A félvezetők fizikai alapja, könyvtár
előszó
A félvezetők vagy a félvezető vegyületek belső (tiszta) és szennyeződés (adalékolt). Tiszta félvezetőkben a töltéshordozó-mentes elektronok és lyukak koncentrációja kicsi (csak 10 16 -10 18/1 cm3 anyag, összehasonlítás esetén Avogadro száma NA = 6.62 * 10 23).
Ahhoz, hogy csökkentsék a ellenállása a félvezető és közlésének egy bizonyos típusú vezetőképesség - e a prevalenciája szabad elektronok (n-típusú félvezető) vagy furat egy túlsúlya lyukak (p típusú félvezető) - egy tiszta félvezetők, hogy bizonyos szennyeződések. Ezt a folyamatot doppingnak nevezik. A DI Mendeleyev periodikus elemrendszerének 3. és 5. elemeit ötvöző szennyeződésekként használják. A 3 csoport ötvözõ elemei a félvezetõ anyagok lyukvezetõképességét idéznek elõ, és akceptor szennyezõdéseknek, az 5. csoportba tartozó elemeknek nevezik - az elektromos vezetõképességet donor szennyezõdéseknek nevezik.
Az elektron-lyukú pn csomópont két félvezetőből álló vegyület, amelyek különböző vezetőképességűek.
A pn csomópont jelensége a félvezető elektronika alapja. minden félvezető elem csak p-n átmenetek gyűjteménye, és csak számuk, sorrendjük és így tovább különböznek. A p-n átmenet paraméterei meghatározzák a félvezető elemek fő jellemzőjét - az áram-feszültség jellemzői (áram-feszültség jellemző).
Azt is meg kell jegyezni, hogy a p-n csomópont nemlineáris kapcsolatban van a rajta keresztül áramló áram és a rá feszültség között, aminek következtében az összes félvezető elem lényegében nem lineáris.
A p-n csomópont I-V karakterisztikáját a diódákról szóló cikk tartalmazza.
Saját félvezetők
A következő anyag jobb megértése érdekében szívesen emlékeznék a fizika és a kémia tanfolyamára. Nos, azért, hogy ne feszítsd túl agyadat, össze fogjuk csinálni.
Az atom külső héjának elektronait valence-elektronoknak nevezik. Az atomok kölcsönös vonzása egy közös pár kondenzációs elektron (egy kovalens kötés) következménye, amely egy orbitális körforgásnak indul körül ezen atomok körül. A magtesttől legtávolabb eső valencektronok a leggyengébb kapcsolattal rendelkeznek, ezért elektromágneses, hő-, fény- és egyéb okok hatására elválaszthatók az atomoktól vagy molekuláktól, és szabadokká válhatnak.
Egy atom vagy molekula egy vagy több elektron eltávolításának és eltávolításának folyamatát ionizációnak nevezik.
Az atomokban lévő elektronok csak igen határozott energiaértékeket tartalmaznak, amelyek egy atom diszkrét energiaszintjét alkotják. A formáció a szilárd kristály-rács kölcsönhatás miatt netocrystalline atomok energiaszintet osztott és a forma az energia sávok, CO-Állandó az egyes, egymáshoz közel elhelyezett energia szintet, amely megfelel a atomok száma a homogén szervezetben. A szintek halmazát, amelyek mindegyikén elektron lehet, a valence (engedélyezett) zónak nevezzük.
Egy szilárd test energiaspektrumában három zónát lehet megkülönböztetni: valence (resolved) - 3, tiltott - 2 és conductive - 1.
A valenciasávot az jellemzi, hogy a Valence-elektronok összes energiaszintje 0 K-os hőmérsékleten megtelik. azzal jellemezve, vezetési sávban elektronok rendelkeznek-ing energia, amely lehetővé teszi számukra, hogy kell szabadítani a kapcsolatban atomok és mozgassa belsejében a szilárd miatt külső hatással (például egy elektromos mező) hőmérsékleten 0K ezen a területen nem töltött elektronokkal.
A tiltott zónát az jellemzi, hogy a határain belül nincs olyan energia szint, amelyen az elektronok elhelyezhetők.
A legtöbb félvezető számára a szalaghézag szélessége 0,1 ± 3 eV, míg a magas hőmérsékletű készülékek létrehozására szánt félvezetők esetében 6 eV. A germánium esetében ez az érték 0,72 eV, a szilícium esetében 1,12, az 1,4 gallium-arzénhez, a 2,3-3,1 szilícium-karbidhoz 2,2 eV gallium-foszfid-foszfidhez.
Ha a szélessége a tiltott terület ΔWz> 6 eV, az elektronok normál körülmények között gyakorlatilag nem tartozik a vezetési sávban-STI, és ezért az ilyen anyag nem vezeti az elektromos áramot, és az úgynevezett dielektromos. A fémek és ötvözeteik esetében a tiltott zenekar hiányzik; Vezetési sávjuk van, és egy valence sáv átlapolódik. Ennek megfelelõen jó vezetõképességûek és vezetõknek hívják.
A nullától eltérő hőmérsékletű félvezetőkben egyes elektronok elegendő energiával rendelkeznek ahhoz, hogy bejussanak a vezetési sávba. A vezetõsávban levõ elektronok szabadok, a belsõ félvezetõn való koncentrációjukat ni jelöli.
Care elektron vegyértékelektronját vezet törés a kovalens kötés kialakulását, és ebben a zónában a kitöltetlen (a-idle) energiaszint (pozitív töltés), az úgynevezett Vai-lyuk, amelynek a koncentrációja a belső félvezető jelöljük pi. A szomszédos atomok valenselektronjai egy elektromos mező hatására átjuthatnak a szabad szintre, ami lyukakat hozhat létre egy másik helyen. Ebben az esetben az elektron mozgása szintén pozitív töltési lyuk mozgásának tekinthető.
A teljesen tiszta és homogén félvezető (összefonódás-maxi- szennyeződések olyan kicsi, hogy nincs jelentős hatása a fajlagos vezetőképességét félvezető), amelynek üteme-séklet eltér 0K termel szabad elektronok és lyukak-ki. Az elektron-lyuk párok kialakulásának folyamatát generációnak nevezzük. Előfordulása után a hőenergia hatása alatt lévő lyuk kaotikus mozgást eredményez a valence sávban, mint egy elektron a vezetősávban. Ebben az esetben lehetséges a vezetõsáv elektronainak a valenciasávban való lyukakkal való rögzítése. A törött kovalens kötések helyreállnak, és a töltéshordozók-elektron és a lyuk eltűnik. Az elektron-lyuk kötés eltávolításának folyamatát rekombinációnak nevezzük. Ez együtt jár az energia felszabadításával, amely a kristályrács melegítéséhez vezet, és részben a külső tápközegbe kerül.
A vivőanyag generálásának pillanatától az eltűnésétől (rekombinációtól) eltelt időtartam a hordozó élettartama τ. és a töltőhordozó által az élettartam alatt a diffúziós hosszúsággal (L) keresztül megtett távolság. Szigorúbban a diffúziós hossza az a távolság, amelyen a vivőanyag-koncentráció egy e tényezővel csökken (e ≈ 2.7). Az elektronok és lyukak diffúziós hossza és élettartama összefüggésben áll a kapcsolatokkal:
Dn és Dp az elektronok és lyukak diffúziós együtthatói.
Az egyik vagy másik energiaszint elektronainak elfoglalása valószínűségi jellegű, és a Fermi-Dirac eloszlásfüggvény leírja:
W egy szabad elektron energiája;
Wf a Fermi energia szintje, a Fermi függvény 0,5, 0K-tól eltérő hőmérsékleten;
k a Boltzmann konstans;
T az abszolút hőmérséklet.
Egy tiszta (saját) félvezetőben a Wfi Fermi energia szintjét a következő összefüggés határozhatja meg:
A Wv és a Wc a kovalens sáv és a vezetési sáv alja.
Így a Fermi szint egy tiszta félvezetőben bármely hőmérsékleten a tiltott sáv közepén helyezkedik el.
Egy megfelelő félvezetőben egyensúlyi állapotban a generációs folyamatokat rekombinációs folyamatokkal kiegyenlítik, amelyek sebessége arányos az elektronok és lyukak koncentrációjával:
Impurity félvezetők
A szennyező atom, amely a tiltott sávban energiateljesítményt teremt, amelyet az elektronok elfoglalatlan állapotban foglalnak el, és egy elektront ad a gerjesztett állapotba a vezető sávba, adományozónak nevezik.
A szennyező atom, amely létrehozza a gerjesztési energia resou szinten-cal a szabad elektronokat a undriven CO-álló és képes megragadni egy elektront vegyértékelektronját gerjesztés hatására létre lyukakat a vegyérték sáv nevezzük akceptor.
Ha a pentavalens donorelem (foszfor P. antimony Sb, arzén As) szennyeződéseit hozzáadják az előtisztított szilíciumhoz, germániumhoz, akkor a szennyező atomok helyettesitik a fő atomokat a rácshelyeken. A szennyezés atomjának öt valenceelektrona közül négy kovalens kötést alkot a félvezető négy szomszédos atomjával. Az ötödik elektron felesleges.
A donor atomok ionizációs energiája jóval kisebb, mint az intrinsic félvezetők ionizációs energiája. Ezért szobahőmérsékleten a felesleges szennyező elektronok izgatottak és átjutnak a vezető sávba. A felesleges elektronokat elvesztett szennyeződések atomjai pozitív ionokká alakulnak. Az elektronok száma Nd. a termikus energia hatására átalakul a vezetõsávba a Wd adományozó szintrõl. jelentősen meghaladja az elektronok számát. átmenet a vezetési sávtól a valence sávból az elektron-lyuk párok létrehozása során. Ezért feltételezhetjük, hogy a vezetőelektronok koncentrációját a donor-szennyeződés koncentrációja határozza meg. és a lyukak koncentrációja:
A donor félvezetőben lévő lyukkoncentráció sokkal kisebb, mint a belső félvezetőben. Ebben az összefüggésben a pn lyukak kisebbségi hordozók, és az nn elektronok a legfontosabb hordozók. Ezért egy donor félvezetőt egy elektron félvezetőnek vagy egy n típusú félvezetőnek neveznek.
Ha a háromértékű elem (akceptor, gallium, indium In, bór B) szennyeződéseit hozzáadjuk a germánium vagy szilikon kristályhoz, a szennyező atomok a kristályrács helyén a félvezető atomjait kicserélik. Négy kovalens kötés kialakításához nem elegendő a szennyező atomok egyik vegyértékű elektronja.
Megfelelően kicsi külső energiára van szükség ahhoz, hogy a valence sáv felső szintjeiből származó elektronok a szennyeződés szintjéhez köthessenek, ami a hiányzó kovalens kötéseket képezi.
Ebben az esetben a valenciasávban túl magas szintek (lyukak) jelennek meg, amelyek részt vesznek egy elektromos áram létrehozásában. A kiindulási anyag atomjainak ionizációja következtében a valenciasávból néhány elektron a vezetési sávba esik. Az akceptor félvezetőben lévő lyukak száma meghaladja az elektronok számát:
Ezért a pp lyukak a fő hordozók, és az np elektronok nem bázikusak. Az akceptor-szennyezőkkel rendelkező félvezetőket p-típusú p-típusú vagy félvezetőnek nevezik.