ידע בסיסי של מוליכים למחצה

1.1 מבוא למוליכים למחצה

מכשירי מוליכים למחצה הם רכיבים בסיסיים של מעגלים אלקטרוניים, והם עשויים מחומרים מוליכים למחצה. חומרים מוליכים למחצה מוגדרים כחומרים עם מוליכות חשמלית בין מוליכים ומבודדים. בנוסף למוליכות בין מוליכים ומבודדים, גם מוליכים למחצה הם בעלי התכונות הבאות:

1, עליית הטמפרטורה יכולה לשפר משמעותית את המוליכות של מוליכים למחצה. לדוגמה, ההתנגדות של סיליקון טהור (SI) מכפילה כאשר הטמפרטורה עולה מ -30 מעלות ל 20 מעלות.

2, כמויות עקבות של זיהומים (נוכחותם וריכוזם) יכולים לשנות באופן דרסטי את המוליכות של מוליכים למחצה. לדוגמה, אם אטום טומאה אחד (כגון +3 או +5 אלמנט ערכיות) מוצג למיליון אטומי סיליקון, ההתנגדות בטמפרטורת החדר (27 מעלות; מדוע טמפרטורת החדר 27 מעלות? מכיוון שהטמפרטורה המוחלטת היא שלם, T. 214,000 Ω · ס"מ עד 0.2 Ω · ס"מ.

3, חשיפה לאור יכולה לשפר משמעותית את המוליכות של מוליכים למחצה. לדוגמה, לסרט קדמיום סולפיד (CDS) המופקד על מצע מבודד הוא בעל התנגדות של כמה מגהם (MΩ) בהיעדר אור, אך תחת תאורה, ההתנגדות יורדת לכמה עשרות קילומים (KΩ).

4, בנוסף, שדות מגנטיים וחשמליים יכולים גם לשנות באופן ניכר את המוליכות של מוליכים למחצה.

לפיכך, מוליכים למחצה הם חומרים עם מוליכות בין מוליכים ומבודדים, ותכונותיהם המהותיות רגישות מאוד לשינויים משמעותיים כתוצאה מגורמים חיצוניים כמו אור, חום, מגנטיות, שדות חשמליים וריכוזי טומאה לעקוב.

בהתחשב בתכונות יתרון אלה, ניתן להשתמש ביעילות במוליכים למחצה. בפרט, הדיונים שלאחר מכן על דיודות, טרנזיסטורים ושדה {}}} טרנזיסטורי אפקט ימחישו כיצד נרתים רכושם של זיהומי עקבות שינוי משמעותי בשינוי מוליכות מוליכים למחצה.

1.2 מוליכים למחצה מהותיים

כיצד אנו מכניסים זיהומי עקבות למוליכים למחצה? האם אנו יכולים להוסיף ישירות זיהומים לקוורץ טבעי (אשר המרכיב העיקרי שלו הוא SI)? איננו יכולים להשתמש ישירות בסיליקון טבעי מכיוון שהוא מכיל זיהומים שונים, מה שהופך את המוליכות שלה לבלתי נשלטת. כדי לשמש כחומר הבסיסי עבור כל המוליכים למחצה, המטרה העיקרית היא להשיג מוליכות נשלטת.

לכן עלינו לטהר סיליקון טבעי למבנה גביש סיליקון טהור. מבנה גביש מוליך למחצה טהור זה מכונה מוליך למחצה מהותי.

מאפיינים של מוליכים למחצה מהותיים: (מוליכים למחצה מהותיים הם מבני גביש טהורים)

1, טוהר, כלומר אין זיהומים.

2, מבנה קריסטל, המייצג יציבות. האטומים קשורים זה לזה, ומונעים תנועה חופשית, מה שמביא למוליכות נמוכה עוד יותר בהשוואה לסיליקון טבעי.

1.2.1 מבנה גביש של מוליכים למחצה מהותיים

בכימיה למדנו כי האלקטרונים החיצוניים ביותר של שני אטומי סיליקון סמוכים (SI) בגביש הופכים לאלקטרונים משותפים ויוצרים קשרים קוולנטיים. עם זאת, לא כל האלקטרונים החיצוניים ביותר של כל אטום SI נותרו אך ורק בקשרים הקוואלנטיים שלהם. הסיבה לכך היא שהחומר קיים בסביבה עם טמפרטורה. בנוסף לתנועה שהוזמנה, האלקטרונים החיצוניים ביותר עוברים גם תנועה תרמית - תנועה אקראית - בגלל השפעת הטמפרטורה. לעיתים, אלקטרון עשוי להיות בעל אנרגיה גבוהה יותר מאשר אטומים אחרים, ומאפשר לו להשתחרר מהקשר הקוולנטי ולהפוך לאלקטרון חופשי. אפילו עם כמות קטנה של אנרגיה, האלקטרונים החיצוניים ביותר של מוליך יכולים לייצר תנועה כיוונית.

מוליכים למחצה מהותיים נקיים מזיהומים. כאשר אלקטרון משתחרר מקשר קוולנטי, הוא משאיר אחריו מקום פנוי המכונה חור. במוליכים למחצה מהותיים, מספר האלקטרונים החופשיים שווה למספר החורים, והם נוצרים בזוגות. מבנה הקריסטל, החורים והאלקטרונים החופשיים מאוירים באיור למטה:

1.2.1 מבנה גביש של מוליכים למחצה מהותיים (המשך)

אם מיושם שדה חשמלי חיצוני על פני מוליך למחצה מהותי:

1, אלקטרונים חופשיים נעים בכיוון, ויוצריםזרם אלקטרונים.

2, בגלל נוכחותם של חורים, אלקטרונים של ערכי נעים בכיוון ספציפי למילוי חורים אלה, וגורמים לחורים לעבור גם תנועה כיוונית (מכיוון שנוצרים אלקטרונים וחורים חופשיים בזוגות). תנועת חורים זו יוצרת אזרם חורו כאשר אלקטרונים וחורים חופשיים נושאים מטענים מנוגדים ונעים בכיוונים מנוגדים, הזרם הכולל במוליך למחצה מהותי הוא סכום של שני הזרמים הללו.

התופעות לעיל מדגימות כי גם חורים וגם אלקטרונים חופשיים פועלים כחלקיקים הנושאים מטען חשמלי (חלקיקים כאלה נקראיםמטענים נושאים). לפיכך, שניהם נושאי מטען. זה מבחין במוליכים למחצה מהותיים של מוליכים: במוליכים, יש רק סוג אחד של מוביל מטען, ואילו במוליכים למחצה מהותיים ישנם שני סוגים של נושאי מטען.

1.2.2 ריכוז המוביל במוליכים למחצה מהותיים

התופעה בה מוליך למחצה מייצר אלקטרונים בחינם - זוגות חור תחת עירור תרמי נקראתעירור מהותי.

במהלך התנועה האקראית של אלקטרונים חופשיים, כאשר הם נתקלים בחורים, האלקטרונים והחורים החופשיים נעלמים בו זמנית. תופעה זו נקראתרקומבינציהו מספר הזוגות החור של האלקטרונים החופשיים - הנוצרים על ידי עירור מהותי שווה למספר האלקטרונים החופשיים - זוגות חור השולטים מחדש, השגת שיווי משקל דינאמי. המשמעות היא שבטמפרטורה מסוימת, ריכוזי האלקטרונים והחורים החופשיים זהים.

כאשר טמפרטורת הסביבה עולה, תנועה תרמית מתעצמת, ואלקטרונים חופשיים יותר משתחררים מאילוצי אלקטרונים של ערכיות, מה שמוביל לעלייה בחורים. כתוצאה מכך, ריכוז המוביל גדל ומשפר את המוליכות. לעומת זאת, כאשר הטמפרטורה פוחתת, ריכוז המנשא יורד ומפחית את המוליכות. כאשר הטמפרטורה יורדת לאפס מוחלט (0 K), אלקטרונים של ערכיות חסרים את האנרגיה להשתחרר מקשרים קוולנטיים, וכתוצאה מכך אין מוליכות.

במוליכים למחצה מהותיים, המוליכות כוללת תנועה של שני סוגים של נושאי מטען. למרות שהמוליכות של מוליכים למחצה מהותיים תלויה בטמפרטורה, היא נשארת גרועה ביותר בגלל המבנה הגבישי שלהם. למרות המוליכות הגרועה שלהם, מוליכים למחצה מהותיים מראים שליטה חזקה בתכונותיהם המוליכות.

1.3 מוליכים למחצה מסוממים

פרק זה יסביר מדוע מוליכים למחצה מהותיים מציגים שליטה כה חזקה במוליכות. כאן נשתמש ברכוש הבא של מוליכים למחצה:כמויות עקבות של זיהומים יכולים לשנות משמעותית את המוליכות שלהם.

"סמים" מתייחס לתהליך הצגת אלמנטים טומאה מתאימים למוליכים למחצה מהותיים. תלוי בסוג אלמנטים טומאה שנוספו, ניתן לסווג מוליכים למחצה מסוממיםN - סוג מוליכים למחצהוכןP - מוליכים למחצהו על ידי שליטה בריכוז האלמנטים הטומאה, ניתן להסדיר במדינות את המוליכות של מוליך למחצה מסומם.

1.3.1 n - סוג SemicOnductor

"N" עומדשְׁלִילִי, כאשר אלקטרונים נושאים מטען שלילי והם קלים. כדי להכניס אלקטרונים נוספים למבנה הקריסטל, בדרך כלל מסוממים אלמנטים פנטוולנטיים (למשל, זרחן, P) מסוממים במוליך למחצה. מכיוון שלאטום זרחן יש חמישה אלקטרונים של ערכי, לאחר שיצר קשרים קוולנטיים עם אטומי סיליקון מסביב, נשאר אלקטרון נוסף נוסף. אלקטרון זה יכול בקלות להפוך לאלקטרון חופשי עם קלט אנרגיה מינימלי. אטום הטומאה, הקבוע כיום בסריג הקריסטל וחוסר אלקטרון, הופך ליון חיובי לא תנועה. זה מאויר באיור למטה:

1.3.1 n - סוג Semiconductor (המשך)

ב- N - מוליך למחצה, ריכוז האלקטרונים החופשיים גדול מזה של חורים. לכן נקראים אלקטרונים בחינםנושאי רוב(מכפילים), בעוד חורים נקראיםנושאי מיעוט(קטינים). לפיכך, המוליכות של מוליך למחצה N - מסתמכת בעיקר על אלקטרונים חופשיים. ככל שהריכוז של זיהומים מסוממים גבוה יותר, כך ריכוז נושאי הרוב גדול יותר, וככל שהמוליכות חזקה יותר.

הבה נבחן כיצד ריכוז נושאי המיעוט משתנה כאשר ריכוז המנשא הרוב גדל. ריכוז מוביל המיעוט יורד מכיוון שהמספר המוגבר של האלקטרונים החופשיים מעלה את ההסתברות לשילוב מחדש עם חורים.

כאשר הטמפרטורה עולה, מספר המובילים עולה, והגידול במובילי הרוב שווה לעלייה במובילי המיעוט. עם זאת, אחוז השינוי בריכוז מוביל המיעוט גבוה יותר מזה של נושאי הרוב (בגלל ריכוזי הבסיס השונים של מיעוטים ומג'ורנים, למרות שהגידול המספרי זהה). לכן, למרות שריכוז נושאי המיעוט נמוך, אין להמעיט בהם. נושאי מיעוט הם גורם קריטי המשפיע על יציבות הטמפרטורה של מכשירי מוליכים למחצה, ולכן יש לקחת בחשבון גם את הריכוז שלהם.

1.3.2 p - סוג Semiconductor

"P" מייצגחִיוּבִי, נקרא על שם החורים הטעונים באופן חיובי. כדי להכניס חורים נוספים למבנה הגביש, בדרך כלל מסוממים אלמנטים משולבים (למשל, בורון, ב) למוליך למחצה. כאשר אטום בורון יוצר קשרים קוולנטיים עם אטומי סיליקון מסביב, הוא יוצר מקום פנוי (שהוא ניטרלי חשמלי). כאשר אלקטרון ערכיות מאטום סיליקון שכנה ממלא מקום פנוי זה, הקשר הקוולנטי מייצר חור. אטום הטומאה הופך אז ליון שלילי ללא תנועה. זה מאויר באיור למטה:

1.3.2 p - סוג Semiconductor (המשך)

בהשוואה ל- N - סוג מוליכים למחצה, ב- p - סוג מוליכים למחצה:

חורים הם המובילים ברוב, ואילו אלקטרונים חופשיים הם נושאי המיעוט.

המוליכות מסתמכת בעיקר על חורים. ככל שריכוז זיהומים מסוממים גבוה יותר, כך ריכוז החורים גדול יותר, מה שמוביל למוליכות חזקה יותר (שכן המשרות הפנויות באטומי טומאה סופגים אלקטרונים). ריכוז המוביל של מיעוט יורד.

כאשר הטמפרטורה עולה, אחוז השינוי בריכוז האלקטרונים החופשי גבוה מזה של ריכוז החור.