Učenje osnova poluvodiča

U ovom postu sveobuhvatno učimo o temeljnim principima rada poluvodičkih uređaja i o tome kako funkcionira unutarnja struktura poluvodiča pod utjecajem električne energije.

Vrijednost otpora između ovih poluvodičkih materijala nema niti kompletnu karakteristiku vodiča niti potpuni izolator, ona je između ove dvije granice.

Ova značajka može definirati svojstvo poluvodiča materijala, ali bilo bi zanimljivo znati kako poluvodič djeluje između vodiča i izolatora.

Otpornost

Prema Ohmovu zakonu, električni otpor elektroničkog uređaja definira se kao omjer razlike potencijala u komponenti i struje koja prolazi kroz komponentu.

Sada korištenje mjerenja otpora može predstavljati jedan problem, čija se vrijednost mijenja kako se mijenja fizička dimenzija otpornog materijala.

Na primjer, kada se otporni materijal poveća u duljinu, njegova vrijednost otpora također se proporcionalno povećava.
Slično tome, kada se njegova debljina poveća, vrijednost otpora proporcionalno se smanjuje.

Ovdje je potrebno definirati materijal koji može ukazivati ​​na svojstvo vodljivosti ili suprotnosti električnoj struji, bez obzira na njezinu veličinu, oblik ili fizički izgled.

Veličina za izražavanje ove posebne vrijednosti otpora poznata je kao Otpornost, koja ima sinbol ρ, (Rho)

Mjerna jedinica otpornosti je Ohm-metar (Ω.m) i može se shvatiti kao parametar obrnut od vodljivosti.

Kako bi se postigle usporedbe između otpornosti nekoliko materijala, oni su klasificirani u 3 glavne kategorije: provodnici, izolator i poluvodiči. Grafikon u nastavku daje potrebne detalje:

Kao što možete vidjeti na gornjoj slici, postoji zanemariva razlika u otpornosti vodiča poput zlata i srebra, dok može postojati značajna razlika u otpornosti izolatora poput kvarca i stakla.

To je zbog njihovog odgovora na temperaturu okoline što metale čini izuzetno učinkovitim vodičima od izolatora

Dirigenti

Iz gornje tablice razumijemo da vodiči imaju najmanju otpornost, koja obično može biti u mikroohm / metar.

Zbog njihove male otpornosti električna struja može lako proći kroz njih, zbog dostupnosti velike količine elektrona.

Međutim, ti se elektroni mogu potiskivati ​​samo kada je njihov pritisak preko vodiča, a taj tlak može nastati primjenom napona na vodiču.

Dakle, kada se primijeni vodič s pozitivnom / negativnom razlikom potencijala, slobodni elektroni svakog atoma vodiča prisiljeni su istisnuti se od svojih matičnih atoma i oni počinju lebdjeti unutar vodiča, a općenito je poznat kao protok struje .

Stupanj u kojem se ovi elektroni mogu kretati ovisi o tome koliko se lako mogu osloboditi svojih atoma, kao odgovor na razliku napona.

Metali se općenito smatraju dobrim vodičima električne energije, a među metalima zlato, srebro, bakar i aluminij najbolje su uređeni vodiči.

Budući da ti vodiči imaju vrlo malo elektrona u valentnom pojasu svojih atoma, oni se lako istisnu zbog razlike potencijala i počnu skakati s jednog atoma na sljedeći atom kroz proces nazvan 'Domino efekt', što rezultira protokom struje preko dirigent.

Iako su zlato i srebro najbolji vodiči električne energije, bakar i aluminij poželjni su za izradu žica i kabela zbog svoje niske cijene i obilja, kao i fizičke čvrstoće.

Unatoč činjenici da su bakar i aluminij dobri vodiči električne energije, oni i dalje imaju određeni otpor, jer ništa ne može biti 100% idealno.

Iako je mali otpor koji pružaju ovi vodiči, primjena jačih struja može postati značajna. Na kraju se otpor veće struje na tim vodičima rasipa kao toplina.

Izolatori

Suprotno vodičima, izolatori su loši vodiči električne energije. Oni su uglavnom u obliku nemetala i imaju vrlo malo ranjivih ili slobodnih elektrona sa svojim roditeljskim atomima.

Što znači da su elektroni ovih nemetala čvrsto povezani sa svojim matičnim atomima, koje je izuzetno teško istisnuti primjenom napona.

Zbog ove značajke, kada se primijeni električni napon, elektroni se ne odmiču od atoma što rezultira protokom elektrona i stoga se ne odvija provodljivost.

Ovo svojstvo dovodi do vrlo visoke vrijednosti otpora prema izolatoru, reda veličine mnogih milijuna Ohma.

Primjeri dobrih izolatora su materijali poput stakla, mramora, PVC-a, plastike, kvarca, gume, tinjca, bakelit.

Baš poput vodiča, izolatori jednako igraju važnu ulogu u području elektronike. Bez izolatora bilo bi nemoguće izolirati razlike napona na fazama kruga, što dovodi do kratkog spoja.

Na primjer, primjenjujemo porculan i staklo u visokonaponskim tornjevima za siguran prijenos izmjenične snage preko kabela. U žicama koristimo PVC za izolaciju pozitivnih, negativnih stezaljki, a u PCB-ima koristimo bakelit kako bismo međusobno izolirali bakrene tragove.

Osnove poluvodiča

Materijali poput silicija (Si), germanija (Ge) i galijevog arsenida potpadaju pod osnovne poluvodičke materijale. To je zato što ti materijali imaju karakteristiku intermedijarnog provođenja električne energije, što ne dovodi do odgovarajuće vodljivosti niti odgovarajuće izolacije. Zbog ovog svojstva ti su materijali nazvani poluvodičima.

Ti materijali pokazuju vrlo malo slobodnih elektrona preko svojih atoma, koji su čvrsto grupirani u kristalnu rešetkasti oblik. Ipak, elektroni se mogu istisnuti i teći, ali samo kada se koriste specifični uvjeti.

Rekavši to, postaje moguće povećati brzinu provođenja u ovim poluvodičima uvođenjem ili zamjenom neke vrste 'donora' ili 'akceptorskog' atoma u kristalni raspored, omogućujući oslobađanje dodatnih 'slobodnih elektrona' i 'rupa' ili vice obrnuto.

To se provodi uvođenjem određene količine vanjskog materijala u postojeći materijal poput silicija ili germanija.

Sami po sebi, materijali poput silicija i germanija kategorizirani su kao vlastiti poluvodiči, zbog njihove ekstremno čiste kemijske prirode i prisutnosti cjelovitog poluvodičkog materijala.

To također znači da smo primjenom kontrolirane količine nečistoće u njima sposobni odrediti brzinu provođenja u tim svojstvenim materijalima.

U ove materijale možemo uvesti vrste nečistoća koje nazivamo donorima ili akceptorima kako bismo ih poboljšali bilo slobodnim elektronima bilo slobodnim rupama.

U tim se postupcima kada se nečistoća doda vlastitom materijalu u omjeru 1 atom nečistoće na 10 milijuna atoma poluvodičkog materijala, to se naziva Doping .

Uvođenjem dovoljne nečistoće, poluvodički materijal mogao bi se transformirati u materijal N-tipa ili P-tipa.

Silicij je među najpopularnijim poluvodičkim materijalima, ima 4 valentna elektrona preko svoje najudaljenije ljuske, a također je okružen susjednim atomima koji tvore ukupne orbite od 8 elektrona.

Veza između dva atoma silicija razvijena je na takav način da omogućava dijeljenje jednog elektrona sa susjednim atomom, što dovodi do dobre stabilne veze.

U svom čistom obliku kristal silicija može imati vrlo malo slobodnih valentnih elektrona, pripisujući mu svojstva dobrog izolatora, koji ima ekstremne vrijednosti otpora.

Povezivanje silicijskog materijala s potencijalnom razlikom neće pomoći nikakvom provođenju kroz njega, osim ako se u njemu stvore neke vrste pozitivnih ili negativnih polariteta.

A da bi se stvorili takvi polariteti, postupak dopinga se uvodi u te materijale dodavanjem nečistoća kako je raspravljano u prethodnim paragrafima.

Razumijevanje strukture atoma silicija

Na gornjim slikama vidimo kako izgleda struktura pravilne čiste rešetke od čistog silicija. Za nečistoću se obično materijali poput arsena, antimona ili fosfora unose u poluvodičke kristale pretvarajući ih u vanjske, što znači 'imaju nečistoće'.

Spomenute nečistoće sastoje se od 5 elektrona na njihovom najudaljenijem pojasu, poznatom kao 'peterovalentna' nečistoća, za dijeljenje s njihovim susjednim atomima.
To osigurava da se 4 od 5 atoma mogu spojiti sa susjednim atomima silicija, isključujući jedan 'slobodni elektron' koji se može osloboditi kad je priključen električni napon.

U ovom procesu, jer nečisti atomi počinju 'donirati' svaki elektron preko svog obližnjeg atoma, 'petovalentni' atomi nazivaju se 'donorima'.

Korištenje antimona za doping

Antimon (Sb) i fosfor (P) često postaju najbolji izbor za uvođenje 'petovalentne' nečistoće u silicij.

U Antimonu se 51 elektron postavlja preko 5 ljuski oko njegove jezgre, dok se njegova najudaljenija traka sastoji od 5 elektrona.
Zahvaljujući tome, osnovni poluvodički materijal može stjecati dodatne elektrone koji nose struju, a svakom se pripisuje negativni naboj. Stoga je nazvan 'materijal tipa N'.

Također, elektroni su nazvani 'većinskim nosačima', a rupe koje se kasnije razvijaju nazivaju se 'manjinskim nosačima'.

Kad je poluvodič dopiran antimonom podvrgnut električnom potencijalu, elektroni koji se slučajno odbiju trenutno su zamijenjeni slobodnim elektronima iz atoma antimona. Međutim, budući da postupak na kraju zadržava slobodni elektron koji pluta unutar dopiranog kristala, to dovodi do toga da je to negativno nabijeni materijal.

U ovom slučaju, poluvodič se može nazvati N-tipom ako ima gustoću donora veću od njegove akceptorske gustoće. Što znači kada postoji veći broj slobodnih elektrona u usporedbi s brojem rupa, što uzrokuje negativnu polarizaciju, kao što je naznačeno dolje.

Razumijevanje poluvodiča tipa P

Ako situaciju razmatramo obratno, uvođenjem 3-elektronske nečistoće „trovalentne“ u poluvodički kristal, na primjer ako uvedemo aluminij, bor ili indij, koji sadrže 3 elektrona u svojoj valentnoj vezi, stoga 4. vezu postaje nemoguće stvoriti.

Zbog toga temeljita veza postaje teška, što omogućava poluvodiču da ima puno pozitivno nabijenih nosača. Ti se nosači nazivaju 'rupama' kroz cijelu poluvodičku rešetku, zbog puno nedostajućih elektrona.

Zbog prisutnosti rupa u kristalu silicija, obližnji elektron privlači se u rupu, pokušavajući ispuniti utor. Međutim, čim to pokušaju elektroni, isprazni svoj položaj stvarajući novu rupu u svom prethodnom položaju.

To zauzvrat privlači sljedeći obližnji elektron, koji opet ostavlja novu rupu dok pokušava zauzeti sljedeću rupu. Proces se nastavlja, ostavljajući dojam da se zapravo rupe kreću ili struje kroz poluvodič, što općenito prepoznajemo kao konvencionalni tok protoka struje.

Kako se čini da se 'rupe miču', dolazi do nestašice elektrona, što omogućuje da cijeli dopirani kristal stekne pozitivan polaritet.

Budući da je svaki atom nečistoće odgovoran za stvaranje rupe, te se trovalentne nečistoće nazivaju 'akceptori' zbog činjenice da neprestano u procesu prihvaćaju slobodne elektrone.
Bor (B) je jedan od trovalentnih aditiva koji se popularno koristi za gore objašnjeni postupak dopinga.

Kada se bor koristi kao materijal za dopiranje, uzrokuje da provodljivost uglavnom ima pozitivno nabijene nosače.
To rezultira stvaranjem materijala tipa P s pozitivnim rupama koje se nazivaju 'većinski nosači', dok se slobodni elektroni nazivaju 'manjinskim nosačima'.

To objašnjava kako se poluvodički osnovni materijal pretvara u P-tip zbog povećane gustoće njegovih akceptorskih atoma u usporedbi s donatorskim atomima.

Kako se bor koristi za doping

Sažetak osnova poluvodiča

Poluvodič N-tipa (dopiran s petovalentnom nečistoćom kao što je antimon na primjer)

Takvi poluvodiči koji su dopirani atomima peterovalentne nečistoće nazivaju se donorima, jer pokazuju provodljivost kretanjem elektrona, pa se stoga nazivaju i poluvodiči N-tipa.
U poluvodiču N-tipa nalazimo:

1. Pozitivno nabijeni donatori
2. Obilje broja slobodnih elektrona
3. Relativno manji broj 'rupa' u odnosu na 'slobodne elektrone'
4. Kao rezultat dopinga stvaraju se pozitivno nabijeni donatori i negativno nabijeni slobodni elektroni.
5. Primjena potencijalne razlike rezultira razvojem negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih rupa.

Poluvodič P-tipa (dopiran trovalentnom nečistoćom kao što je na primjer bor)

Takvi poluvodiči koji su dopirani trovalentnim atomima nečistoća nazivaju se prihvatnicima, jer pokazuju provodljivost kroz kretanje rupa, pa se stoga nazivaju i poluvodiči tipa P.
U poluvodiču N-tipa nalazimo:

1. Negativno nabijeni akcepti
2. Obilna količina rupa
3. Relativno manji broj slobodnih elektrona u usporedbi s prisutnošću rupa.
4. Doping rezultira stvaranjem negativno nabijenih akceptora i pozitivno nabijenih rupa.
5. Primjena napona dovodi do stvaranja pozitivno nabijenih rupa i negativno nabijenih slobodnih elektrona.

Sam po sebi su poluvodiči tipa P i N prirodno električki neutralni.
Antimon (Sb) i bor (B) obično su dva materijala koja se koriste kao doping članovi zbog njihove obilne dostupnosti. Oni su također nazvani i 'mettaloidi'.

Rekavši to, ako pogledate periodni sustav, pronaći ćete mnogo drugih sličnih materijala koji imaju 3 ili 5 elektrona u svom najudaljenijem atomskom pojasu. To implicira da ovi materijali također mogu postati prikladni za doping svrhu.
Periodni sustav elemenata