Чистый кристалл полупроводника и способы увеличения проводимости полупроводников

Электроника играет ключевую роль в нашей жизни для передачи информации, развлечений, культуры, а также на войне и в медицине для диагностики, прогноза или хирургических операций. Материалы классифицируются в соответствии с их электропроводностью на проводники , изоляторы и полупроводники.

Материалы

Проводники — это материалы, которыелегкопроводят электричество и тепло, такие как металлы , Изоляторы — это материалы, которые плохо проводят электричество и тепло, такие как дерево и пластик, Полупроводники — это материалы, их проводимость находится между изоляторами и проводниками и характеризуется увеличением их проводимости в зависимости от их температуры. увеличивается, например, кремний и германий.

Чистый полупроводниковый кристалл

Каждый атом кремния (также германия) содержит 4 электрона во внешней оболочке, поэтому каждый атом кремния в кристалле делит 4 электрона с 4 соседними атомами ковалентными связями, чтобы завершить внешнюю оболочку до 8 электронов и достичь стабильного состояния, кристалл является правильное геометрическое расположение атомов в твердом состоянии.

Мы можем различать три типа электронов :

1. Электроны на самых внутренних уровнях: они прочно связаны с ядром.
2. В валентных электронов : они должны свободно перемещаться по межатомных расстояний.
3. Свободные электроны: они движутся беспорядочно и ограничены большим пространством, которым является кристалл.

Тепловая или световая энергия может использоваться для разрыва связей кристалла, где энергия, необходимая для разрыва связи, = энергия, полученная в результате восстановления (рекомбинации) связи.

Способы увеличения проводимости полупроводников

Полупроводники характеризуются своей чувствительностью к теплу, а также к примесям, поэтому проводимость полупроводников можно увеличить одним из двух следующих способов:

1. Повышение температуры.
2. Легирование (добавление примесей).

Повышение температуры

При низкой температуре (особенно 0 ° K) все связи в кристалле целы (не разорваны) и отсутствуют свободные электроны (изолирующий кристалл). При повышении температуры некоторые связи разрываются, и электроны освобождаются (проводящий кристалл) , Такие электроны оставляют вакансии в разорванной связи , которая называется отверстием.

Мы не называем атом кремния, который теряет электрон из-за своей связи, ионом, потому что достаточно скоро этот атом может захватить свободный электрон или электрон из другой связи, чтобы заполнить свою собственную вакансию. Затем атом возвращается нейтральным.

Поскольку электроны движутся беспорядочно, то же самое происходит и с дырками, поскольку электроны в связи перемещаются беспорядочно, заполняя вакансии, направление движения вакансий противоположно направлению движения электронов.

По мере увеличения температуры количество свободных электронов и дырок увеличивается (увеличивая проводимость ), так что количество свободных электронов равно количеству свободных дырок в чистом полупроводнике до тех пор, пока не будет достигнуто состояние динамического равновесия (так называемое тепловое равновесие) при при котором количество разорванных связей в секунду будет равно количеству восстановленных связей в секунду, так что фиксированное количество свободных электронов и такое же количество дырок остаются постоянными при любой температуре, и этот случай называется динамическим равновесием.

Динамическое равновесие (термическое) чистого кристалла кремния — это случай, когда количество разорванных связей в секунду равно количеству восстановленных связей в секунду, так что фиксированное количество свободных электронов и такое же количество дырок остается постоянным. при любой температуре.

Дырка — это валентность, которую электрон оставляет (положительный заряд) в разорванной связи в кристалле полупроводника. Не рекомендуется нагревать чистый полупроводник для увеличения его электропроводности , потому что увеличение температуры на большую величину приводит к разрыву связей. а также кристалл повредит.

Чистый полупроводник — это полупроводник, в котором концентрация свободных электронов (n) = концентрация дырок (P) при любой температуре.

Характеристики чистого полупроводникового кристалла (чистого кремния)

1. Электроны внутренних уровней связаны очень сильной силой притяжения с ядром, в то время как валентные электроны на самых внешних энергетических уровнях могут свободно перемещаться через межмолекулярные расстояния внутри кристалла.
2. При очень низкой температуре (особенно при 0 ° К) связи между атомами целы (не разорваны), и внутри кристалла нет свободных электронов, и электропроводность исчезает, и уровень энергии каждого атома полностью заполняется электронами при абсолютном давлении. ноль (ноль Кельвина).
3. Когда температура повышается, некоторые связи разрываются, и электроны освобождаются, каждый из этих электронов оставляет после себя вакансию в разорванной связи, которая называется дыркой, но это не считается ионом, этот атом может захватить свободный электрон или электрон из другая связь, чтобы заполнить свою собственную вакансию. Затем атом возвращается в нейтральный.
4. При повышении температуры количество свободных электронов и дырок увеличивается, а электропроводность увеличивается.
5. Эти электроны движутся в случайном движении внутри кристалла и заполнить вакансии , которые в результате разрыва облигаций .
6. Энергия, необходимая для разрыва любой связи = полученная энергия от восстановления (рекомбинации) связи, независимо от того, является ли это тепловой энергией или световой энергией.
7. Когда кристалл достигает динамического равновесия, количество разорванных связей в секундах = количество образованных связей в секунду, поэтому количество свободных электронов и дырок является постоянным для каждой температуры.

Проводники ( металлы ): кристалл состоит из положительных ионов и облака свободных электронов, которые беспорядочно перемещаются внутри проводника, и существует сила притяжения между ионами и электронами . Носителями заряда являются электроны . Число электронов не меняется с температурой. электрическое сопротивление увеличивается при повышении температуры.

Полупроводники: кристалл состоит из атомов, соединенных ковалентными связями . Носителями заряда являются электроны и дырки. Число свободных электронов и дырок увеличивается за счет повышения температуры до тех пор, пока кристалл не достигнет теплового динамического равновесия . Электрическое сопротивление уменьшается при повышении температуры. .

Легирование (добавление примесей)

Легирование — это добавление атомов пятивалентного элемента или трехвалентного элемента к чистому кристаллу четырехвалентного элемента для увеличения концентрации свободных электронов или концентрации дырок внутри него. Таким образом, его можно получить на двух типах примесей в полупроводниках путем добавления донорных примесей. или акцепторные примеси:

Донорные примеси

Тип примесного атома: атомы пятивалентного элемента (содержат 4 электрона на крайнем энергетическом уровне), такие как фосфор (P) или сурьма (Sb), и они относятся к элементам пятой группы.

Действие примесного атома: примесный атом делится с четырьмя электронами, образуя связи с четырьмя атомами кремния , в то время как пятый электрон остается слабо связанным с родительским ядром, которое вскоре теряет его, чтобы стать свободным электроном, а родительский атом становится положительным ионом, такой примесный атом называется донорным атомом.

Типа доминирующих носителей заряда свободные электроны, атомы примеси после легирования стали положительными ионами и их концентрацией Н ⁺ _D .

При тепловом равновесии: сумма положительного заряда = сумма отрицательного заряда

п = р + N ⁺ _D

(Где: n — концентрация свободных электронов, p — концентрация дырок, N ⁺ _D — концентрация донорных примесных ионов, Когда n> p, это будет полупроводник (n-типа)).

Полупроводник (n-типа): полупроводник, легированный примесями пятивалентного элемента, в котором концентрация свободных электронов (n)> концентрации дырок (p).

Акцепторные примеси

Тип примесного атома: атомы трехвалентного элемента (содержит 3 электрона на крайнем энергетическом уровне), например, алюминия (Al) или бора (B), и они относятся к элементам третьей группы.

Действие примесного атома: примесный атом делится с тремя электронами для образования связей и для достижения стабильности (8 электронов на внешней оболочке) он получает электрон от одной из кремниевых связей, оставляя дыру позади, и примесный атом становится отрицательным. иона такой примесный атом называется акцепторным атомом.

Тип доминирующих носителей заряда являются дырки, атомы примеси после легирования стали отрицательными ионами и их концентрации N ^— _A .

При тепловом равновесии: сумма отрицательного заряда = сумма положительного заряда

п = р + N ^— _D

(Где: n — концентрация свободных электронов, p — концентрация дырок, N ^— _D — концентрация акцепторных примесных ионов, Когда p> n, это будет полупроводник (p-типа)).

Полупроводник (p-типа): полупроводник, легированный примесями трехвалентного элемента, в котором концентрация дырок (p)> концентрации свободных электронов (n).

Легированный кристалл остается электрически нейтральным при легировании кристалла полупроводника примесями трехвалентных или пятивалентных элементов, всегда количество отрицательных зарядов равно количеству положительных зарядов, так что все атомы, будь то атомы полупроводника или атомы примесей, являются нейтральными.

Закон действия масс в полупроводниках

Если n _i — концентрация электронов или дырок в чистом кристалле кремния, Тогда: np = n _i ².

Закон действия масс: произведение концентрации свободных электронов на концентрацию дырок = постоянное значение для каждой температуры, не зависящее от типа примеси (квадрат концентрации электронов или дырок в чистом кристалле полупроводника на постоянная температура.

Концентрация свободных электронов (n) обратно пропорциональна концентрации дырок (p):

В случае n-типа

п = р + N ⁺ D

p <<N ⁺ _D    , ∴ n = N ⁺ _D    ,  np = n _i ², ∴ p = n _i ² / N ⁺ _D

В случае р-типа

р = п + N ^— _D

n <<N ^— _D    , ∴ p = N ^— _D    , np = n _i ², ∴ n = n _i ² / N ^— _D