Basisprincipes van halfgeleiders leren

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





In deze post leren we uitgebreid over de fundamentele werkingsprincipes van halfgeleiders, en hoe de interne structuur van halfgeleiders functioneert onder invloed van elektriciteit.

De weerstandswaarde tussen deze halfgeleidermaterialen heeft noch een volledige geleiderkarakteristiek, noch een volledige isolator, maar ligt tussen deze twee grenzen.



Dit kenmerk kan de halfgeleidereigenschappen van het materiaal bepalen, maar het zou interessant zijn om te weten hoe een halfgeleider werkt tussen een geleider en een isolator.

Resistiviteit

Volgens de wet van Ohm wordt de elektrische weerstand van een elektronisch apparaat gedefinieerd als de verhouding tussen het potentiaalverschil over de component en de stroom die door de component vloeit.



Nu kan het gebruik van weerstandsmeting een probleem opleveren, de waarde ervan verandert naarmate de fysieke dimensie van het resistieve materiaal verandert.

Wanneer bijvoorbeeld een weerstandsmateriaal in lengte wordt vergroot, neemt de weerstandswaarde ook evenredig toe.
Evenzo, wanneer de dikte toeneemt, neemt de weerstandswaarde proportioneel af.

De behoefte hier is om een ​​materiaal te definiëren dat een eigenschap van ofwel geleiding of weerstand tegen elektrische stroom kan aangeven, ongeacht de grootte, vorm of fysieke verschijning ervan.

De omvang voor het uitdrukken van deze specifieke weerstandswaarde staat bekend als weerstand, die de synbol ρ, (Rho) heeft

De meeteenheid voor weerstand is Ohm-meter (Ω.m), en het kan worden opgevat als een parameter die omgekeerd is aan geleidbaarheid.

Om vergelijkingen te krijgen tussen de weerstanden van verschillende materialen, worden deze ingedeeld in 3 hoofdcategorieën: geleiders, isolator en halfgeleiders. De onderstaande tabel geeft de vereiste details:

Zoals je in de bovenstaande afbeelding kunt zien, is er een verwaarloosbaar verschil in de soortelijke weerstand van geleiders zoals goud en zilver, terwijl er een aanzienlijk verschil kan zijn in de soortelijke weerstand tussen isolatoren zoals kwarts en glas.

Dit komt door hun reactie op de omgevingstemperatuur, waardoor metalen enorm efficiënte geleiders zijn dan de isolatoren

Geleiders

Uit de bovenstaande grafiek begrijpen we dat geleiders de minste weerstand hebben, meestal in microohm / meter.

Vanwege hun lage soortelijke weerstand kan elektrische stroom er gemakkelijk doorheen gaan, omdat er een grote hoeveelheid elektronen beschikbaar is.

Deze elektronen kunnen echter alleen worden geduwd als er een druk over de geleider is, en deze druk kan worden gevormd door een spanning over de geleider aan te leggen.

Dus wanneer een geleider wordt toegepast met een positief / negatief potentiaalverschil, worden de vrije elektronen van elk atoom van de geleider gedwongen om los te komen van hun ouderatomen en beginnen ze over de geleider te drijven, en staat algemeen bekend als stroom van stroom. .

De mate waarin deze elektronen kunnen bewegen, hangt af van hoe gemakkelijk ze, als reactie op een spanningsverschil, van hun atomen kunnen worden bevrijd.

Metalen worden over het algemeen beschouwd als goede geleiders van elektriciteit, en van de metalen zijn goud, zilver, koper en aluminium de beste geleiders ordelijk.

Omdat deze geleiders zeer weinig elektronen in de valentieband van hun atomen hebben, worden ze gemakkelijk losgemaakt door een potentiaalverschil en beginnen ze van het ene atoom naar het volgende atoom te springen via een proces dat 'Domino-effect' wordt genoemd, wat resulteert in een stroom van stroom de conducteur.

Hoewel goud en zilver de beste geleiders van elektriciteit zijn, hebben koper en aluminium de voorkeur voor het maken van draden en kabels vanwege hun lage kosten en overvloed, en ook vanwege hun fysieke stevigheid.

Ondanks dat koper en aluminium goede elektriciteitsgeleiders zijn, hebben ze toch enige weerstand, want niets kan 100% ideaal zijn.

Hoewel klein, kan de weerstand die door deze geleiders wordt geboden aanzienlijk worden bij de toepassing van hogere stromen. Uiteindelijk wordt de weerstand tegen hogere stroom op deze geleiders als warmte gedissipeerd.

Isolatoren

In tegenstelling tot geleiders zijn isolatoren slechte geleiders van elektriciteit. Deze zijn meestal in de vorm van niet-metalen en hebben zeer weinig kwetsbare of vrije elektronen met hun ouderatomen.

Dit betekent dat de elektronen van deze niet-metalen nauw verbonden zijn met hun ouderatomen, die buitengewoon moeilijk te verwijderen zijn door het aanleggen van spanning.

Als gevolg van deze eigenschap, wanneer elektrische spanning wordt aangelegd, bewegen de elektronen niet weg van de atomen, wat resulteert in geen stroom van elektronen en daarom vindt er geen geleiding plaats.

Deze eigenschap leidt tot een zeer hoge weerstandswaarde voor de isolator, in de orde van vele miljoenen ohm.

Materialen als glas, marmer, PVC, plastic, kwarts, rubber, mica, bakeliet zijn voorbeelden van goede isolatoren.

Net als geleider spelen isolatoren een even belangrijke rol in de archivering van elektronica. Zonder isolator zou het onmogelijk zijn om spanningsverschillen tussen circuittrappen te isoleren, wat tot kortsluiting leidt.

Zo zien we bijvoorbeeld het gebruik van porselein en glas in hoogspanningstorens voor het veilig overbrengen van wisselstroom over de kabels. In draden gebruiken we PVC voor het isoleren van positieve en negatieve aansluitingen, en in PCB's gebruiken we bakeliet om koperen sporen van elkaar te isoleren.

Basisprincipes van halfgeleiders

Materialen als silicium (Si), germanium (Ge) en galliumarsenide vallen onder de basis halfgeleidermaterialen. Het is omdat deze materialen de eigenschap hebben dat ze elektriciteit tussentijds geleiden, wat geen aanleiding geeft tot goede geleiding of goede isolatie. Vanwege deze eigenschap worden deze materialen halfgeleiders genoemd.

Deze materialen vertonen zeer weinig vrije elektronen over hun atomen, die dicht gegroepeerd zijn in een kristallijne roostervorming. Toch kunnen de elektronen losraken en stromen, maar alleen onder specifieke omstandigheden.

Dit gezegd hebbende, wordt het mogelijk om de geleidingssnelheid in deze halfgeleider te verhogen door een soort 'donor'- of' acceptor'-atomen in de kristallijne lay-out te introduceren of te vervangen, waardoor extra 'vrije elektronen' en 'gaten' of vice versa.

Dit wordt geïmplementeerd door een bepaalde hoeveelheid extern materiaal aan het bestaande materiaal toe te voegen, zoals silicium of germanium.

Op zichzelf worden materialen zoals silicium en germanium gecategoriseerd als intrinsieke halfgeleiders, vanwege hun extreem pure chemische aard en de aanwezigheid van volledig halfgeleidend materiaal.

Dit betekent ook dat we, door er een gecontroleerde hoeveelheid onzuiverheid in aan te brengen, de geleidingssnelheid in deze intrinsieke materialen kunnen bepalen.

We kunnen soorten onzuiverheden introduceren die donoren of acceptoren worden genoemd in deze materialen om deze te versterken met vrije elektronen of vrije gaten.

In deze processen, wanneer een onzuiverheid wordt toegevoegd aan een intrinsiek materiaal in de verhouding van 1 onzuiverheidsatoom per 10 miljoen halfgeleidermateriaalatoom, wordt dit aangeduid als Doping

Met de introductie van voldoende onzuiverheid kan een halfgeleidermateriaal worden omgezet in een N-type of P-type materiaal.

Silicium is een van de meest populaire halfgeleidermaterialen, met 4 valentie-elektronen over de buitenste schil, en ook omgeven door aangrenzende atomen die een totale baan van 8 elektronen vormen.

De binding tussen de twee siliciumatomen is zo ontwikkeld dat het mogelijk is één elektron te delen met het aangrenzende atoom, wat leidt tot een goede stabiele binding.

In zijn zuivere vorm kan een siliciumkristal zeer weinig vrije valentie-elektronen bevatten, waardoor het de eigenschappen krijgt van een goede isolator, met extreme weerstandswaarden.

Het verbinden van een siliciummateriaal met een potentiaalverschil zal geen enkele geleiding erdoor helpen, tenzij er een soort positieve of negatieve polariteit in wordt gecreëerd.

En om dergelijke polariteiten te creëren, wordt het proces van doping in deze materialen geïmplementeerd door onzuiverheden toe te voegen, zoals besproken in de vorige paragrafen.

Silicium-atoomstructuur begrijpen

afbeelding van siliciumkristalrooster

siliciumatoom met 4 elektronen in zijn valentiebaan

In de bovenstaande afbeeldingen zien we hoe de structuur van een gewoon zuiver silicium kristalrooster eruit ziet. Voor de onzuiverheid worden normaal gesproken materialen zoals arseen, antimoon of fosfor in de halfgeleiderkristallen geïntroduceerd, waardoor ze extrinsiek worden, wat 'onzuiverheden hebben' betekent.

De genoemde onzuiverheden bestaan ​​uit 5 elektronen op hun buitenste band, bekend als 'vijfwaardige' onzuiverheid, om te delen met hun aangrenzende atomen.
Dit zorgt ervoor dat 4 van de 5 atomen zich kunnen aansluiten bij de aangrenzende siliciumatomen, met uitzondering van een enkel 'vrij elektron' dat vrij kan komen wanneer een elektrische spanning wordt aangesloten.

In dit proces, omdat de onzuivere atomen elk elektron beginnen te 'doneren' over hun nabijgelegen atoom, worden 'vijfwaardige' atomen 'donoren' genoemd.

Antimoon gebruiken voor doping

Antimoon (Sb) en fosfor (P) worden vaak de beste keuze voor het introduceren van 'vijfwaardige' onzuiverheid in silicium. antimoonatoom met 5 elektronen in zijn valentiebaan p-type halfgeleider

In Antimony zijn 51 elektronen opgesteld over 5 schalen rond zijn kern, terwijl de buitenste band uit 5 elektronen bestaat.
Hierdoor is het basismateriaal van halfgeleiders in staat om extra stroomvoerende elektronen op te nemen, die elk een negatieve lading hebben. Daarom wordt het 'N-type materiaal' genoemd.

Ook worden de elektronen 'Majority Carriers' genoemd en de gaten die vervolgens ontstaan, worden 'Minority Carriers' genoemd.

Wanneer een met antimoon gedoteerde halfgeleider wordt blootgesteld aan een elektrisch potentieel, worden de elektronen die toevallig worden uitgeschakeld onmiddellijk vervangen door de vrije elektronen van antimoonatomen. Omdat het proces echter uiteindelijk een vrij elektron in het gedoteerde kristal laat zweven, zorgt dit ervoor dat het een negatief geladen materiaal is.

In dit geval kan een halfgeleider een N-type worden genoemd als deze een donordichtheid heeft die hoger is dan de acceptordichtheid. Dit betekent dat er een groter aantal vrije elektronen is in vergelijking met het aantal gaten, wat een negatieve polarisatie veroorzaakt, zoals hieronder aangegeven.

Inzicht in P-Type Semiconductor

Als we de situatie omgekeerd beschouwen, introduceren we een 3 elektronen 'driewaardige' onzuiverheid in een halfgeleiderkristal, bijvoorbeeld als we aluminium, boor of indium introduceren, die 3 elektronen in hun valentiebinding bevatten, daarom wordt een 4e binding onmogelijk om te vormen.

Hierdoor wordt een grondige verbinding moeilijk, waardoor de halfgeleider voldoende positief geladen dragers heeft. Deze dragers worden 'gaten' genoemd over het hele halfgeleiderrooster, vanwege een heleboel ontbrekende elektronen.

Nu, vanwege de aanwezigheid van gaten in het siliciumkristal, wordt een nabijgelegen elektron aangetrokken door het gat en probeert het de sleuf te vullen. Zodra de elektronen dit echter proberen, verlaat het zijn positie en creëert een nieuw gat in zijn vorige positie.

Dit trekt op zijn beurt het volgende nabijgelegen elektron aan, dat weer een nieuw gat achterlaat terwijl het probeert het volgende gat te bezetten. Het proces gaat door en geeft de indruk dat de gaten in feite over de halfgeleider bewegen of stromen, wat we over het algemeen herkennen als het conventionele stroompatroon van stroom.

Omdat de 'gaten lijken te bewegen' ontstaat er een tekort aan elektronen waardoor het gehele gedoteerde kristal een positieve polariteit krijgt.

Aangezien elk onzuiverheidsatoom verantwoordelijk wordt voor het genereren van een gat, worden deze driewaardige onzuiverheden 'acceptoren' genoemd vanwege het feit dat deze continu vrije elektronen blijven accepteren tijdens het proces.
Borium (B) is een van de driewaardige additieven die in de volksmond wordt gebruikt voor het hierboven toegelichte dopingproces.

Wanneer boor wordt gebruikt als dopingmateriaal, zorgt dit ervoor dat de geleiding voornamelijk positief geladen dragers heeft.
Dit resulteert in de creatie van P-type materiaal met positieve gaten die 'Meerderheidsdragers' worden genoemd, terwijl de vrije elektronen 'Minderheidsdragers' worden genoemd.

Dit verklaart hoe een halfgeleider basismateriaal verandert in een P-type door een grotere dichtheid van zijn acceptoratomen in vergelijking met de donoratomen.

Hoe boor wordt gebruikt voor doping

booratoom met 3 elektronen in zijn buitenste valentiebinding

periodiek systeem voor halfgeleiders

Een samenvatting van de basisprincipes van halfgeleiders

N-type halfgeleider (gedoteerd met een vijfwaardige onzuiverheid zoals bijvoorbeeld antimoon)

Dergelijke halfgeleiders die zijn gedoteerd met vijfwaardige onzuiverheidsatomen worden donoren genoemd, omdat ze geleiding vertonen door de beweging van elektronen en daarom worden ze aangeduid als N-type halfgeleiders.
In N-type Semiconductor vinden we:

  1. Positief geladen donoren
  2. Overvloedig aantal vrije elektronen
  3. Relatief minder aantal 'gaten' in vergelijking met de 'vrije elektronen'
  4. Door doping ontstaan ​​positief geladen donoren en negatief geladen vrije elektronen.
  5. Het toepassen van een potentiaalverschil leidt tot de ontwikkeling van negatief geladen elektronen en positief geladen gaten.

P-type halfgeleider (gedoteerd met een driewaardige onzuiverheid zoals bijvoorbeeld boor)

Dergelijke halfgeleiders die zijn gedoteerd met driewaardige onzuiverheidsatomen worden acceptoren genoemd, omdat ze geleiding vertonen door de beweging van gaten en daarom worden ze aangeduid als P-type halfgeleiders.
In N-type Semiconductor vinden we:

  1. Negatief geladen acceptanten
  2. Overvloedige hoeveelheid gaten
  3. Relatief kleiner aantal vrije elektronen vergeleken met de aanwezigheid van gaten.
  4. Doping leidt tot het ontstaan ​​van negatief geladen acceptoren en positief geladen gaten.
  5. Het aanleggen van een aangelegde spanning veroorzaakt het genereren van positief geladen gaten en negatief geladen vrije elektronen.

Op zichzelf zijn halfgeleiders van het type P en N natuurlijk elektrisch neutraal.
Gewoonlijk zijn antimoon (Sb) en boor (B) de twee materialen die worden gebruikt als dopingleden vanwege hun overvloedige beschikbaarheid. Deze worden ook wel 'mettaloïden' genoemd.

Dit gezegd hebbende, als je naar het periodiek systeem kijkt, zul je veel andere vergelijkbare materialen vinden met 3 of 5 elektronen in hun buitenste atomaire band. Houdt in dat deze materialen ook geschikt kunnen worden voor dopingdoeleinden.
Periodiek systeem




Een paar: Cellphone Controlled Dog Feeder Circuit Volgende: Versterkercircuits begrijpen