1.1 Giới thiệu về chất bán dẫn
Các thiết bị bán dẫn là các thành phần cơ bản của các mạch điện tử, và chúng được làm từ vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn được định nghĩa là các chất có độ dẫn điện giữa dây dẫn và chất cách điện. Ngoài việc có độ dẫn điện giữa các dây dẫn và chất cách điện, chất bán dẫn còn có các tính chất sau:
1, sự gia tăng nhiệt độ có thể tăng cường đáng kể độ dẫn của chất bán dẫn. Ví dụ, điện trở suất của silicon tinh khiết (SI) tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng từ 30 độ lên 20 độ.
2, lượng một lượng tạp chất (sự hiện diện và nồng độ của chúng) có thể thay đổi mạnh mẽ độ dẫn của chất bán dẫn. Ví dụ, nếu một nguyên tử tạp chất (như {+3} hoặc +5} phần tử hóa trị) được giới thiệu trên một triệu nguyên tử silicon, điện trở suất ở nhiệt độ phòng (27 độ Giảm từ 214.000 ω · cm xuống 0,2 ω · cm.
3, phơi sáng ánh sáng có thể cải thiện đáng kể độ dẫn của chất bán dẫn. Ví dụ, màng cadmium sulfide (CDS) lắng đọng trên chất nền cách điện có điện trở của một số megohms (MΩ) trong trường hợp không có ánh sáng, nhưng dưới ánh sáng, điện trở giảm xuống còn hàng chục kilohms (KΩ).
4, ngoài ra, từ trường và điện điện cũng có thể thay đổi rõ rệt độ dẫn của chất bán dẫn.
Do đó, chất bán dẫn là vật liệu có độ dẫn giữa dây dẫn và chất cách điện, và tính chất nội tại của chúng rất dễ bị thay đổi đáng kể do các yếu tố bên ngoài như ánh sáng, nhiệt, từ tính, điện trường và nồng độ tạp chất vi lượng.
Với các thuộc tính thuận lợi này, chất bán dẫn có thể được sử dụng hiệu quả. Cụ thể, các cuộc thảo luận tiếp theo về điốt, bóng bán dẫn và trường - Transitor sẽ chứng minh làm thế nào tính chất của các tạp chất theo dõi làm thay đổi đáng kể độ dẫn của chất bán dẫn được khai thác.
1.2 Bán dẫn nội tại
Làm thế nào để chúng tôi giới thiệu tạp chất theo dõi vào chất bán dẫn? Chúng ta có thể trực tiếp thêm tạp chất vào thạch anh tự nhiên (thành phần chính là SI) không? Chúng ta không thể sử dụng silicon tự nhiên trực tiếp vì nó chứa các tạp chất khác nhau, điều này làm cho tính dẫn điện của nó không thể kiểm soát được. Để làm vật liệu cơ bản cho tất cả các chất bán dẫn, mục tiêu chính là đạt được độ dẫn có thể kiểm soát được.
Do đó, chúng ta cần tinh chế silicon tự nhiên thành một cấu trúc tinh thể silicon tinh khiết. Cấu trúc tinh thể bán dẫn tinh khiết này được gọi là một chất bán dẫn nội tại.
Đặc điểm của chất bán dẫn nội tại: (chất bán dẫn nội tại là cấu trúc tinh thể tinh khiết)
1, Tinh khiết, có nghĩa là không có tạp chất.
2, Cấu trúc tinh thể, đại diện cho sự ổn định. Các nguyên tử liên kết với nhau, ngăn chặn sự di chuyển tự do, dẫn đến độ dẫn thậm chí thấp hơn so với silicon tự nhiên.
1.2.1 Cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn nội tại
Trong hóa học, chúng tôi đã học được rằng các electron ngoài cùng của hai nguyên tử silicon (SI) liền kề trong một tinh thể trở thành các electron được chia sẻ, tạo thành các liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, không phải tất cả các electron ngoài cùng của mỗi nguyên tử Si vẫn hoàn toàn trong các liên kết cộng hóa trị của chính chúng. Lý do cho điều này là vật liệu tồn tại trong một môi trường có nhiệt độ. Ngoài chuyển động được đặt hàng, các electron ngoài cùng cũng trải qua chuyển động nhiệt - Chuyển động ngẫu nhiên - do ảnh hưởng của nhiệt độ. Thỉnh thoảng, một electron có thể sở hữu năng lượng cao hơn các nguyên tử khác, cho phép nó thoát khỏi liên kết cộng hóa trị và trở thành một electron tự do. Ngay cả với một lượng nhỏ năng lượng, các electron ngoài cùng của một dây dẫn có thể tạo ra chuyển động định hướng.
Chất bán dẫn nội tại không có tạp chất. Khi một electron thoát ra khỏi một liên kết cộng hóa trị, nó để lại một vị trí tuyển dụng được gọi là một lỗ. Trong các chất bán dẫn nội tại, số lượng các electron tự do bằng với số lượng lỗ và chúng được tạo ra theo cặp. Cấu trúc tinh thể, lỗ hổng và các electron tự do được minh họa trong hình dưới đây:
1.2.1 Cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn nội tại (tiếp theo)
Nếu một điện trường bên ngoài được áp dụng trên một chất bán dẫn nội tại:
1, các electron miễn phí di chuyển theo hướng, tạo thành mộtDòng điện tử.
2, do sự hiện diện của các lỗ, các electron hóa trị di chuyển theo một hướng cụ thể để lấp đầy các lỗ này, khiến các lỗ cũng trải qua chuyển động định hướng (vì các electron và lỗ tự do được tạo ra theo cặp). Chuyển động của các lỗ này tạo thành mộthiện tại lỗ. Khi các electron và lỗ tự do mang điện tích đối diện và di chuyển theo hướng ngược lại, tổng dòng điện trong một chất bán dẫn nội tại là tổng của hai dòng điện này.
Các hiện tượng trên chứng minh rằng cả lỗ hổng và electron tự do đều hoạt động như các hạt mang điện tích (các hạt như vậy được gọi làNgười vận chuyển phí). Vì vậy, cả hai đều là người mang tính phí. Điều này phân biệt các chất bán dẫn nội tại với các dây dẫn: trong dây dẫn, chỉ có một loại chất mang điện tích, trong khi trong chất bán dẫn nội tại, có hai loại chất mang điện tích.
1.2.2 Nồng độ chất mang trong chất bán dẫn nội tại
Hiện tượng mà bộ bán dẫn tạo ra electron miễn phí - Các cặp lỗ trong kích thích nhiệt được gọi làkích thích nội tại.
Trong quá trình chuyển động ngẫu nhiên của các electron tự do, khi chúng gặp phải các lỗ, các electron và lỗ tự do đồng thời biến mất. Hiện tượng này được gọi làtái hợp. Số lượng electron tự do - Các cặp lỗ được tạo ra bởi kích thích nội tại bằng số lượng electron tự do - Các cặp lỗ kết hợp lại, đạt được trạng thái cân bằng động. Điều này có nghĩa là ở một nhiệt độ nhất định, nồng độ của các electron và lỗ tự do là như nhau.
Khi nhiệt độ môi trường tăng lên, chuyển động nhiệt tăng cường và nhiều electron tự do thoát ra khỏi các ràng buộc của các electron hóa trị, dẫn đến sự gia tăng các lỗ. Do đó, nồng độ sóng mang tăng, tăng cường độ dẫn. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, nồng độ sóng mang giảm, làm giảm độ dẫn. Khi nhiệt độ giảm xuống mức không (0 K), các electron hóa trị thiếu năng lượng để thoát khỏi liên kết cộng hóa trị, dẫn đến không có độ dẫn.
Trong chất bán dẫn nội tại, độ dẫn liên quan đến sự di chuyển của hai loại chất mang điện tích. Mặc dù độ dẫn của chất bán dẫn nội tại phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng nó vẫn cực kỳ kém do cấu trúc tinh thể của chúng. Mặc dù có độ dẫn điện kém, chất bán dẫn nội tại thể hiện khả năng kiểm soát mạnh mẽ trong các tính chất dẫn điện của chúng.
1,3 chất bán dẫn pha tạp
Phần này sẽ giải thích tại sao chất bán dẫn nội tại thể hiện khả năng kiểm soát mạnh mẽ như vậy trong độ dẫn. Ở đây, chúng tôi sẽ sử dụng thuộc tính sau của chất bán dẫn:Dấu vết của tạp chất có thể thay đổi đáng kể độ dẫn của chúng.
"Doping" đề cập đến quá trình đưa các yếu tố tạp chất thích hợp vào một chất bán dẫn nội tại. Tùy thuộc vào loại yếu tố tạp chất được thêm vào, chất bán dẫn pha tạp có thể được phân loại thànhN - Loại bán dẫnVàP - Loại bán dẫn. Bằng cách kiểm soát nồng độ của các yếu tố tạp chất, độ dẫn của chất bán dẫn pha tạp có thể được điều chỉnh chính xác.
1.3.1 N - Loại bán dẫn
"N" là viết tắt củaTiêu cực, vì các electron mang điện tích âm và nhẹ. Để giới thiệu các electron bổ sung vào cấu trúc tinh thể, các yếu tố pentavalent (ví dụ, phốt pho, p) thường được pha tạp vào chất bán dẫn. Vì một nguyên tử phốt pho có năm electron hóa trị, sau khi hình thành các liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử silicon xung quanh, một electron bổ sung vẫn còn. Electron này có thể dễ dàng trở thành một electron miễn phí với đầu vào năng lượng tối thiểu. Nguyên tử tạp chất, hiện được cố định trong mạng tinh thể và thiếu một electron, trở thành một ion dương bất động. Điều này được minh họa trong hình dưới đây:
1.3.1 N - Loại bán dẫn loại (tiếp theo)
Trong một n - loại bán dẫn, nồng độ của các electron tự do lớn hơn các lỗ. Do đó, các electron miễn phí được gọiNgười vận chuyển đa số(số nhân), trong khi các lỗ được gọiNgười vận chuyển thiểu số(trẻ vị thành niên). Do đó, độ dẫn của một loại bán dẫn loại n- chủ yếu dựa vào các electron tự do. Nồng độ của tạp chất pha tạp càng cao, nồng độ của các chất mang đa số càng lớn và độ dẫn của càng mạnh.
Chúng ta hãy xem xét làm thế nào nồng độ của các nhà mạng thiểu số thay đổi khi nồng độ sóng mang đa số tăng lên. Nồng độ sóng mang thiểu số giảm do số lượng electron tự do tăng lên làm tăng khả năng tái hợp với các lỗ.
Khi nhiệt độ tăng, số lượng người mang tăng và sự gia tăng của các nhà mạng đa số bằng với sự gia tăng của các tàu sân bay thiểu số. Tuy nhiên, sự thay đổi phần trăm của nồng độ tàu sân bay thiểu số cao hơn so với các tàu sân bay đa số (do nồng độ cơ sở khác nhau của dân tộc thiểu số và chuyên ngành, mặc dù sự gia tăng số là như nhau). Do đó, mặc dù nồng độ của các tàu sân bay thiểu số thấp, nhưng chúng không nên bị đánh giá thấp. Các nhà mạng thiểu số là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ổn định nhiệt độ của các thiết bị bán dẫn, và do đó nồng độ của chúng cũng phải được xem xét.
1.3.2 p - Loại bán dẫn
"P" là viết tắt củaTích cực, được đặt tên theo các lỗ tích điện dương. Để đưa các lỗ bổ sung vào cấu trúc tinh thể, các yếu tố hóa trị ba (ví dụ: boron, b) thường được pha tạp vào chất bán dẫn. Khi một nguyên tử boron hình thành các liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử silicon xung quanh, nó sẽ tạo ra một vị trí trống (trung tính bằng điện). Khi một electron hóa trị từ một nguyên tử silicon lân cận lấp đầy chỗ trống này, liên kết cộng hóa trị sẽ tạo ra một lỗ. Nguyên tử tạp chất sau đó trở thành một ion âm bất động. Điều này được minh họa trong hình dưới đây:
1.3.2 P - Loại bán dẫn loại (tiếp theo)
So với n - loại bán dẫn, trong p - loại bán dẫn:
Lỗ là những người mang đa số, trong khi các electron miễn phí là người mang thiểu số.
Độ dẫn điện chủ yếu dựa vào các lỗ. Nồng độ của tạp chất pha tạp càng cao, nồng độ lỗ càng lớn, dẫn đến độ dẫn mạnh hơn (vì các vị trí trống trong các nguyên tử tạp chất hấp thụ các electron). Nồng độ sóng mang thiểu số giảm.
Khi nhiệt độ tăng, tỷ lệ phần trăm thay đổi nồng độ electron tự do cao hơn so với nồng độ lỗ.
