1.1 Introdução aos semicondutores
Os dispositivos semicondutores são componentes fundamentais dos circuitos eletrônicos e são feitos de materiais semicondutores. Os materiais semicondutores são definidos como substâncias com condutividade elétrica entre condutores e isoladores. Além de ter condutividade entre os condutores e isoladores, os semicondutores também possuem as seguintes propriedades:
1, um aumento na temperatura pode aumentar significativamente a condutividade dos semicondutores. Por exemplo, a resistividade do silício puro (SI) dobra quando a temperatura aumenta de 30 graus para 20 graus.
2, quantidades vestigiais de impurezas (sua presença e concentração) podem alterar drasticamente a condutividade dos semicondutores. Por exemplo, se um átomo de impureza (como um elemento de valência +3} ou +5) é introduzido por milhão de átomos de silício, a resistividade à temperatura ambiente (27 graus; por que a temperatura ambiente 27 grau? Porque é mais um que é um mais rápido, e o número de temperatura é mais de 27 graus, e o número mais de um pouco mais é um que é um pouco mais de um que é um dos mais de 27 graus, o número de temperatura é mais de 27 graus, é mais que é um pouco mais, e o número de temperatura é mais de 27 graus, é mais de 27 graus, é mais que é um pouco mais, e o número de temperatura é mais de 27 graus, e a temperatura é mais próxima, e a temperatura é mais próxima, e a temperatura é mais próxima, e a temperatura é mais próxima, e a temperatura é mais próxima, e a temperatura é mais próxima, e a temperatura é mais próxima, e a temperatura é mais próxima, e a temperatura é mais ou mais, e a temperatura é mais ou mais. 214.000 Ω · cm a 0,2 Ω · cm.
3, a exposição à luz pode melhorar significativamente a condutividade dos semicondutores. Por exemplo, um filme de sulfeto de cádmio (CDS) depositado em um substrato isolante tem uma resistência de vários megohms (Mω) na ausência de luz, mas sob iluminação, a resistência cai para várias dezenas de quilohms (Kω).
4, além disso, os campos magnéticos e elétricos também podem alterar acentuadamente a condutividade dos semicondutores.
Portanto, os semicondutores são materiais com condutividade entre condutores e isoladores, e suas propriedades intrínsecas são altamente suscetíveis a alterações significativas devido a fatores externos, como luz, calor, magnetismo, campos elétricos e concentrações de impureza.
Dadas essas propriedades vantajosas, os semicondutores podem ser efetivamente utilizados. Em particular, as discussões subsequentes sobre diodos, transistores e campos - transistores de efeito demonstrarão como a propriedade das impurezas de traços que alteram significativamente a condutividade dos semicondutores.
1.2 Semicondutores intrínsecos
Como introduzimos impurezas de rastreamento em semicondutores? Podemos adicionar diretamente impurezas ao quartzo natural (cujo componente principal é SI)? Não podemos usar diretamente o silício natural porque contém várias impurezas, o que torna sua condutividade incontrolável. Para servir como material fundamental para todos os semicondutores, o objetivo principal é alcançar a condutividade controlável.
Portanto, precisamos purificar o silício natural em uma estrutura de cristal de silício puro. Essa estrutura cristalina semicondutora pura é chamada de semicondutor intrínseco.
Características dos semicondutores intrínsecos: (semicondutores intrínsecos são estruturas cristalinas puras)
1, pureza, significando sem impurezas.
2, estrutura cristalina, representando estabilidade. Os átomos estão ligados um ao outro, impedindo a livre circulação, o que resulta em condutividade ainda menor em comparação com o silício natural.
1.2.1 Estrutura cristalina de semicondutores intrínsecos
Na química, aprendemos que os elétrons mais externos de dois átomos adjacentes de silício (SI) em um cristal se tornam elétrons compartilhados, formando ligações covalentes. No entanto, nem todos os elétrons mais externos de cada átomo de Si permanecem estritamente dentro de suas próprias ligações covalentes. A razão para isso é que o material existe em um ambiente com temperatura. Além do movimento ordenado, os elétrons mais externos também sofrem movimento térmico - movimento aleatório - devido à influência da temperatura. Ocasionalmente, um elétron pode possuir energia mais alta que outros átomos, permitindo que se liberte da ligação covalente e se torne um elétron livre. Mesmo com uma pequena quantidade de energia, os elétrons mais externos de um condutor podem gerar movimento direcional.
Os semicondutores intrínsecos estão livres de impurezas. Quando um elétron se liberta de uma ligação covalente, deixa para trás uma vaga conhecida como orifício. Nos semicondutores intrínsecos, o número de elétrons livres é igual ao número de orifícios e eles são gerados em pares. A estrutura cristalina, os orifícios e os elétrons livres são ilustrados na figura abaixo:
1.2.1 Estrutura cristalina dos semicondutores intrínsecos (continuação)
Se um campo elétrico externo for aplicado em um semicondutor intrínseco:
1, elétrons livres se movem direcionalmente, formando umCorrente de elétrons.
2, devido à presença de orifícios, os elétrons de valência se movem em uma direção específica para preencher esses orifícios, fazendo com que os orifícios também sofrem movimento direcional (uma vez que elétrons e orifícios livres são gerados em pares). Este movimento de buracos forma umCorrente do orifício. Como elétrons e orifícios livres carregam cargas opostas e se movem em direções opostas, a corrente total em um semicondutor intrínseco é a soma dessas duas correntes.
Os fenômenos acima demonstram que os orifícios e os elétrons livres atuam como partículas que transportam carga elétrica (essas partículas são chamadastransportadoras de cobrança). Assim, ambos são portadores de cobrança. Isso distingue semicondutores intrínsecos dos condutores: nos condutores, existe apenas um tipo de transportadora de carga, enquanto que nos semicondutores intrínsecos, existem dois tipos de portadores de carga.
1.2.2 Concentração da transportadora em semicondutores intrínsecos
O fenômeno onde um semicondutor gera elétron livre - pares sob excitação térmica é chamadaexcitação intrínseca.
Durante o movimento aleatório de elétrons livres, quando encontram orifícios, os elétrons e orifícios livres desaparecem simultaneamente. Este fenômeno é chamadoRecombinação. O número de pares de orifícios de elétron livre - gerados pela excitação intrínseca é igual ao número de elétrons livres - pares de orifícios que recombinam, alcançando um equilíbrio dinâmico. Isso significa que, a uma certa temperatura, as concentrações de elétrons e orifícios livres são os mesmos.
Quando a temperatura ambiente aumenta, o movimento térmico se intensifica e mais elétrons livres se libertam das restrições dos elétrons de valência, levando a um aumento de orifícios. Consequentemente, a concentração da transportadora aumenta, aumentando a condutividade. Por outro lado, quando a temperatura diminui, a concentração da transportadora diminui, reduzindo a condutividade. Quando a temperatura cai para zero absoluto (0 k), os elétrons de valência não têm energia para se libertar de ligações covalentes, resultando em nenhuma condutividade.
Nos semicondutores intrínsecos, a condutividade envolve o movimento de dois tipos de transportadores de carga. Embora a condutividade dos semicondutores intrínsecos dependa da temperatura, ela permanece extremamente ruim devido à sua estrutura cristalina. Apesar de sua baixa condutividade, os semicondutores intrínsecos exibem forte controlabilidade em suas propriedades condutivas.
1.3 Semicondutores dopados
Esta seção explicará por que os semicondutores intrínsecos exibem uma controlabilidade tão forte na condutividade. Aqui, utilizaremos a seguinte propriedade dos semicondutores:Quantidades de impurezas podem alterar significativamente sua condutividade.
"Doping" refere -se ao processo de introdução de elementos de impureza apropriados em um semicondutor intrínseco. Dependendo do tipo de elementos de impureza adicionados, os semicondutores dopados podem ser classificados emN - digite semicondutoreseP - Tipo semicondutores. Ao controlar a concentração dos elementos de impureza, a condutividade do semicondutor dopada pode ser regulamentada com precisão.
1.3.1 n - digite semicondutor
"N" significaNegativo, como os elétrons carregam uma carga negativa e são leves. Para introduzir elétrons adicionais na estrutura cristalina, os elementos pentavalentes (por exemplo, fósforo, P) são tipicamente dopados no semicondutor. Como um átomo de fósforo possui cinco elétrons de valência, depois de formar ligações covalentes com átomos de silício circundantes, um elétron extra permanece. Esse elétron pode facilmente se tornar um elétron livre com entrada mínima de energia. O átomo de impureza, agora fixado na treliça de cristal e sem um elétron, torna -se um íon positivo imóvel. Isso é ilustrado na figura abaixo:
1.3.1 n - tipo semicondutor (continuação)
Em um semicondutor de n -, a concentração de elétrons livres é maior que a dos orifícios. Portanto, elétrons livres são chamadostransportadoras majoritárias(multiplicadores), enquanto os orifícios são chamadosportadores minoritários(menores). Assim, a condutividade de um semicondutor de n - depende principalmente de elétrons livres. Quanto maior a concentração de impurezas dopadas, maior a concentração de portadores majoritários e mais forte a condutividade.
Vamos examinar como a concentração de portadores minoritários muda quando a concentração da portadora majoritária aumentar. A concentração de portador minoritária diminui porque o aumento do número de elétrons livres aumenta a probabilidade de recombinação com orifícios.
Quando a temperatura aumenta, o número de transportadores aumenta e o aumento dos portadores majoritários é igual ao aumento dos portadores minoritários. No entanto, a alteração percentual na concentração de portador minoritária é maior que a dos portadores majoritários (devido às diferentes concentrações básicas de minorias e cursos, mesmo que o aumento numérico seja o mesmo). Portanto, embora a concentração de portadores minoritários seja baixa, eles não devem ser subestimados. Os portadores minoritários são um fator crítico que afeta a estabilidade da temperatura dos dispositivos semicondutores e, portanto, sua concentração também deve ser considerada.
1.3.2 P - Tipo semicondutor
"P" significaPositivo, nomeado após os buracos carregados positivamente. Para introduzir orifícios adicionais na estrutura cristalina, os elementos trivalentes (por exemplo, boro, b) são tipicamente dopados no semicondutor. Quando um átomo de boro forma ligações covalentes com átomos de silício circundantes, cria uma vaga (que é eletricamente neutra). Quando um elétron de valência de um átomo de silício vizinho enche essa vaga, a ligação covalente gera um orifício. O átomo de impureza se torna um íon negativo imóvel. Isso é ilustrado na figura abaixo:
1.3.2 P - Tipo semicondutor (continuação)
Comparado com n - digite semicondutores, em p - digite semicondutores:
Os orifícios são os portadores majoritários, enquanto os elétrons livres são os portadores minoritários.
A condutividade depende principalmente de orifícios. Quanto maior a concentração de impurezas dopadas, maior a concentração de orifícios, levando a uma condutividade mais forte (à medida que as vagas nos átomos de impureza absorvem elétrons). A concentração de portador minoritária diminui.
Quando a temperatura aumenta, a alteração percentual na concentração livre de elétrons é maior que a da concentração de orifício.