1.1 Pengantar semikonduktor
Perangkat semikonduktor adalah komponen mendasar dari sirkuit elektronik, dan terbuat dari bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor didefinisikan sebagai zat dengan konduktivitas listrik antara konduktor dan isolator. Selain memiliki konduktivitas antara konduktor dan isolator, semikonduktor juga memiliki sifat -sifat berikut:
1, kenaikan suhu dapat secara signifikan meningkatkan konduktivitas semikonduktor. Sebagai contoh, resistivitas silikon murni (SI) berlipat ganda ketika suhu meningkat dari 30 derajat menjadi 20 derajat.
2, jejak jumlah kotoran (keberadaan dan konsentrasi mereka) dapat secara drastis mengubah konduktivitas semikonduktor. Misalnya, jika satu atom pengotor (seperti {+3 atau +5 elemen valensi) diperkenalkan per juta atom silikon, resistivitas pada suhu kamar (27 derajat; mengapa suhu kamar 27 derajat) dari suhu absolut, t, dan t {6 {6} t t suhu 2. 214.000 Ω · cm hingga 0,2 Ω · cm.
3, paparan cahaya dapat secara signifikan meningkatkan konduktivitas semikonduktor. Sebagai contoh, film kadmium sulfida (CDS) yang diendapkan pada substrat isolasi memiliki resistensi beberapa megohms (MΩ) tanpa adanya cahaya, tetapi di bawah iluminasi, resistensi turun menjadi beberapa puluh kilohm (kΩ).
4, Selain itu, medan magnetik dan listrik juga dapat secara nyata mengubah konduktivitas semikonduktor.
Oleh karena itu, semikonduktor adalah bahan dengan konduktivitas antara konduktor dan isolator, dan sifat intrinsiknya sangat rentan terhadap perubahan yang signifikan karena faktor -faktor eksternal seperti cahaya, panas, magnetisme, medan listrik, dan konsentrasi pengotor jejak.
Mengingat sifat -sifat yang menguntungkan ini, semikonduktor dapat digunakan secara efektif. Secara khusus, diskusi selanjutnya tentang dioda, transistor, dan bidang - transistor efek akan menunjukkan bagaimana sifat pengotor jejak secara signifikan mengubah konduktivitas semikonduktor dimanfaatkan.
1.2 semikonduktor intrinsik
Bagaimana kita memperkenalkan kotoran jejak ke dalam semikonduktor? Bisakah kita secara langsung menambahkan kotoran ke kuarsa alami (komponen utamanya Si)? Kita tidak dapat menggunakan silikon alami secara langsung karena mengandung berbagai kotoran, yang membuat konduktivitasnya tidak terkendali. Untuk berfungsi sebagai bahan mendasar untuk semua semikonduktor, tujuan utamanya adalah untuk mencapai konduktivitas yang dapat dikendalikan.
Oleh karena itu, kita perlu memurnikan silikon alami menjadi struktur kristal silikon murni. Struktur kristal semikonduktor murni ini disebut sebagai semikonduktor intrinsik.
Karakteristik semikonduktor intrinsik: (semikonduktor intrinsik adalah struktur kristal murni)
1, kemurnian, yang berarti tidak ada kotoran.
2, struktur kristal, mewakili stabilitas. Atom -atom terikat satu sama lain, mencegah gerakan bebas, yang menghasilkan konduktivitas yang lebih rendah dibandingkan dengan silikon alami.
1.2.1 Struktur kristal semikonduktor intrinsik
Dalam kimia, kami mengetahui bahwa elektron terluar dari dua atom silikon (SI) yang berdekatan dalam kristal menjadi elektron bersama, membentuk ikatan kovalen. Namun, tidak semua elektron terluar dari masing -masing atom SI tetap dalam ikatan kovalen mereka sendiri. Alasannya adalah bahwa bahan ada di lingkungan dengan suhu. Selain gerakan yang dipesan, elektron terluar juga menjalani gerakan termal - gerakan acak - karena pengaruh suhu. Kadang -kadang, elektron mungkin memiliki energi yang lebih tinggi daripada atom lainnya, memungkinkannya untuk membebaskan diri dari ikatan kovalen dan menjadi elektron bebas. Bahkan dengan sejumlah kecil energi, elektron terluar dari konduktor dapat menghasilkan gerakan arah.
Semikonduktor intrinsik bebas dari kotoran. Ketika elektron membebaskan diri dari ikatan kovalen, ia meninggalkan lowongan yang dikenal sebagai lubang. Dalam semikonduktor intrinsik, jumlah elektron bebas sama dengan jumlah lubang, dan mereka dihasilkan berpasangan. Struktur kristal, lubang, dan elektron bebas diilustrasikan pada gambar di bawah ini:
1.2.1 Struktur kristal semikonduktor intrinsik (lanjutan)
Jika medan listrik eksternal diterapkan melintasi semikonduktor intrinsik:
1, elektron bebas bergerak terarah, membentukarus elektron.
2, karena adanya lubang, elektron valensi bergerak ke arah tertentu untuk mengisi lubang -lubang ini, menyebabkan lubang juga mengalami gerakan arah (karena elektron dan lubang bebas dihasilkan berpasangan). Gerakan lubang ini membentuk aarus lubang. Karena elektron dan lubang bebas membawa muatan yang berlawanan dan bergerak ke arah yang berlawanan, arus total dalam semikonduktor intrinsik adalah jumlah dari kedua arus ini.
Fenomena di atas menunjukkan bahwa kedua lubang dan elektron bebas bertindak sebagai partikel yang membawa muatan listrik (partikel tersebut disebutMengisi pengangkut). Dengan demikian, keduanya adalah pembawa muatan. Ini membedakan semikonduktor intrinsik dari konduktor: di konduktor, hanya ada satu jenis pembawa muatan, sedangkan di semikonduktor intrinsik, ada dua jenis pembawa muatan.
1.2.2 Konsentrasi pembawa dalam semikonduktor intrinsik
Fenomena di mana semikonduktor menghasilkan elektron gratis - pasangan lubang di bawah eksitasi termal disebuteksitasi intrinsik.
Selama gerakan acak elektron bebas, ketika mereka menemukan lubang, elektron dan lubang bebas secara bersamaan menghilang. Fenomena ini disebutrekombinasi. Jumlah elektron gratis - pasangan lubang yang dihasilkan oleh eksitasi intrinsik sama dengan jumlah elektron gratis - pasangan lubang yang bergabung kembali, mencapai keseimbangan dinamis. Ini berarti bahwa pada suhu tertentu, konsentrasi elektron dan lubang bebas adalah sama.
Ketika suhu sekitar naik, gerakan termal meningkat, dan lebih banyak elektron bebas membebaskan diri dari kendala elektron valensi, yang mengarah ke peningkatan lubang. Akibatnya, konsentrasi pembawa meningkat, meningkatkan konduktivitas. Sebaliknya, ketika suhu berkurang, konsentrasi pembawa berkurang, mengurangi konduktivitas. Ketika suhu turun ke nol absolut (0 K), elektron valensi tidak memiliki energi untuk membebaskan diri dari ikatan kovalen, menghasilkan tidak ada konduktivitas.
Dalam semikonduktor intrinsik, konduktivitas melibatkan pergerakan dua jenis pembawa muatan. Meskipun konduktivitas semikonduktor intrinsik tergantung pada suhu, itu tetap sangat buruk karena struktur kristalnya. Terlepas dari konduktivitas mereka yang buruk, semikonduktor intrinsik menunjukkan pengendalian yang kuat dalam sifat konduktifnya.
1.3 semikonduktor yang didoping
Bagian ini akan menjelaskan mengapa semikonduktor intrinsik menunjukkan kemampuan kontrol yang kuat dalam konduktivitas. Di sini, kami akan menggunakan properti semikonduktor berikut:Jejak jumlah kotoran dapat secara signifikan mengubah konduktivitas mereka.
"Doping" mengacu pada proses memperkenalkan elemen pengotor yang tepat ke semikonduktor intrinsik. Bergantung pada jenis elemen pengotor yang ditambahkan, semikonduktor yang didoping dapat diklasifikasikan ke dalamN - Ketik semikonduktorDanP - Ketik semikonduktor. Dengan mengendalikan konsentrasi elemen pengotor, konduktivitas semikonduktor yang didoping dapat diatur secara tepat.
1.3.1 n - ketik semiconductor
"N" berartiNegatif, karena elektron membawa muatan negatif dan ringan. Untuk memperkenalkan elektron tambahan ke dalam struktur kristal, elemen pentavalen (misalnya, fosfor, p) biasanya didoping ke dalam semikonduktor. Karena atom fosfor memiliki lima elektron valensi, setelah membentuk ikatan kovalen dengan atom silikon di sekitarnya, satu elektron tambahan tetap ada. Elektron ini dapat dengan mudah menjadi elektron bebas dengan input energi minimal. Atom pengotor, yang sekarang ditetapkan dalam kisi kristal dan kekurangan elektron, menjadi ion positif yang tidak bergerak. Ini diilustrasikan pada gambar di bawah ini:
1.3.1 n - ketik semiconductor (lanjutan)
Dalam n - tipe semikonduktor, konsentrasi elektron bebas lebih besar dari lubang. Oleh karena itu, elektron gratis dipanggilOperator mayoritas(pengganda), sementara lubang disebutoperator minoritas(anak di bawah umur). Dengan demikian, konduktivitas semikonduktor n - terutama bergantung pada elektron gratis. Semakin tinggi konsentrasi pengotor yang didoping, semakin besar konsentrasi pembawa mayoritas, dan semakin kuat konduktivitas.
Mari kita periksa bagaimana konsentrasi pembawa minoritas berubah ketika konsentrasi pembawa mayoritas meningkat. Konsentrasi pembawa minoritas berkurang karena peningkatan jumlah elektron bebas meningkatkan kemungkinan rekombinasi dengan lubang.
Ketika suhu naik, jumlah operator meningkat, dan peningkatan mayoritas operator sama dengan peningkatan pembawa minoritas. Namun, persentase perubahan dalam konsentrasi pembawa minoritas lebih tinggi daripada pembawa mayoritas (karena konsentrasi dasar minoritas dan jurusan yang berbeda, meskipun peningkatan numeriknya sama). Oleh karena itu, meskipun konsentrasi pembawa minoritas rendah, mereka tidak boleh diremehkan. Operator minoritas adalah faktor penting yang mempengaruhi stabilitas suhu perangkat semikonduktor, dan dengan demikian konsentrasi mereka juga harus dipertimbangkan.
1.3.2 p - ketik semiconductor
"P" berartiPositif, dinamai setelah lubang yang bermuatan positif. Untuk memperkenalkan lubang tambahan ke dalam struktur kristal, elemen trivalen (misalnya, boron, b) biasanya didoping ke dalam semikonduktor. Ketika atom boron membentuk ikatan kovalen dengan atom silikon di sekitarnya, ia menciptakan lowongan (yang netral secara listrik). Ketika elektron valensi dari atom silikon tetangga mengisi lowongan ini, ikatan kovalen menghasilkan lubang. Atom pengotor kemudian menjadi ion negatif yang tidak bergerak. Ini diilustrasikan pada gambar di bawah ini:
1.3.2 p - ketik semiconductor (lanjutan)
Dibandingkan dengan n - ketik semikonduktor, di p - type semiconductors:
Lubang adalah pembawa mayoritas, sedangkan elektron gratis adalah pembawa minoritas.
Konduktivitas terutama bergantung pada lubang. Semakin tinggi konsentrasi pengotor yang didoping, semakin besar konsentrasi lubang, yang mengarah ke konduktivitas yang lebih kuat (karena lowongan dalam atom pengotor menyerap elektron). Konsentrasi pembawa minoritas berkurang.
Ketika suhu naik, persentase perubahan konsentrasi elektron bebas lebih tinggi dari konsentrasi lubang.
