2.4: Напівпровідники

Last updated
Save as PDF

Page ID: 27038

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Напівпровідник - це матеріал, питомий опір руху заряду падає десь між провідником, через який ми можемо легко переміщати заряд, і ізолятором, який чинить опір руху заряду. Деякі напівпровідники є елементарними, такими як кремній та германій (обидва з яких ми детальніше розглядаємо в цьому розділі), а деякі - багатоелементні, такі як карбід кремнію.

Властивості кремнієвих та германієвих напівпровідників

Провідник, такий як алюміній або мідь, має питомий опір на порядок\(10^{-8} - 10^{-6} \ \Omega \cdot m\), а значить, його опір руху електронів досить мало, що він переносить струм без особливих зусиль. Ізолятор, такий як мінеральний кварц\(\ce{SiO2}\), має питомий опір на порядку\(10^{15} - 10^{19} \ \Omega \cdot m\). Кремній, з іншого боку, має питомий опір приблизно,\(640 \ \Omega \cdot m\) а гермайн має питомий опір близько\(0.46 \ \Omega \cdot m\).

Примітка

Обернене питомого опору - провідність.

Кремній і германій знаходяться в одній групі з вуглецем. Якщо ми використовуємо спрощене уявлення про атоми, ми можемо розглядати кремній та германій як мають чотири валентні електрони та ефективний ядерний заряд\(Z_{eff}\),

\[\begin{align*} (Z_{eff})_\ce{Si} &= Z - \text{ number of core electrons} \\[4pt] &= 14 - 10 \\[4pt] &= +4 \\[4pt] (Z_{eff})_\ce{Ge} &= Z - \text{ number of core electrons} \\[4pt] &= 32 - 28 \\[4pt] &= +4 \end{align*} \]

Ми можемо збільшити провідність кремнію та германію, додаючи до них - це називається легуванням - невелику кількість домішки. Додавання невеликої кількості In або Ga, які мають три валентних електронів замість чотирьох валентних електронів, залишає невелику кількість вакансій, або дірок, в яких відсутній електрон. Додавання невеликої кількості As або Sb, які мають п'ять валентних електронів замість чотирьох валентних електронів, залишає невелику кількість зайвих електронів. На малюнку\(\PageIndex{1}\) показані всі три можливості.

Напівпровідники. — Малюнок\(\PageIndex{1}\). Ілюстрація, що показує двовимірний переріз через (зліва) монокристал кремнію або германію; (середній) монокристал кремнію або германію, легований індієм або галієм; і (праворуч) монокристал кремнію або германію, легований миш'яком або сурмою. Легування індієм або галієм залишає отвір, де відсутній електрон, а легування миш'яком або сурмою залишає зайвий електрон. Візерунок за фігурами в Diefenderfer, A J **Принципи електронного приладобудування**, WB Saunders (1972).

Якщо застосувати потенціал через напівпровідник, легований As або Sb, додатковий електрон рухається до позитивного полюса, створюючи невеликий струм і залишаючи після себе вакансію або дірку. Якщо застосувати потенціал через напівпровідник, легований In або Ga, електрони надходять в напівпровідник з негативного полюса, займаючи вакансії або дірки, і створюючи невеликий струм. В обох випадках електрони рухаються до позитивного полюса, а дірки рухаються до негативного полюса. Ми називаємо напівпровідник, легований As або Sb, напівпровідником типу n, оскільки первинним носієм заряду є електрон; ми називаємо напівпровідник, легований In або Ga, напівпровідником p -типу, оскільки основним носієм заряду є дірка.

напівпровідникові діоди

Діод - це електричний прилад, який більш струмопровідний в одному напрямку, ніж в протилежному напрямку. Діод використовує властивості переходу між напівпровідником p -типу і n -типу.

Властивості pn переходів

Давайте використаємо Рисунок,\(\PageIndex{2}\) щоб зрозуміти, як працює напівпровідниковий діод. Малюнок розділений на дві частини: ліва сторона фігури, частини (а), (b) і (в), показують поведінку напівпровідникового діода при застосуванні прямого зміщення, а права сторона фігури, частини (d), (e) і (f) показують його поведінку при застосуванні зворотного зміщення. Для обох напівпровідниковий діод складається з переходу між напівпровідником n -типу, який має надлишок електронів і несе негативний заряд, і напівпровідником p -типу, який має надлишок дірок і, таким чином, позитивний заряд; це показано в (а) і (d). Те, як виготовляється напівпровідник, для нас не має значення.

Напівпровідниковий діод при прямому зміщенні і зворотному зміщен — Малюнок\(\PageIndex{2}\). Поведінка напівпровідникового діода при прямому зміщенні і зворотному зміщенні, і символ напівпровідникового діода. Додаткові відомості див. в тексті.

Для здійснення прямого зміщення ми застосуємо позитивний потенціал до області p -типу і застосуємо негативний потенціал до області n -типу. Як ми бачимо в (b), дірки в p -області рухаються до переходу, а електрони в n -області рухаються до з'єднання, а також. Коли дірки та електрони зустрічаються, вони об'єднуються та усуваються, тому ми бачимо менше дірок та електронів у (c). Додаткові електрони впадають у n -область, а електрони відтягуються від p -області, як видно з (c), в результаті чого утворюється струм. Для здійснення зворотного зміщення перемикаємо застосовані потенціали так, щоб p -область мала негативний потенціал, а n -область мала позитивний потенціал. Результат, як видно в (е), є коротким струмом, коли дірки та електрони віддаляються один від одного. залишаючи позаду, в (f), зону виснаження, яка по суті не має електронів або дірок.

Криві струм-напруга для напівпровідникових діодів

\(\PageIndex{3}\)На малюнку показаний графік струму як функції напруги для напівпровідникового діода. У режимі прямого зміщення струм зростає експоненціально зі збільшенням прикладеної напруги, але залишається на рівні практично нуля при роботі при зворотному зміщенні. Використання досить великого негативного потенціалу, однак, призводить до раптового і різкого збільшення струму; потенціал, при якому це відбувається, називається напругою пробою.

Крива напруги струму для напівпровідникового діода при прямому і зворотному зміщенні. — Малюнок\(\PageIndex{3}\). Крива струм-напруга для напівпровідникового діода при прямому зміщенні і при зворотному зміщенні.