Læringsgrunnlag for halvledere

I dette innlegget lærer vi grundig om de grunnleggende arbeidsprinsippene til halvlederutstyr, og hvordan den interne strukturen til halvledere fungerer under påvirkning av elektrisitet.

Motstandsverdien mellom disse halvledermaterialene har verken en komplett lederkarakteristikk eller en fullstendig isolator, den er mellom disse to grensene.

Denne funksjonen kan definere materialets halvlederegenskap, men det ville være interessant å vite hvordan en halvleder fungerer mellom en leder og en isolator.

Motstand

I henhold til Ohms lov er den elektriske motstanden til en elektronisk enhet definert som forholdet mellom potensialforskjellen over komponenten og strømmen som strømmer gjennom komponenten.

Nå kan bruk av motstandsmåling utgjøre ett problem, verdien endres når den fysiske dimensjonen til det resistive materialet endres.

For eksempel når et resistivt materiale økes i lengde, øker dets motstandsverdi også proporsjonalt.
Tilsvarende, når tykkelsen økte, reduseres motstandsverdien proporsjonalt.

Behovet her er å definere et materiale som kan indikere en egenskap til enten en ledning eller motstand mot elektrisk strøm uavhengig av størrelse, form eller fysiske utseende.

Størrelsen for å uttrykke denne spesielle motstandsverdien er kjent som Resistivity, som har synbolen ρ, (Rho)

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

For å få sammenligningene mellom resistivitetene til flere materialer, klassifiseres disse i 3 hovedkategorier: Ledere, Isolator og Halvledere. Diagrammet nedenfor gir de nødvendige detaljene:

Som du kan se i figuren ovenfor, er det en ubetydelig forskjell på motstanden til ledere som gull og sølv, mens det kan være en betydelig forskjell i motstanden på tvers av isolatorer som kvarts og glass.

Dette er på grunn av deres respons på omgivelsestemperatur som gjør metaller svært effektive ledere enn isolatorene

Dirigenter

Fra diagrammet ovenfor forstår vi at ledere har minst motstand, noe som vanligvis kan være i mikroohms / meter.

På grunn av deres lave motstand kan elektrisk strøm lett passere gjennom dem på grunn av tilgjengeligheten av en stor mengde elektroner.

Imidlertid kan disse elektronene bare skyves når de har et trykk over lederen, og dette trykket kan dannes ved å påføre en spenning over lederen.

Når en leder påføres med en positiv / negativ potensialforskjell, blir de frie elektronene til hvert atom i lederen tvunget til å løsne seg fra foreldrenes atomer, og de begynner å kjøre over i lederen, og er generelt kjent som strøm av strøm .

I hvilken grad disse elektronene er i stand til å bevege seg, avhenger av hvor lett de kan frigjøres fra atomene sine, som svar på en spenningsforskjell.

Metaller regnes generelt som gode ledere av elektrisitet, og blant metaller er gull, sølv, kobber og aluminium de beste lederne.

Siden disse lederne har svært få elektroner i atens valensbånd, løsner de lett av en potensiell forskjell, og de begynner å hoppe fra et atom til det neste atomet gjennom en prosess kalt 'Domino Effect', noe som resulterer i en strøm av strøm over dirigenten.

Selv om gull og sølv er de beste lederne av elektrisitet, er kobber og aluminium foretrukket for å lage ledninger og kabler på grunn av deres lave kostnader og overflod, og også deres fysiske stabilitet.

Til tross for at kobber og aluminium er gode ledere av elektrisitet, har de fortsatt en viss motstand, fordi ingenting kan være 100% ideelt.

Selv om den er liten, kan motstanden som disse lederne gir, bli betydelig ved bruk av høyere strømmer. Til slutt blir motstanden mot høyere strøm på disse lederne spredt som varme.

Isolatorer

I motsetning til ledere er isolator dårlige ledere av elektrisitet. Disse er vanligvis i form av ikke-metaller og har veldig lite sårbare eller frie elektroner med foreldrenes atomer.

Det betyr at elektronene til disse ikke-metallene er tett bundet til foreldrenes atomer, noe som er ekstremt vanskelig å løsne ved bruk av spenning.

På grunn av denne funksjonen, når ikke elektrisk spenning påføres, klarer ikke elektronene å bevege seg bort fra atomene, noe som resulterer i ingen strøm av elektroner, og derfor finner ingen ledning sted.

Denne egenskapen fører til svært høy motstandsverdi for isolator, i størrelsesorden mange millioner ohm.

Materialer som glass, marmor, PVC, plast, kvarts, gummi, glimmer, bakelitt er eksempler på gode isolatorer.

Akkurat som leder spiller isolatorer like viktig en viktig rolle i elektronikken. Uten isolator ville det være umulig å isolere spenningsforskjeller på tvers av kretstrinn, noe som fører til kortslutning.

For eksempel ser vi bruken av porselen og glass i høyspentstårn for å overføre vekselstrøm trygt over kablene. I ledninger bruker vi PVC for å isolere positive, negative terminaler, og i PCB bruker vi bakelitt for å isolere kobberspor fra hverandre.

Grunnleggende om halvledere

Materialer som silisium (Si), germanium (Ge) og Galliumarsenid kommer under de grunnleggende halvledermaterialene. Det er fordi disse materialene har den egenskapen at de leder elektrisitet mellomliggende, og verken fører til riktig ledning eller riktig isolasjon. På grunn av denne egenskapen er disse materialene navngitt som halvledere.

Disse materialene viser svært få frie elektroner over atomene sine, som er tett gruppert i en krystallinsk gitterformasjon. Likevel er elektronene i stand til å løsne seg og strømme, men bare når spesifikke forhold benyttes.

Når det er sagt, blir det mulig å forbedre ledningshastigheten i disse halvlederne ved å innføre eller erstatte en slags 'donor' eller 'acceptor' atomer til det krystallinske oppsettet, slik at frigjøring av ekstra 'gratis elektroner' og 'hull' eller skruestykke omvendt.

Dette implementeres ved å introdusere en viss mengde eksternt materiale til det eksisterende materialet som silisium eller Germanium.

I seg selv er materialer som silisium og Germanium kategorisert som indre halvledere på grunn av deres ekstreme rene kjemiske natur, og tilstedeværelsen av komplett halvledende materiale.

Dette betyr også at ved å påføre dem en kontrollert mengde urenhet, er vi i stand til å bestemme ledningshastigheten i disse iboende materialene.

Vi kan introdusere typer urenheter kalt donorer eller akseptorer for disse materialene for å forbedre disse med enten frie elektroner eller frie hull.

I disse prosessene når en urenhet tilsettes et indre materiale i andelen 1 urenhetsatom per 10 millioner halvledermaterialeatom, betegnes det som Doping .

Med innføringen av tilstrekkelig urenhet kan et halvledermateriale transformeres til et N-type eller P-Type materiale.

Silisium er blant det mest populære halvledermaterialet, og har 4 valenselektroner over det ytterste skallet, og er også omgitt av tilstøtende atomer som danner en total bane på 8 elektroner.

Bindingen mellom de to silisiumatomer er utviklet på en slik måte at den tillater deling av ett elektron med dets tilstøtende atom, noe som fører til en god stabil binding.

I sin rene form kan et silisiumkrystall ha svært få frie valenselektroner, som tillegger det egenskapene til en god isolator, med ekstreme motstandsverdier.

Å koble et silisiummateriale til en potensiell forskjell vil ikke hjelpe noen ledning gjennom det, med mindre det blir opprettet noen form for positive eller negative polariteter i det.

Og for å skape slike polariteter implementeres dopingprosessen i disse materialene ved å tilsette urenheter som diskutert i forrige avsnitt.

Forstå Silicon Atom Structure

På bildene ovenfor ser vi hvordan strukturen til et vanlig rent silisiumkrystallgitter ser ut. For urenhet introduseres vanligvis materialer som arsen, antimon eller fosfor i halvlederkrystallene som gjør dem til ekstrinsiske, noe som betyr 'å ha urenheter'.

De nevnte urenhetene består av 5 elektroner på deres ytterste bånd kjent som 'Pentavalent' urenhet, for å dele med deres tilstøtende atomer.
Dette sikrer at 4 av de 5 atomene er i stand til å bli sammen med de tilstøtende silisiumatomer, unntatt et enkelt 'fritt elektron' som kan frigjøres når en elektrisk spenning er tilkoblet.

I den prosessen, fordi de urene atomer begynner å 'donere' hvert elektron over det nærliggende atom, blir 'Pentavalente' atomer kalt 'donorer'.

Bruke antimon for doping

Antimon (Sb) og fosfor (P) blir ofte det beste valget for å introdusere 'Pentavalent' urenhet til silisium.

I Antimon er 51 elektroner satt opp over 5 skall rundt kjernen, mens det ytterste båndet består av 5 elektroner.
På grunn av dette er det grunnleggende halvledermaterialet i stand til å skaffe seg ekstra strømbærende elektroner, hver tilskrevet med en negativ ladning. Derfor kalles det 'N-type materiale'.

Elektronene blir også kalt 'Majoritetsbærere' og hullene som utvikler seg senere, blir betegnet som 'Minoritetsbærere'.

Når en Antimon-dopet halvleder utsettes for et elektrisk potensial, blir elektronene som tilfeldigvis blir slått av erstattet umiddelbart av de frie elektronene fra Antimon-atomer. Men siden prosessen til slutt holder et fritt elektron flytende innenfor den dopede krystallen, fører dette til at det er et negativt ladet materiale.

I dette tilfellet kan en halvleder betegnes som en N-type hvis den har givertetthet høyere enn akseptortettheten. Betydning når det er høyere antall frie elektroner sammenlignet med antall hull, forårsaker en negativ polarisering, som angitt nedenfor.

Forstå P-Type halvleder

Hvis vi vurderer situasjonen omvendt, innføring av en 3-elektron 'Trivalent' urenhet i en halvlederkrystall, for eksempel hvis vi introduserer aluminium, bor eller indium, som inneholder 3 elektroner i deres valensbinding, blir en 4. binding derfor umulig å danne.

På grunn av dette blir en grundig forbindelse vanskelig, slik at halvlederen kan ha mange positivt ladede bærere. Disse bærerne kalles 'hull' over hele halvledergitteret på grunn av mange manglende elektroner.

Nå, på grunn av tilstedeværelsen av hull i silisiumkrystallet, tiltrekkes et elektron i nærheten av hullet og prøver å fylle spalten. Men så snart elektronene prøver å gjøre dette, forlater den sin posisjon og skaper et nytt hull i sin forrige posisjon.

Dette tiltrekker seg neste elektron i nærheten, som igjen forlater et nytt hull mens du prøver å okkupere neste hull. Prosessen fortsetter å gi et inntrykk av at hullene faktisk beveger seg eller strømmer over halvlederen, noe vi generelt kjenner igjen som det konvensjonelle strømningsmønsteret for strømmen.

Ettersom 'hullene ser ut til å bevege seg' gir opphav til en mangel på elektroner som tillater hele den dopede krystall å få en positiv polaritet.

Siden hvert urenhetsatom blir ansvarlig for å generere et hull, kalles disse treverdige urenhetene 'Akseptorer' på grunn av at disse fortsetter å akseptere gratis elektroner kontinuerlig i prosessen.
Bor (B) er et av de treverdige tilsetningsstoffene som populært brukes til den ovenfor forklarte dopingprosessen.

Når bor brukes som dopingmateriale, fører det til at ledningen hovedsakelig har positivt ladede bærere.
Dette resulterer i dannelsen av P-type materiale som har positive hull kalt 'Majoritetsbærere', mens de frie elektronene kalles 'Minoritetsbærere'.

Dette forklarer hvordan et halvlederbasemateriale blir til en P-type på grunn av økt tetthet av dets akseptoreatomer sammenlignet med donoratomene.

Hvordan bor brukes til doping

Oppsummerer det grunnleggende om halvledere

N-Type halvleder (dopet med en pentavalent urenhet som for eksempel antimon)

Slike halvledere som er dopet med pentavalente urenhetsatomer, blir betegnet som givere, siden de viser ledning gjennom bevegelse av elektroner og derfor betegnes som N-type halvledere.
I N-type halvleder finner vi:

1. Positivt ladede givere
2. Rikelig antall gratis elektroner
3. Relativt mindre antall 'hull' sammenlignet med 'frie elektroner'
4. Som et resultat av doping opprettes positivt ladede givere og negativt ladede frie elektroner.
5. Anvendelsen av en potensiell forskjell resulterer i utvikling av negativt ladede elektroner og positivt ladede hull.

P-Type halvleder (dopet med en treverdig urenhet som for eksempel bor)

Slike halvledere som er dopet med Trivalente urenhetsatomer, blir betegnet som akseptorer, siden de viser ledning gjennom bevegelse av hull og derfor betegnes som P-type halvledere.
I N-type halvleder finner vi:

1. Negativt ladede aksepterere
2. Rikelig med hull
3. Relativt mindre antall frie elektroner sammenlignet med tilstedeværelsen av hull.
4. Doping resulterer i opprettelsen av negativt ladede akseptorer og positivt ladede hull.
5. Påføring av en spenning som er arkivert forårsaker generering av positivt ladede hull og negativt ladede frie elektroner.

I seg selv er halvledere av typen P og N tilfeldigvis naturlig nøytrale.
Vanligvis er Antimon (Sb) og Bor (B) de to materialene som brukes som dopingmedlemmer på grunn av deres store tilgjengelighet. Disse blir også kalt 'mettaloids'.

Når det er sagt, hvis du ser på det periodiske systemet, vil du finne mange andre lignende materialer som har 3 eller 5 elektroner i deres ytterste atombånd. Impliserer at disse materialene også kan bli egnet for dopingformålet.
Periodiske tabell