp diviem silīcija atomiem ir izveidots tā, ka tas ļauj dalīties vienā elektronā ar blakus esošo atomu, kā rezultātā tiek panākta laba stabila saistīšanās.

Tīrā veidā silīcija kristālam var būt ļoti maz brīvo valences elektronu, piedēvējot tam laba izolatora īpašības, kam ir ārkārtējas pretestības vērtības.

Silīcija materiāla savienošana ar potenciālo starpību nepalīdzēs nevienai vadīšanai caur to, ja vien tajā netiks izveidota kāda veida pozitīva vai negatīva polaritāte.

Lai izveidotu šādu polaritāti, šajos materiālos tiek ieviests dopinga process, pievienojot piemaisījumus, kā tas tika apspriests iepriekšējos punktos.

Izpratne par silīcija atomu struktūru

Iepriekš redzamajos attēlos mēs redzam, kā izskatās parasta tīra silīcija kristāla režģa struktūra. Piemaisījumam parasti pusvadītāju kristālos tiek ievadīti tādi materiāli kā arsēns, antimons vai fosfors, pārvēršot tos par ārējiem, kas nozīmē “piemaisījumi”.

Minētie piemaisījumi sastāv no 5 elektroniem to vistālākajā joslā, kas pazīstams kā “Pentavalentais” piemaisījums, lai dalītos ar blakus esošajiem atomiem.
Tas nodrošina, ka 4 no 5 atomiem spēj savienoties ar blakus esošajiem silīcija atomiem, izņemot vienu “brīvo elektronu”, kuru var atbrīvot, kad ir pievienots elektriskais spriegums.

Šajā procesā, tā kā nešķīstie atomi sāk “ziedot” katru elektronu visā tuvumā esošajā atomā, “Pentavalentie” atomi tiek nosaukti par “donoriem”.

Antimona izmantošana dopinga lietošanā

Antimons (Sb) un fosfors (P) bieži kļūst par labāko izvēli silīcija “Pentavalentā” piemaisījuma ievadīšanai.

Antimonā 51 elektrons ir uzstādīts 5 apvalkos ap tā kodolu, bet tā ārējā josla sastāv no 5 elektroniem.
Sakarā ar to pusvadītāju pamatmateriāls spēj iegūt papildu strāvas pārnēsāšanas elektronus, no kuriem katram tiek piešķirts negatīvs lādiņš. Tāpēc to sauc par “N-veida materiālu”.

Arī elektroni tiek nosaukti par “vairākuma nesējiem”, un vēlāk izveidojušās bedrītes tiek sauktas par “mazākuma nesējiem”.

Kad pusvadītāju ar antimonu leģē, pakļauj elektriskajam potenciālam, elektronus, kuri notriec, uzreiz aizvieto brīvie elektroni no antimona atomiem. Tomēr, tā kā process galu galā notur brīvo elektronu, kas peld leģētajā kristālā, tas izraisa tā negatīvi lādētu materiālu.

Šajā gadījumā pusvadītāju var saukt par N-tipu, ja tā donora blīvums ir lielāks par tā akceptora blīvumu. Nozīme, kad ir lielāks brīvo elektronu skaits, salīdzinot ar atveru skaitu, izraisot negatīvu polarizāciju, kā norādīts zemāk.

Izpratne par P tipa pusvadītāju

Ja mēs apsveram situāciju gluži pretēji, ieviešot 3 elektronu 'Trivalentu' piemaisījumu pusvadītāju kristālā, piemēram, ja mēs ievedam alumīniju, boru vai indiju, kuru valences saitē ir 3 elektroni, tāpēc 4. savienojumu kļūst neiespējami izveidot.

Tāpēc kļūst sarežģīta rūpīga savienošana, ļaujot pusvadītājam būt daudz pozitīvi uzlādētu nesēju. Šos nesējus visā pusvadītāju režģī sauc par “caurumiem”, jo trūkst daudz elektronu.

Tā kā silīcija kristālā ir caurumi, tuvumā esošo elektronu piesaista caurums, mēģinot aizpildīt slotu. Tomēr, tiklīdz elektroni mēģina to izdarīt, tas atbrīvo savu pozīciju, radot jaunu caurumu iepriekšējā pozīcijā.

Tas savukārt piesaista nākamo tuvumā esošo elektronu, kas, mēģinot ieņemt nākamo caurumu, atkal atstāj jaunu caurumu. Šis process turpina radīt iespaidu, ka caurumi faktiski virzās vai straum pāri pusvadītājam, ko mēs parasti atzīstam par parasto strāvas plūsmas modeli.

Tā kā 'caurumi, šķiet, pārvietojas', izraisa elektronu trūkumu, kas ļauj visam leģētajam kristālam iegūt pozitīvu polaritāti.

Tā kā katrs piemaisījumu atoms kļūst atbildīgs par cauruma radīšanu, šos trīsvērtīgos piemaisījumus sauc par “akceptoriem”, jo tie procesā nepārtraukti pieņem brīvos elektronus.
Bors (B) ir viena no trīsvērtīgajām piedevām, ko tautā izmanto iepriekš izskaidrotajā dopinga procesā.

Ja bors tiek izmantots kā dopinga materiāls, tas izraisa vadītspēju galvenokārt ar pozitīvi uzlādētiem nesējiem.
Tā rezultātā tiek izveidots P veida materiāls ar pozitīviem caurumiem, ko sauc par “vairākuma nesējiem”, bet brīvos elektronus - par “mazākuma nesējiem”.

Tas izskaidro, kā pusvadītāju pamatmateriāls pārvēršas par P tipu, pateicoties tā akceptora atomu palielinātajam blīvumam, salīdzinot ar donora atomiem.

Kā Boronu lieto dopingam

Apkopojot pusvadītāju pamatus

N tipa pusvadītājs (dopēts ar pentavalentu piemaisījumu, piemēram, antimonu)

Šādus pusvadītājus, kuriem ir pievienoti Pentavalentu piemaisījumu atomi, sauc par donoriem, jo ​​tie elektrovadoties demonstrē elektronu kustību, un tāpēc tos sauc par N-veida pusvadītājiem.
N tipa pusvadītājā mēs atrodam:

1. Pozitīvi uzlādēti donori
2. Bagātīgs brīvo elektronu skaits
3. Salīdzinoši mazāks “caurumu” skaits, salīdzinot ar “brīvajiem elektroniem”
4. Dopinga rezultātā rodas pozitīvi lādēti donori un negatīvi lādēti brīvie elektroni.
5. Potenciālās starpības piemērošana rada negatīvi lādētu elektronu un pozitīvi uzlādētu atveru veidošanos.

P tipa pusvadītājs (dopēts ar trīsvērtīgu piemaisījumu, piemēram, bors)

Šādus pusvadītājus, kuriem ir pievienoti trīsvērtīgi piemaisījumu atomi, sauc par akceptoriem, jo ​​tie caur caurumu kustību parāda vadītspēju un tāpēc tos sauc par P tipa pusvadītājiem.
N tipa pusvadītājā mēs atrodam:

1. Negatīvi uzlādēti akceptori
2. Pārmērīgs urbumu daudzums
3. Salīdzinoši mazāks brīvo elektronu skaits, salīdzinot ar atveru klātbūtni.
4. Dopinga rezultātā rodas negatīvi lādēti akceptori un pozitīvi uzlādēti caurumi.
5. Iesniegtā sprieguma izmantošana rada pozitīvi uzlādētu atveru un negatīvi lādētu brīvo elektronu veidošanos.

Pats par sevi P un N tipa pusvadītāji dabiski ir elektriski neitrāli.
Parasti Antimons (Sb) un bors (B) ir divi materiāli, kas tiek izmantoti kā dopinga dalībnieki to bagātīgās pieejamības dēļ. Tos sauc arī par “mettaloīdiem”.

To sakot, paskatoties periodiskajā tabulā, jūs atradīsit daudz citu līdzīgu materiālu, kuru visattālākajā atomu joslā ir 3 vai 5 elektroni. Tas nozīmē, ka šie materiāli var kļūt piemēroti arī dopinga lietošanai.
Periodiskā tabula