1.1 Yarıiletkenlere Giriş
Yarı iletken cihazlar elektronik devrelerin temel bileşenleridir ve yarı iletken malzemelerden yapılır. Yarı iletken malzemeler, iletkenler ve izolatörler arasında elektriksel iletkenliğe sahip maddeler olarak tanımlanır. İletkenler ve izolatörler arasında iletkenliğe ek olarak, yarı iletkenler de aşağıdaki özelliklere sahiptir:
1, sıcaklıktaki bir artış yarı iletkenlerin iletkenliğini önemli ölçüde artırabilir. Örneğin, sıcaklık 30 dereceden 20 dereceye yükseldiğinde saf silikonun (SI) direnci iki katına çıkar.
2, eser miktarda safsızlık (varlıkları ve konsantrasyonu) yarı iletkenlerin iletkenliğini büyük ölçüde değiştirebilir. Örneğin, milyon silikon atomu başına bir safsızlık atomu (+3 veya {{{{{}} değerlik elemanı gibi), oda sıcaklığındaki direnç (oda sıcaklığı 27 derece; neden mutlak sıcaklık? Çünkü T} T} T} t, t}} t, t}} t, t}} t için en yakın değer ve en yakın değer 3} t, t} t ve en yakın değeri 3 214.000 Ω · cm ila 0.2 Ω · cm.
3, ışığa maruz kalma yarı iletkenlerin iletkenliğini önemli ölçüde artırabilir. Örneğin, bir yalıtım substratı üzerine biriken bir kadmiyum sülfür (CDS) filmi, ışık yokluğunda birkaç megohm (MΩ) direncine sahiptir, ancak aydınlatma altında, direnç onlarca kilohm (kΩ) düşer.
4, ek olarak, manyetik ve elektrik alanları yarı iletkenlerin iletkenliğini de belirgin bir şekilde değiştirebilir.
Bu nedenle, yarı iletkenler iletkenler ve izolatörler arasında iletkenliğe sahip malzemelerdir ve içsel özellikleri, ışık, ısı, manyetizma, elektrik alanları ve iz safsızlık konsantrasyonları gibi dış faktörler nedeniyle önemli değişikliklere karşı oldukça hassastır.
Bu avantajlı özellikler göz önüne alındığında, yarı iletkenler etkili bir şekilde kullanılabilir. Özellikle, diyotlar, transistörler ve - etki transistörleri ile ilgili sonraki tartışmalar, yarı iletken iletkenliği önemli ölçüde değiştiren eser safsızlıkların özelliğinin nasıl kullanıldığını gösterecektir.
1.2 İçsel Yarıiletkenler
Yarı iletkenlere iz safsızlıkları nasıl tanıtabiliriz? Doğal kuvars (ana bileşeni SI) doğrudan safsızlıklar ekleyebilir miyiz? Doğal silikonu doğrudan kullanamayız çünkü iletkenliğini kontrol edilemez hale getiren çeşitli safsızlıklar içerir. Tüm yarı iletkenler için temel materyal olarak hizmet etmek için birincil amaç kontrol edilebilir iletkenlik elde etmektir.
Bu nedenle, doğal silikonu saf bir silikon kristal yapısına saflaştırmamız gerekir. Bu saf iletken kristal yapısı, içsel yarı iletken olarak adlandırılır.
İçsel yarı iletkenlerin özellikleri: (içsel yarı iletkenler saf kristal yapılardır)
1, saflık, yani safsızlık yok.
2, kristal yapı, stabiliteyi temsil eder. Atomlar birbirine bağlıdır, serbest hareketi önler, bu da doğal silikona kıyasla daha düşük iletkenlik ile sonuçlanır.
1.2.1 İçsel yarı iletkenlerin kristal yapısı
Kimyada, bir kristaldeki iki bitişik silikon (SI) atomunun en dış elektronlarının paylaşılan elektronlar haline geldiğini ve kovalent bağlar oluşturduğunu öğrendik. Bununla birlikte, her bir SI atomunun en dıştaki tüm elektronları kesinlikle kendi kovalent bağları içinde kalmaz. Bunun nedeni, malzemenin sıcaklıklı bir ortamda var olmasıdır. Sipariş edilen harekete ek olarak, en dıştaki elektronlar ayrıca sıcaklığın etkisi nedeniyle - rastgele hareket - rastgele harekete geçer. Bazen, bir elektron diğer atomlardan daha yüksek enerjiye sahip olabilir, bu da kovalent bağdan kurtulmasına ve serbest bir elektron haline gelmesine izin verir. Az miktarda enerji ile bile, bir iletkenin en dış elektronları yönlü hareket üretebilir.
İçsel yarı iletkenler safsızlık içermez. Bir elektron kovalent bir bağdan kurtulduğunda, delik olarak bilinen bir boşluğun arkasında kalır. İçsel yarı iletkenlerde, serbest elektron sayısı delik sayısına eşittir ve bunlar çiftler halinde üretilir. Kristal yapı, delikler ve serbest elektronlar aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:
1.2.1 İçsel yarı iletkenlerin kristal yapısı (devam)
İçsel bir yarı iletkene harici bir elektrik alanı uygulanırsa:
1, serbest elektronlar yön olarak hareket eder, birelektron akımı.
2, deliklerin varlığı nedeniyle, değerlik elektronları bu delikleri doldurmak için belirli bir yönde hareket ederek deliklerin yönlü harekete geçmesine neden olur (çünkü çiftler halinde serbest elektronlar ve delikler üretilir). Deliklerin bu hareketi birdelik akımı. Serbest elektronlar ve delikler zıt yükler taşıdığından ve zıt yönlerde hareket ettikçe, içsel yarı iletkendeki toplam akım bu iki akımın toplamıdır.
Yukarıdaki fenomenler, hem deliğin hem de serbest elektronların elektrik yükü taşıyan parçacıklar olarak hareket ettiğini gösterir (bu tür parçacıklar denirşarj taşıyıcıları). Böylece, her ikisi de şarj taşıyıcılarıdır. Bu, içsel yarı iletkenleri iletkenlerden ayırır: iletkenlerde sadece bir tip yük taşıyıcısı vardır, oysa içsel yarı iletkenlerde iki tür yük taşıyıcısı vardır.
1.2.2 İçsel yarı iletkenlerde taşıyıcı konsantrasyonu
Bir yarı iletkenin termal uyarma altında serbest elektron - delik çiftleri ürettiği fenomen denir.içsel uyarma.
Serbest elektronların rastgele hareketi sırasında, deliklerle karşılaştıklarında serbest elektronlar ve delikler aynı anda kaybolur. Bu fenomene denirrekombinasyon. İçsel uyarma ile üretilen serbest elektron - delik çifti sayısı, dinamik bir denge elde ederek, rekombinasyon yapan serbest elektron - delik çiftlerinin sayısına eşittir. Bu, belirli bir sıcaklıkta serbest elektron ve delik konsantrasyonlarının aynı olduğu anlamına gelir.
Ortam sıcaklığı arttığında, termal hareket yoğunlaştığında ve daha fazla serbest elektron, değerlik elektronlarının kısıtlamalarından kurtularak deliklerde bir artışa yol açar. Sonuç olarak, taşıyıcı konsantrasyonu artar ve iletkenliği artırır. Tersine, sıcaklık azaldığında, taşıyıcı konsantrasyonu azalır ve iletkenliği azaltır. Sıcaklık mutlak sıfıra (0 K) düştüğünde, değerlik elektronları kovalent bağlardan kurtulma enerjisinden yoksundur ve bu da iletkenliğe neden olur.
İçsel yarı iletkenlerde iletkenlik, iki tür yük taşıyıcısının hareketini içerir. Her ne kadar içsel yarı iletkenlerin iletkenliği sıcaklığa bağlı olsa da, kristal yapıları nedeniyle son derece zayıf kalır. Kötü iletkenliklerine rağmen, içsel yarı iletkenler iletken özelliklerinde güçlü kontrol edilebilirlik gösterirler.
1.3 katkılı yarı iletken
Bu bölüm, içsel yarı iletkenlerin neden iletkenlikte bu kadar güçlü kontrol edilebilirlik sergilediğini açıklayacaktır. Burada, yarı iletkenlerin aşağıdaki özelliğini kullanacağız:İz miktarda safsızlık iletkenliklerini önemli ölçüde değiştirebilir.
"Doping", uygun safsızlık elemanlarının içsel bir yarı iletkene sokulması sürecini ifade eder. Eklenen safsızlık öğelerinin türüne bağlı olarak, katkılı yarı iletkenlerN - Tip YarıiletkenlerVeP - Tip Yarıiletkenler. Safsızlık elemanlarının konsantrasyonunu kontrol ederek, katkılı yarı iletkenin iletkenliği tam olarak düzenlenebilir.
1.3.1 N - Tür Semiconductor
"N" anlamına gelirNegatif, elektronlar negatif bir yük taşımalı ve hafiftir. Kristal yapıya ilave elektronlar eklemek için, pentavalent elementler (örn. Fosfor, P) tipik olarak yarı iletken içine katlanır. Bir fosfor atomunun, çevreleyen silikon atomları ile kovalent bağlar oluşturduktan sonra beş değerlik elektronuna sahip olduğundan, bir ekstra elektron kalır. Bu elektron kolayca minimal enerji girişine sahip serbest bir elektron haline gelebilir. Şimdi kristal kafeste sabitlenen ve bir elektrondan yoksun olan safsızlık atomu, hareketsiz bir pozitif iyon haline gelir. Bu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:
1.3.1 N - Tür Semiconductor (devam)
N - tipi yarı iletkende, serbest elektron konsantrasyonu deliklerden daha büyüktür. Bu nedenle, serbest elektronlar denirçoğunluk taşıyıcıları(çarpanlar), delikler olarak adlandırılırazınlık taşıyıcıları(Küçükler). Böylece, bir n - tipi yarı iletkenin iletkenliği öncelikle serbest elektronlara dayanır. Katkılı safsızlıkların konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, çoğunluk taşıyıcılarının konsantrasyonu o kadar büyük olur ve iletkenlik o kadar güçlü olur.
Çoğunluk taşıyıcı konsantrasyonu arttığında azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonunun nasıl değiştiğini inceleyelim. Azınlık taşıyıcı konsantrasyonu azalır, çünkü artan serbest elektron sayısı deliklerle rekombinasyon olasılığını arttırır.
Sıcaklık arttığında, taşıyıcı sayısı artar ve çoğunluk taşıyıcılarındaki artış azınlık taşıyıcılarındaki artışa eşittir. Bununla birlikte, azınlık taşıyıcı konsantrasyonundaki yüzde değişim, çoğunluk taşıyıcılarından daha yüksektir (sayısal artış aynı olsa da, azınlıkların ve bölümlerin farklı baz konsantrasyonları nedeniyle). Bu nedenle, azınlık taşıyıcılarının konsantrasyonu düşük olmasına rağmen, hafife alınmamalıdır. Azınlık taşıyıcıları, yarı iletken cihazların sıcaklık stabilitesini etkileyen kritik bir faktördür ve bu nedenle konsantrasyonları da dikkate alınmalıdır.
1.3.2 P - Tür Semiconductor
"P" anlamına gelirOlumlu, pozitif yüklü deliklerden sonra adlandırılmıştır. Kristal yapıya ek delikler sunmak için, üç değerlikli elementler (örneğin, Bor, B) tipik olarak yarı iletkene katlanır. Bir bor atomu çevreleyen silikon atomları ile kovalent bağlar oluşturduğunda, bir boşluk yaratır (elektriksel olarak nötr). Komşu bir silikon atomundan bir değerlik elektronu bu boşluğu doldurduğunda, kovalent bağ bir delik üretir. Safsızlık atomu daha sonra hareketsiz bir negatif iyon haline gelir. Bu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:
1.3.2 P - Tür Semiconductor (devam)
P - tipi yarı iletkenlerde n - tipi yarı iletkenlerle karşılaştırıldığında:
Delikler çoğunluk taşıyıcılarıdır, serbest elektronlar ise azınlık taşıyıcılarıdır.
İletkenlik öncelikle deliklere dayanır. Katkılı safsızlıkların konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, deliklerin konsantrasyonu o kadar büyük olur ve daha güçlü iletkenliğe yol açar (safsızlık atomlarındaki boş pozisyonlar elektronları emer). Azınlık taşıyıcı konsantrasyonu azalır.
Sıcaklık arttığında, serbest elektron konsantrasyonundaki yüzde değişimi delik konsantrasyonundan daha yüksektir.