Pooljuhtide aluste õppimine

Selles postituses õpime põhjalikult pooljuhtseadmete tööpõhimõtteid ja seda, kuidas pooljuhtide sisemine struktuur elektri mõjul toimib.

Nende pooljuhtmaterjalide vahelise takistuse väärtus ei oma täielikku juhiomadust ega täielikku isolaatorit, see jääb nende kahe piiri vahele.

See funktsioon võib määratleda materjali pooljuhi omaduse, kuid oleks huvitav teada, kuidas pooljuht töötab juhi ja isolaatori vahel.

Resistentsus

Ohmi seaduse järgi on elektroonikaseadme elektritakistus määratletud kui komponendi potentsiaalse erinevuse ja komponenti läbiva voolu suhe.

Nüüd võib takistuse mõõtmise kasutamine tekitada ühe probleemi, selle väärtus muutub, kuna takistusliku materjali füüsiline mõõde muutub.

Näiteks kui takistusmaterjali pikkust suurendatakse, suureneb proportsionaalselt ka selle takistuse väärtus.
Samamoodi väheneb vastupanuvõime proportsionaalselt selle paksuse suurenemisel.

Vajadus on siin määratleda materjal, mis võib näidata kas juhtivuse või vastupanu elektrivoolule, olenemata selle suurusest, kujust või välimusest.

Selle konkreetse vastupanuväärtuse väljendamise suurust nimetatakse resistentsuseks, mille sünbol on ρ, (Rho)

Takistuse mõõtühik on Ohm-meeter (Ω.m) ja seda võib mõista kui juhtivuse pöördvõrdelist parameetrit.

Mitmete materjalide takistuste võrdluste saamiseks klassifitseeritakse need kolme põhikategooriasse: dirigendid, isolaator ja pooljuhid. Alltoodud diagramm sisaldab nõutavaid üksikasju:

Nagu näete ülaltoodud joonisel, on juhtmete, nagu kuld ja hõbe, takistuse erinevused ebaolulised, samas kui isolaatorite, näiteks kvarts ja klaas, erinevates takistustes võib olla märkimisväärne erinevus.

Selle põhjuseks on nende reaktsioon ümbritsevale temperatuurile, mis muudab metallid isolaatoritest tohutult tõhusaks

Dirigendid

Ülaltoodud diagrammilt mõistame, et juhtmetel on kõige vähem takistust, mis võib tavaliselt olla mikroohmides meetri kohta.

Madala takistuse tõttu on elektrivool neist suure hulga elektronide kättesaadavuse tõttu hõlpsasti läbitav.

Kuid neid elektrone saab suruda ainult siis, kui nende rõhk on üle juhi, ja selle rõhu saab moodustada, rakendades juhtmele pinget.

Seega, kui juhti rakendatakse positiivse / negatiivse potentsiaalierinevusega, on juhi iga aatomi vabad elektronid sunnitud oma vanema aatomitest eemalduma ja nad hakkavad juhi sees triivima ja seda tuntakse üldiselt voolu vooluna .

Nende elektronide liikumisvõime määr sõltub sellest, kui hõlpsalt saab neid nende aatomitest vabastada, vastuseks pinge erinevusele.

Metalle peetakse üldiselt headeks elektrijuhtmeteks ja metallide seas on kuld, hõbe, vask ja alumiinium kõige paremini korraldatud.

Kuna nende juhtide aatomite valentsribas on väga vähe elektrone, eemalduvad nad potentsiaalse erinevuse tõttu kergesti ja hakkavad hüppama ühelt aatomilt järgmisele aatomile protsessi kaudu, mida nimetatakse „Domino efektiks“, mille tulemuseks on vool dirigent.

Ehkki kuld ja hõbe on parimad elektrijuhtmed, eelistatakse traatide ja kaablite valmistamiseks nende madalate kulude ja rohkuse ning ka füüsilise vastupidavuse tõttu vaske ja alumiiniumi.

Hoolimata asjaolust, et vask ja alumiinium on head elektrijuhtmed, on neil siiski teatud takistus, sest miski ei saa olla 100% ideaalne.

Ehkki nende juhtide pakutav takistus võib olla väike, võib suuremate voolude kasutamisel märkimisväärne olla. Lõpuks hajub nende juhtide takistus suuremale voolule soojusena.

Isolaatorid

Vastupidiselt juhtmetele on isolaator halvad elektrijuhid. Need on tavaliselt mittemetallide kujul ja nende vanemate aatomitega on väga vähe haavatavaid või vabu elektrone.

See tähendab, et nende mittemetallide elektronid on tihedalt seotud nende vanemate aatomitega, mida on pinge rakendamisel äärmiselt keeruline eemaldada.

Selle funktsiooni tõttu ei suuda elektrilise pinge rakendamisel elektronid aatomitest eemale liikuda, mille tagajärjel elektronid ei voola ja seetõttu ei toimu juhtivust.

See omadus põhjustab isolaatorile väga suure vastupidavuse väärtuse, mis on suurusjärgus mitu miljonit oomi.

Headest isolaatoritest on näiteks sellised materjalid nagu klaas, marmor, PVC, plast, kvarts, kumm, vilgukivi, bakeliit.

Nii nagu dirigent, on ka isolaatoritel elektroonika esitamisel võrdselt oluline roll. Ilma isolaatorita oleks võimatu eraldada pinge erinevusi vooluahelate vahel, mis põhjustab lühiseid.

Näiteks näeme portselani ja klaasi kasutamist kõrgepingetornides vahelduvvoolu ohutuks edastamiseks üle kaablite. Traatides kasutame positiivsete, negatiivsete klemmide isoleerimiseks PVC-d ja PCB-des bakeliiti, et isoleerida vaskjälgi.

Pooljuhtide põhitõed

Materjalid, nagu räni (Si), germaanium (Ge) ja galliumarseniid, kuuluvad põhiliste pooljuhtmaterjalide alla. Sellepärast, et nendel materjalidel on omadus juhtida elektrit vaheldumisi, mis ei põhjusta korralikku juhtivust ega õiget isolatsiooni. Selle omaduse tõttu nimetatakse neid materjale pooljuhtideks.

Nendel materjalidel on aatomitel väga vähe vabu elektrone, mis on tihedalt rühmitatud kristallvõrega. Sellegipoolest on elektronid võimelised eemalduma ja voolama, kuid ainult siis, kui kasutatakse konkreetseid tingimusi.

Seda öeldes saab nende pooljuhtide juhtivuse määra suurendada, lisades või asendades kristallipaigutusega mingisugused „doonori” või „aktseptori” aatomid, võimaldades vabaneda täiendavatest „vabadest elektronidest” ja „aukudest” või vastupidi vastupidi.

See viiakse läbi, lisades olemasolevale materjalile nagu räni või germaanium teatud koguse välist materjali.

Iseenesest liigitatakse sellised materjalid nagu räni ja germaanium sisemiste pooljuhtidena nende äärmiselt puhta keemilise olemuse ja täieliku pooljuhtmaterjali olemasolu tõttu.

See tähendab ka seda, et rakendades neisse kontrollitud koguses lisandeid, suudame määrata nende sisemiste materjalide juhtivuse määra.

Saame tutvustada nende materjalide doonorite või aktseptoritena nimetatud lisandite tüüpe, et suurendada neid kas vabade elektronide või vabade aukudega.

Nendes protsessides, kui sisemisele materjalile lisatakse lisandit ühe lisaaatomi proportsioonis 10 miljoni pooljuhtmaterjali aatomi kohta, nimetatakse seda Doping .

Piisava lisandi sisseviimisega saaks pooljuhtmaterjali muuta N- või P-tüüpi materjaliks.

Räni on kõige populaarsem pooljuhtmaterjal, mille välimises kestas on 4 valentselektroni ja mida ümbritseb ka külgnevad aatomid, moodustades orbiidid kokku 8 elektronist.

Kahe räni aatomi vaheline seos on välja töötatud nii, et see võimaldab jagada ühte elektroni oma külgneva aatomiga, mis tagab hea stabiilse sideme.

Puhtal kujul võib ränikristallil olla väga vähe vaba valentselektrone, mis omistab sellele hea isolaatori omadusi, millel on äärmiselt vastupidavad väärtused.

Ränimaterjali ühendamine potentsiaalse erinevusega ei aita selle juhtimist, välja arvatud juhul, kui sellesse on loodud mingisugune positiivne või negatiivne polaarsus.

Sellise polaarsuse loomiseks rakendatakse nendes materjalides dopinguprotsess, lisades lisandeid, nagu arutati eelmistes lõikudes.

Räni aatomi struktuuri mõistmine

Ülaltoodud piltidel näeme, kuidas näeb välja tavalise puhta ränikristallvõre struktuur. Lisandi saamiseks sisestatakse pooljuhtkristallidesse tavaliselt selliseid materjale nagu arseen, antimon või fosfor, muutes need väliseks, mis tähendab, et neil on lisandeid.

Mainitud lisandid koosnevad viie elektroniga nende kõige kaugemal asuvas ribas, mida nimetatakse Pentavalentseks lisandiks, jagamiseks nende külgnevate aatomitega.
See tagab, et 4 viiest aatomist on võimelised liituma külgnevate räni aatomitega, välja arvatud üks 'vaba elektron', mille saab vabastada, kui elektriline pinge on ühendatud.

Selles protsessis, kuna ebapuhtad aatomid hakkavad iga elektroni 'annetama' kogu läheduses oleva aatomi kaudu, nimetatakse 'Pentavalentseid' aatomeid 'doonoriteks'.

Antimoni kasutamine dopinguks

Antimon (Sb) ja fosfor (P) saavad sageli parimaks valikuks 'Pentavalentse' räni lisamise jaoks.

Antimonis on 51 elektroni seadistatud tuuma ümber viie kestaga, samas kui selle välimine riba koosneb 5 elektronist.
Tänu sellele on põhiline pooljuhtmaterjal võimeline omandama täiendavaid voolu kandvaid elektrone, millest igaüks omistatakse negatiivse laenguga. Seetõttu nimetatakse seda N-tüüpi materjaliks.

Samuti nimetatakse elektrone kui 'enamuse kandjaid' ja hiljem tekkivaid auke nimetatakse 'vähemuse kandjateks'.

Kui antimoniga legeeritud pooljuht allutatakse elektrilisele potentsiaalile, asendatakse elektrid, mis juhtuvad maha lööma, koheselt Antimoni aatomite vabade elektronidega. Kuid kuna protsess hoiab dopingukristallis lõpuks hõljumas vaba elektroni, põhjustab see seda negatiivselt laetud materjalina.

Sel juhul võib pooljuhti nimetada N-tüüpi, kui selle doonori tihedus on suurem kui aktseptori tihedus. Tähendab, kui vabade elektronide arv on suurem kui aukude arv, mis põhjustab negatiivse polarisatsiooni, nagu allpool näidatud.

P-tüüpi pooljuhtide mõistmine

Kui vaatleme olukorda vastupidi, võib 3-elektroonilise „kolmevalentse“ lisandi sisestamine pooljuhtkristalli, näiteks kui viia alumiinium, boor või indium, mille valentssidemes on 3 elektroni, seetõttu on 4. rd sideme moodustamine võimatu.

Seetõttu muutub põhjalik ühendus keeruliseks, võimaldades pooljuhil olla palju positiivselt laetud kandjaid. Neid kandjaid nimetatakse kogu pooljuhtvõre ulatuses aukudeks, kuna puuduvad elektronid.

Ränikristallis olevate aukude tõttu tõmbab auk lähedale lähedal asuvat elektroni, püüdes pilu täita. Kuid niipea, kui elektronid seda teha üritavad, vabastab ta oma positsiooni, tekitades oma eelmises asendis uue augu.

See meelitab omakorda järgmist lähedal asuvat elektroni, mis jätab järgmise augu hõivamise proovimisel taas uue augu. Protsess jätab mulje, et tegelikult augud liiguvad või voolavad üle pooljuhi, mida me üldiselt tunneme tavalise voolu mustrina.

Kuna „augud näivad liikuvat”, tekib elektronide puudus, mis võimaldab kogu legeeritud kristallil saada positiivse polaarsuse.

Kuna iga lisandi aatom vastutab augu tekitamise eest, nimetatakse neid kolmevalentseid lisandeid aktseptoriteks, kuna need aktsepteerivad protsessis pidevalt vabu elektrone.
Boor (B) on üks kolmevalentsetest lisaainetest, mida tavaliselt kasutatakse ülalkirjeldatud dopinguprotsessis.

Kui boori kasutatakse dopingumaterjalina, põhjustab see juhtimisel peamiselt positiivselt laetud kandjaid.
Selle tulemuseks on P-tüüpi materjali loomine, millel on positiivsed augud, mida nimetatakse 'enamuskandjateks', vabu elektrone aga 'vähemuskandjateks'.

See seletab, kuidas pooljuhtmaterjal muutub P-tüüpi, kuna selle aktseptori aatomite tihedus on suurem kui doonori aatomitel.

Kuidas boori kasutatakse dopinguks

Pooljuhtide põhitõdede kokkuvõte

N-tüüpi pooljuht (dopitud pentavalentse lisandiga, näiteks antimon)

Selliseid pooljuhte, millele on lisatud Pentavalentseid lisaaatomeid, nimetatakse doonoriteks, kuna neil on elektroni liikumise kaudu juhtivus ja seetõttu nimetatakse neid N-tüüpi pooljuhtideks.
N-tüüpi pooljuhist leiame:

1. Positiivselt laetud doonorid
2. Vaba elektronide arvukus
3. Suhteliselt väiksem „aukude” arv võrreldes „vabade elektronidega”
4. Dopingu tulemusena tekivad positiivselt laetud doonorid ja negatiivselt laetud vabad elektronid.
5. Potentsiaalide erinevuse rakendamise tulemuseks on negatiivselt laetud elektronide ja positiivselt laetud aukude areng.

P-tüüpi pooljuht (dopeeritud kolmevalentse lisandiga, näiteks booriga)

Selliseid pooljuhte, millele on lisatud kolmevalentseid lisandite aatomeid, nimetatakse aktseptoriteks, kuna neil on juhtivus aukude liikumise kaudu ja seetõttu nimetatakse neid P-tüüpi pooljuhtideks.
N-tüüpi pooljuhist leiame:

1. Negatiivse laenguga aktseptorid
2. Rikkalikult auke
3. Suhteliselt väiksem vabade elektronide arv võrreldes aukude olemasoluga.
4. Dopingu tulemusel tekivad negatiivselt laetud aktseptorid ja positiivselt laetud augud.
5. Esitatud pinge rakendamine põhjustab positiivselt laetud aukude ja negatiivselt laetud vabade elektronide teket.

Iseenesest on P ja N tüüpi pooljuhid loomulikult elektriliselt neutraalsed.
Tavaliselt on Antimon (Sb) ja boor (B) need kaks materjali, mida nende rohke kättesaadavuse tõttu kasutatakse dopinguliikmetena. Neid nimetatakse ka mettaloidideks.

Seda öeldes, kui vaatate perioodilisustabelit, leiate palju muid sarnaseid materjale, millel on 3 või 5 elektroni kõige kaugemas aatomiribas. Eeldab, et need materjalid võivad sobida ka dopingu otstarbeks.
Perioodilisustabel