Peranti semikonduktor, yang mempunyai beberapa sifat yang menjadikan penggunaannya lebih baik daripada peranti vakum, semakin digunakan dalam teknologi elektronik. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dicirikan oleh kemajuan dalam elektronik semikonduktor, peranti berdasarkan prinsip fizikal baharu telah dibangunkan.
Semikonduktor termasuk banyak unsur kimia, seperti silikon, germanium, indium, fosforus, dsb., kebanyakan oksida, sulfida, selenida dan telurida, beberapa aloi, dan sejumlah mineral. Menurut ahli akademik A.F. Ioffe, "konduktor adalah hampir keseluruhan dunia bukan organik di sekeliling kita."
Semikonduktor adalah kristal, amorfus dan cecair. Dalam teknologi semikonduktor, hanya semikonduktor kristal yang biasanya digunakan (hablur tunggal dengan kekotoran tidak lebih daripada satu atom kekotoran bagi setiap 1010 atom bahan utama). Biasanya, semikonduktor termasuk bahan yang, dari segi kekonduksian elektrik, menduduki kedudukan pertengahan antara logam dan dielektrik (oleh itu asal usul nama mereka). Pada suhu bilik, kekonduksian elektrik khusus mereka berjulat dari 10-8 hingga 105 S/m (untuk logam - 106-108 S/m, untuk dielektrik - 10-8-10-13 S/m). Ciri utama semikonduktor ialah peningkatan kekonduksian elektrik dengan peningkatan suhu (untuk logam ia jatuh). Kekonduksian elektrik semikonduktor bergantung dengan ketara pada pengaruh luaran: pemanasan, penyinaran, medan elektrik dan magnet, tekanan, pecutan, serta kandungan kekotoran walaupun sedikit. Sifat-sifat semikonduktor dijelaskan dengan baik menggunakan teori jalur pepejal.
Atom semua bahan terdiri daripada nukleus dan elektron yang bergerak dalam orbit tertutup mengelilingi nukleus. Elektron dalam atom dikelompokkan ke dalam kulit. Semikonduktor utama yang digunakan untuk mencipta peranti semikonduktor - silikon dan germanium - mempunyai kekisi kristal tetrahedral (mempunyai bentuk piramid segi tiga biasa) (Rajah 16.1). Unjuran struktur Ge ke atas satah ditunjukkan dalam Rajah. 16.2. Setiap elektron valens, iaitu, elektron yang terletak di luar, tidak terisi, kulit atom, dalam kristal bukan sahaja miliknya sendiri, tetapi juga kepada nukleus atom jiran. Semua atom dalam kekisi kristal terletak pada jarak yang sama antara satu sama lain dan disambungkan oleh ikatan kovalen (ikatan antara sepasang elektron valens dua atom dipanggil kovalen; ia ditunjukkan dalam Rajah 16.2 oleh dua garis). Sambungan ini kuat; Untuk memecahkannya, anda perlu menggunakan tenaga dari luar.
Tenaga elektron W adalah diskret, atau terkuantisasi, jadi elektron hanya boleh bergerak dalam orbit yang sepadan dengan tenaganya. Kemungkinan nilai tenaga elektron boleh diwakili pada gambar rajah dengan tahap tenaga (Rajah 16.3). Semakin jauh orbit dari nukleus, semakin besar tenaga elektron dan semakin tinggi tahap tenaganya. Tahap tenaga dipisahkan oleh zon II, sepadan dengan tenaga terlarang untuk elektron (zon terlarang). Oleh kerana atom jiran dalam pepejal adalah sangat rapat antara satu sama lain, ini menyebabkan peralihan dan pemisahan tahap tenaga, mengakibatkan pembentukan jalur tenaga dipanggil jalur dibenarkan (I, III, IV dalam Rajah 16.3). Lebar jalur yang dibenarkan biasanya beberapa volt elektron. Dalam jalur tenaga, bilangan aras yang dibenarkan adalah sama dengan bilangan atom dalam kristal. Setiap zon dibenarkan menduduki kawasan tenaga tertentu dan dicirikan oleh tahap tenaga minimum dan maksimum, yang masing-masing dipanggil bahagian bawah dan siling zon.
Zon yang dibenarkan di mana tiada elektron dipanggil bebas (I). Zon bebas, di mana tiada elektron pada suhu 0 K, tetapi pada suhu yang lebih tinggi ia boleh hadir, dipanggil jalur konduksi.
Ia terletak di atas jalur valens (III) - bahagian atas jalur terisi di mana semua tahap tenaga diduduki oleh elektron pada suhu 0 K.
Dalam teori jalur, pembahagian pepejal kepada logam, semikonduktor dan penebat adalah berdasarkan jurang jalur antara jalur valens dan konduksi serta tahap pengisian jalur tenaga yang dibenarkan (Rajah 16.4). Jurang jalur ΔWa dipanggil tenaga pengaktifan kekonduksian elektrik intrinsik. Untuk logam ΔWa = 0 (Rajah 16.4, a); secara konvensional, pada ΔWa ≤ 2 eV kristal ialah semikonduktor (Rajah 16.4,6), pada ΔWa ≥ 2 eV ia adalah dielektrik (Rajah 16.4, c). Oleh kerana nilai ΔWa dalam semikonduktor agak kecil, ia cukup untuk memberikan tenaga yang setanding dengan tenaga gerakan haba kepada elektron supaya ia bergerak dari jalur valens ke jalur konduksi. Ini menerangkan keanehan semikonduktor - peningkatan kekonduksian elektrik dengan peningkatan suhu.
Kekonduksian elektrik semikonduktor. Kekonduksian elektrik intrinsik. Agar bahan mempunyai kekonduksian elektrik, ia mesti mengandungi pembawa cas percuma. Pembawa cas sedemikian dalam logam adalah elektron. Semikonduktor mengandungi elektron dan lubang.
Mari kita pertimbangkan kekonduksian elektrik semikonduktor intrinsik (jenis-i), iaitu, bahan yang tidak mengandungi kekotoran dan tidak mempunyai kecacatan struktur dalam kekisi kristal (tapak kosong, anjakan kekisi, dll.) Pada suhu 0 K, terdapat bukan pembawa caj percuma dalam semikonduktor sedemikian. Walau bagaimanapun, dengan peningkatan suhu (atau pengaruh bertenaga lain, seperti pencahayaan), beberapa ikatan kovalen boleh dipecahkan dan elektron valens, menjadi bebas, boleh bergerak menjauhi atomnya (Rajah 16.5). Kehilangan elektron mengubah atom menjadi ion positif. Dalam bon, di tempat di mana elektron dulu, ruang kosong ("kosong") muncul - lubang. Caj lubang adalah positif dan dalam nilai mutlak adalah sama dengan cas elektron.
Ruang bebas - lubang - boleh diisi oleh elektron valens atom jiran, di mana lubang baru terbentuk dalam ikatan kovalen, dll. Oleh itu, serentak dengan pergerakan elektron valens, lubang juga akan bergerak. Perlu diingat bahawa dalam kekisi kristal, atom "tegar" ditetapkan pada nod. Penyingkiran elektron daripada atom membawa kepada pengionan, dan pergerakan lubang berikutnya bermakna pengionan ganti atom "pegun". Jika tiada medan elektrik, elektron pengaliran mengalami gerakan terma huru-hara. Jika semikonduktor diletakkan dalam medan elektrik luaran, maka elektron dan lubang, yang terus mengambil bahagian dalam gerakan terma huru-hara, akan mula bergerak (hanyut) di bawah pengaruh medan, yang akan menghasilkan arus elektrik. Dalam kes ini, elektron bergerak melawan arah medan elektrik, dan lubang, seperti cas positif, bergerak ke arah medan. Kekonduksian elektrik semikonduktor yang terhasil daripada gangguan ikatan kovalen dipanggil kekonduksian elektrik intrinsik.
Kekonduksian elektrik semikonduktor juga boleh dijelaskan menggunakan teori jalur. Selaras dengannya, semua tahap tenaga jalur valensi pada suhu 0 K diduduki oleh elektron. Jika elektron diberi tenaga dari luar yang melebihi tenaga pengaktifan ΔWa, maka beberapa elektron valens akan bergerak ke jalur konduksi, di mana ia akan menjadi bebas, atau elektron konduksi. Oleh kerana pemergian elektron dari jalur valensi, lubang terbentuk di dalamnya, bilangannya, secara semula jadi, adalah sama dengan bilangan elektron yang tersisa. Lubang boleh diduduki oleh elektron yang tenaganya sepadan dengan tenaga tahap jalur valens. Akibatnya, dalam jalur valens, pergerakan elektron menyebabkan lubang bergerak ke arah yang bertentangan. Walaupun elektron bergerak dalam jalur valens, biasanya lebih mudah untuk mempertimbangkan pergerakan lubang.
Proses pembentukan pasangan lubang pengaliran elektron konduksi dipanggil penjanaan sepasang pembawa cas (1 dalam Rajah 16.6). Kita boleh mengatakan bahawa kekonduksian elektrik intrinsik semikonduktor ialah kekonduksian elektrik yang disebabkan oleh penjanaan pasangan lubang pengaliran elektron pengaliran. Pasangan lubang elektron yang terhasil boleh hilang jika lubang itu diisi dengan elektron: elektron akan menjadi tidak bebas dan kehilangan keupayaan untuk bergerak, dan lebihan cas positif ion atom akan dineutralkan. Dalam kes ini, kedua-dua lubang dan elektron hilang serentak. Proses penyatuan semula elektron dan lubang dipanggil penggabungan semula (2 dalam Rajah 16.6). Penggabungan semula, mengikut teori jalur, boleh dianggap sebagai peralihan elektron daripada jalur konduksi ke tempat bebas dalam jalur valensi. Perhatikan bahawa peralihan elektron dari tahap tenaga yang lebih tinggi kepada tahap yang lebih rendah disertai dengan pembebasan tenaga, yang sama ada dipancarkan dalam bentuk kuanta cahaya (foton) atau dipindahkan ke kekisi kristal dalam bentuk getaran haba (fonon). ). Purata jangka hayat sepasang pembawa caj dipanggil hayat pembawa. Jarak purata yang dilalui oleh pembawa cas semasa hayatnya dipanggil panjang resapan pembawa cas (Lр, - untuk lubang, Ln - untuk elektron).
Pada suhu malar (dan jika tiada pengaruh luaran lain), kristal berada dalam keadaan keseimbangan: bilangan pasangan pembawa cas yang dijana adalah sama dengan bilangan pasangan yang digabungkan semula. Bilangan pembawa cas per unit isipadu, iaitu kepekatannya, menentukan nilai kekonduksian elektrik tertentu. Bagi semikonduktor intrinsik, kepekatan elektron ni adalah sama dengan kepekatan lubang pi (ni = pi).
Kekonduksian elektrik kekotoran. Jika bendasing dimasukkan ke dalam semikonduktor, ia juga akan mempunyai bendasing sebagai tambahan kepada kekonduksian elektriknya sendiri. Kekonduksian elektrik kekotoran boleh elektronik atau lubang. Sebagai contoh, pertimbangkan kes apabila kekotoran unsur pentavalen, contohnya arsenik, dimasukkan ke dalam germanium tulen (unsur tetravalen) (Rajah 16.7, a). Atom arsenik terikat dalam kekisi kristal germanium oleh ikatan kovalen. Tetapi hanya empat elektron valens arsenik boleh mengambil bahagian dalam ikatan, dan elektron kelima ternyata "tambahan", kurang kuat terikat pada atom arsenik. Untuk mengoyakkan elektron ini daripada atom, lebih sedikit tenaga yang diperlukan, jadi sudah pada suhu bilik ia boleh menjadi elektron pengaliran tanpa meninggalkan lubang dalam ikatan kovalen. Oleh itu, ion kekotoran bercas positif muncul di tapak kekisi kristal, dan elektron bebas muncul dalam kristal. Kekotoran yang atomnya menderma elektron bebas dipanggil penderma.
Dalam Rajah. Rajah 16.7b menunjukkan gambarajah jalur tenaga bagi semikonduktor dengan kekotoran penderma. Dalam jurang jalur berhampiran bahagian bawah jalur pengaliran, tahap tenaga yang dibenarkan (kekotoran, penderma) dicipta, di mana elektron "tambahan" terletak pada suhu hampir 0 K. Untuk memindahkan elektron dari tahap kekotoran ke jalur pengaliran memerlukan lebih sedikit tenaga daripada memindahkan elektron dari jalur valens. Jarak dari aras penderma ke bahagian bawah jalur pengaliran dipanggil tenaga pengionan (pengaktifan) penderma ΔTongkat.
Pengenalan bendasing penderma ke dalam semikonduktor dengan ketara meningkatkan kepekatan elektron bebas, manakala kepekatan lubang kekal sama seperti dalam semikonduktor asli. Dalam semikonduktor kekotoran sedemikian, kekonduksian elektrik terutamanya disebabkan oleh elektron, ia dipanggil elektronik, dan semikonduktor dipanggil semikonduktor jenis-n. Elektron dalam semikonduktor jenis-n adalah pembawa cas majoriti (kepekatannya tinggi), dan lubang adalah pembawa minoriti.
Jika kekotoran unsur trivalen (contohnya, indium) dimasukkan ke dalam germanium, maka satu elektron tidak mencukupi untuk indium membentuk ikatan kovalen lapan elektron dengan germanium. Satu sambungan akan kekal kosong. Dengan sedikit peningkatan suhu, elektron daripada atom germanium jiran boleh bergerak ke dalam ikatan valens yang tidak terisi, meninggalkan lubang di tempatnya (Rajah 16.8, a), yang juga boleh diisi dengan elektron, dsb. Oleh itu, lubang seolah-olah bergerak dalam semikonduktor. Atom bendasing bertukar menjadi ion negatif. Kekotoran yang atomnya, apabila teruja, mampu menerima elektron valens daripada atom jiran, mewujudkan lubang di dalamnya, dipanggil penerima atau penerima.
Dalam Rajah. Rajah 16.8b menunjukkan gambar rajah jalur tenaga semikonduktor dengan kekotoran penerima. Tahap tenaga kekotoran (penerima) dicipta dalam jurang jalur berhampiran bahagian atas jalur valens. Pada suhu hampir 0 K, tahap ini bebas; dengan peningkatan suhu, ia boleh diduduki oleh elektron dalam jalur valens, di mana lubang terbentuk selepas elektron meninggalkan. Jarak dari bahagian atas jalur valensi ke tahap penerima dipanggil tenaga pengionan (pengaktifan) penerima ΔWа. Pengenalan bendasing penerima ke dalam semikonduktor dengan ketara meningkatkan kepekatan lubang, manakala kepekatan elektron kekal sama seperti dalam semikonduktor asli. Dalam semikonduktor kekotoran ini, kekonduksian elektrik terutamanya disebabkan oleh lubang, ia dipanggil kekonduksian lubang, dan semikonduktor dipanggil semikonduktor jenis-p. Untuk semikonduktor jenis p, lubang adalah pembawa cas majoriti, dan elektron adalah pembawa cas minoriti.
Dalam semikonduktor kekotoran, bersama-sama dengan kekonduksian elektrik kekotoran, terdapat juga kekonduksian intrinsik, disebabkan oleh kehadiran pembawa minoriti. Kepekatan pembawa minoriti dalam semikonduktor kekotoran berkurangan seberapa banyak kepekatan pembawa majoriti meningkat, oleh itu untuk semikonduktor jenis-n hubungan nnpn = nipi = ni2 = pi2 adalah sah, dan untuk semikonduktor jenis p hubungannya ialah ppnp = ni2 = pi2, di mana nn dan pn ialah kepekatan pembawa majoriti, dan pp dan np ialah kepekatan pembawa cas minoriti, masing-masing, dalam semikonduktor jenis n dan p.
Kekonduksian elektrik khusus semikonduktor kekotoran ditentukan oleh kepekatan pembawa majoriti dan semakin tinggi kepekatannya. Dalam amalan, selalunya terdapat kes apabila semikonduktor mengandungi kedua-dua kekotoran penderma dan penerima. Kemudian jenis kekonduksian elektrik akan ditentukan oleh kekotoran, kepekatannya lebih tinggi. Semikonduktor di mana kepekatan penderma Nd dan penerima Na adalah sama (Nd = Na)) dipanggil pampasan.
Pelbagai jenis semikonduktor telah meluas dalam industri dan mikroelektronik tenaga. Dengan bantuan mereka, satu tenaga boleh ditukar kepada yang lain tanpa mereka, banyak peranti elektronik tidak akan berfungsi dengan normal. Terdapat sejumlah besar jenis elemen ini, bergantung pada prinsip operasi, tujuan, bahan dan ciri reka bentuknya. Untuk memahami cara tindakan semikonduktor, adalah perlu untuk mengetahui sifat fizikal asasnya.
Sifat dan ciri semikonduktor
Sifat elektrik asas semikonduktor membolehkan mereka dianggap sebagai kacukan antara konduktor piawai dan bahan yang tidak mengalirkan elektrik. Kumpulan semikonduktor termasuk bahan yang jauh lebih berbeza daripada jumlah bilangan.
Semikonduktor yang diperbuat daripada silikon, germanium, selenium dan bahan lain digunakan secara meluas dalam elektronik. Ciri utama mereka dianggap sebagai pergantungan yang jelas pada pengaruh suhu. Pada suhu yang sangat rendah, setanding dengan sifar mutlak, semikonduktor memperoleh sifat penebat, dan apabila suhu meningkat, rintangannya berkurangan dengan peningkatan serentak dalam kekonduksian. Sifat bahan ini juga boleh berubah di bawah pengaruh cahaya, apabila peningkatan ketara dalam fotokonduktiviti berlaku.
Semikonduktor menukar tenaga cahaya kepada elektrik, tidak seperti konduktor, yang tidak mempunyai sifat ini. Di samping itu, pengenalan atom unsur-unsur tertentu ke dalam semikonduktor menyumbang kepada peningkatan kekonduksian elektrik. Semua sifat khusus ini membenarkan penggunaan bahan semikonduktor dalam pelbagai bidang elektronik dan kejuruteraan elektrik.
Jenis dan aplikasi semikonduktor
Oleh kerana kualiti mereka, semua jenis semikonduktor dibahagikan kepada beberapa kumpulan utama.
Diod. Mereka termasuk dua kristal yang diperbuat daripada semikonduktor dengan kekonduksian yang berbeza. Peralihan lubang elektron terbentuk di antara mereka. Mereka dihasilkan dalam pelbagai reka bentuk, terutamanya jenis mata dan rata. Dalam sel planar, kristal germanium dialoi dengan indium. Diod titik terdiri daripada kristal silikon dan jarum logam.
Transistor. Mereka terdiri daripada tiga semikonduktor kristal. Dua kristal mempunyai kekonduksian yang sama, dan pada yang ketiga, kekonduksian mempunyai nilai yang bertentangan. Mereka dipanggil pengumpul, asas dan pemancar. Dalam elektronik, menguatkan isyarat elektrik.
Thyristor. Mereka adalah elemen yang menukar elektrik. Mereka mempunyai tiga persimpangan lubang elektron dengan sifat get. Sifatnya membolehkan thyristor digunakan secara meluas dalam automasi, komputer dan peranti kawalan.
Bagaimanakah semikonduktor berbeza daripada penebat dan konduktor?
Bersama-sama dengan konduktor elektrik, terdapat banyak bahan dalam alam semula jadi yang mempunyai kekonduksian elektrik yang jauh lebih rendah daripada konduktor logam. Bahan seperti ini dipanggil semikonduktor.
Semikonduktor termasuk: beberapa unsur kimia, seperti selenium, silikon dan germanium, sebatian sulfur, seperti talium sulfida, kadmium sulfida, perak sulfida, karbida, seperti karborundum,karbon (berlian),boron, timah kelabu, fosforus, antimoni, arsenik, telurium, iodin dan beberapa sebatian yang merangkumi sekurang-kurangnya satu daripada unsur kumpulan ke-4 - ke-7 sistem berkala. Terdapat juga semikonduktor organik.
Sifat kekonduksian elektrik semikonduktor bergantung pada jenis kekotoran yang terdapat dalam bahan asas semikonduktor dan pada teknologi pembuatan komponennya.
Semikonduktor ialah bahan dengan 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, yang, mengikut sifat ini, berada di antara konduktor dan penebat. Perbezaan antara konduktor, semikonduktor dan penebat mengikut teori jalur adalah seperti berikut: dalam semikonduktor tulen dan penebat elektronik, terdapat jurang tenaga antara jalur terisi (valens) dan jalur pengaliran.
Mengapakah semikonduktor mengalirkan arus?
Semikonduktor mempunyai kekonduksian elektronik jika elektron luar dalam atom bendasingnya terikat secara relatif lemah pada nukleus atom ini. Jika medan elektrik dicipta dalam semikonduktor jenis ini, maka, di bawah pengaruh kuasa medan ini, elektron luar atom bendasing semikonduktor akan meninggalkan batasan atomnya dan bertukar menjadi elektron bebas.
Elektron bebas akan menghasilkan arus pengaliran elektrik dalam semikonduktor di bawah pengaruh daya medan elektrik. Akibatnya, sifat arus elektrik dalam semikonduktor dengan kekonduksian elektronik adalah sama seperti dalam konduktor logam. Tetapi oleh kerana terdapat banyak kali lebih sedikit elektron bebas dalam isipadu unit semikonduktor daripada dalam isipadu unit konduktor logam, adalah wajar bahawa, di bawah semua keadaan lain yang serupa, arus dalam semikonduktor akan berkali-kali lebih kecil daripada dalam pengalir logam.
Semikonduktor mempunyai kekonduksian "lubang" jika atom kekotorannya bukan sahaja tidak melepaskan elektron luarnya, tetapi, sebaliknya, cenderung menangkap elektron daripada atom bahan utama semikonduktor. Jika atom kekotoran mengambil elektron dari atom bahan utama, maka pada yang terakhir sesuatu seperti ruang bebas untuk elektron terbentuk - "lubang".
Atom semikonduktor yang telah kehilangan elektron dipanggil "lubang elektron," atau hanya "lubang." Jika "lubang" diisi dengan elektron yang dipindahkan dari atom jiran, maka ia dihapuskan dan atom menjadi neutral elektrik, dan "lubang" disesarkan ke atom jiran yang telah kehilangan elektron. Akibatnya, jika semikonduktor dengan kekonduksian "lubang" terdedah kepada medan elektrik, maka "lubang elektron" akan beralih ke arah medan ini.
berat sebelah "lubang elektron" dalam arah medan elektrik adalah serupa dengan pergerakan cas elektrik positif dalam medan dan oleh itu mewakili fenomena arus elektrik dalam semikonduktor.
Semikonduktor tidak boleh dibezakan dengan ketat oleh mekanisme kekonduksian elektrik mereka, kerana, bersama-sama denganDengan kekonduksian "lubang", semikonduktor tertentu mungkin, pada satu darjah atau yang lain, juga mempunyai kekonduksian elektronik.
Semikonduktor dicirikan oleh:
jenis kekonduksian (elektronik - n-jenis, lubang - p-jenis);
kerintangan;
seumur hidup pembawa cas (minoriti) atau panjang resapan, kadar penggabungan semula permukaan;
ketumpatan terkehel.
Silikon adalah bahan semikonduktor yang paling biasa
Suhu mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap ciri-ciri semikonduktor. Peningkatan di dalamnya kebanyakannya membawa kepada penurunan kerintangan dan sebaliknya, iaitu semikonduktor dicirikan oleh kehadiran negatif . Hampir sifar mutlak, semikonduktor menjadi penebat.
Semikonduktor adalah asas kepada banyak peranti. Dalam kebanyakan kes, ia mesti diperolehi dalam bentuk kristal tunggal. Untuk memberikan sifat tertentu, semikonduktor didopkan dengan pelbagai kekotoran. Permintaan yang meningkat diletakkan pada ketulenan bahan semikonduktor sumber.
Semikonduktor telah menemui aplikasi terluas dalam teknologi moden mereka mempunyai pengaruh yang sangat kuat terhadap kemajuan teknikal. Terima kasih kepada mereka, adalah mungkin untuk mengurangkan berat dan dimensi peranti elektronik dengan ketara. Pembangunan semua bidang elektronik membawa kepada penciptaan dan penambahbaikan sejumlah besar pelbagai peralatan berdasarkan peranti semikonduktor. Peranti semikonduktor berfungsi sebagai asas untuk mikrosel, mikromodul, litar keadaan pepejal, dll.
Peranti elektronik berasaskan peranti semikonduktor boleh dikatakan bebas inersia. Peranti semikonduktor yang dibina dengan teliti dan dimeterai dengan baik boleh bertahan berpuluh-puluh ribu jam. Walau bagaimanapun, sesetengah bahan semikonduktor mempunyai had suhu rendah (contohnya, germanium), tetapi pampasan suhu tidak terlalu kompleks atau menggantikan bahan utama peranti dengan yang lain (contohnya, silikon, silikon karbida) sebahagian besarnya menghapuskan kelemahan ini. Menambah baik teknologi pembuatan peranti semikonduktor membawa kepada pengurangan serakan sedia ada dan ketidakstabilan parameter.
Sentuhan semikonduktor-logam dan simpang lubang elektron (simpang n-p) yang dicipta dalam semikonduktor digunakan dalam pembuatan diod semikonduktor. Persimpangan berganda (p-n-p atau n-p-n) - transistor dan thyristor. Peranti ini digunakan terutamanya untuk membetulkan, menjana dan menguatkan isyarat elektrik.
Berdasarkan sifat fotoelektrik semikonduktor, fotoperintang, fotodiod dan fototransistor dicipta. Semikonduktor berfungsi sebagai bahagian aktif penjana ayunan (penguat). Apabila arus elektrik dialirkan melalui persimpangan pn ke arah hadapan, pembawa cas - elektron dan lubang - bergabung semula dengan pelepasan foton, yang digunakan untuk mencipta LED.
Sifat termoelektrik semikonduktor memungkinkan untuk mencipta rintangan haba semikonduktor, termoelektrik semikonduktor, termopile dan penjana termoelektrik, dan penyejukan termoelektrik semikonduktor, berdasarkan kesan Peltier, - peti sejuk termoelektrik dan penstabil suhu.
Semikonduktor digunakan dalam penukar tanpa mesin tenaga haba dan solar kepada elektrik - penjana termoelektrik, dan penukar fotoelektrik (bateri solar).
Tegasan mekanikal yang dikenakan pada semikonduktor mengubah rintangan elektriknya (kesannya lebih kuat daripada logam), yang merupakan asas tolok terikan semikonduktor.
Peranti semikonduktor telah menjadi meluas dalam amalan dunia, merevolusikan elektronik;
peralatan mengukur, komputer,
peralatan untuk semua jenis komunikasi dan pengangkutan,
untuk automasi proses dalam industri,
peranti untuk penyelidikan saintifik,
teknologi roket,
peralatan perubatan
peranti dan instrumen elektronik lain.
Penggunaan peranti semikonduktor memungkinkan untuk mencipta peralatan baru dan menambah baik yang lama, yang bermaksud pengurangan dalam dimensi, berat, penggunaan kuasa, dan oleh itu pengurangan penjanaan haba dalam litar, peningkatan kekuatan, kesediaan segera untuk bertindak. , dan boleh meningkatkan hayat perkhidmatan dan kebolehpercayaan peranti elektronik.
Kami bercakap tentang konduktor dan dielektrik dan secara ringkas menyebut bahawa terdapat bentuk perantaraan kekonduksian, yang dalam keadaan tertentu boleh mengambil sifat konduktor atau dielektrik. Bahan jenis ini dipanggil semikonduktor.
Biar saya ingatkan anda: dari segi sifat elektrik, semikonduktor menduduki tempat tengah antara konduktor dan bukan konduktor arus.
Selalunya, germanium, silikon digunakan untuk pengeluaran semikonduktor, dan kurang kerap - selenium, cuprous oksida dan bahan lain.
Kekonduksian elektrik semikonduktor sangat bergantung pada suhu ambien. Pada suhu yang hampir kepada sifar mutlak (-273C), mereka berkelakuan sebagai penebat berhubung dengan arus elektrik. Kebanyakan konduktor, sebaliknya, pada suhu ini menjadi superkonduktor, iaitu, mereka menawarkan hampir tiada rintangan kepada arus. Apabila suhu konduktor meningkat, rintangannya terhadap arus elektrik meningkat, dan rintangan semikonduktor berkurangan. Kekonduksian elektrik konduktor tidak berubah apabila terdedah kepada cahaya. Kekonduksian elektrik semikonduktor di bawah pengaruh cahaya, yang dipanggil fotokonduktiviti, meningkat.
Semikonduktor boleh menukar tenaga cahaya kepada arus elektrik. Ini sama sekali tidak tipikal untuk konduktor. Kekonduksian elektrik semikonduktor meningkat dengan mendadak apabila atom beberapa unsur lain dimasukkan ke dalamnya. Kekonduksian elektrik konduktor berkurangan apabila bendasing dimasukkan ke dalamnya.
Germanium dan silikon, yang merupakan bahan permulaan banyak peranti semikonduktor moden, masing-masing mempunyai empat elektron valens di lapisan luar cengkerangnya. Secara keseluruhan, terdapat 32 elektron dalam atom germanium, dan 14 dalam atom silikon Tetapi 28 elektron germanium dan 10 elektron silikon, yang terletak di lapisan dalam cangkerang mereka, dipegang dengan kuat oleh nukleus dan dalam apa jua keadaan tidak dipisahkan daripada. mereka. Hanya empat elektron valens atom semikonduktor ini boleh, dan walaupun tidak selalu, menjadi bebas. Atom semikonduktor yang telah kehilangan sekurang-kurangnya satu elektron menjadi ion positif. Dalam semikonduktor, atom disusun dalam susunan yang ketat: setiap daripada mereka dikelilingi oleh empat atom yang serupa. Mereka juga terletak sangat dekat antara satu sama lain sehingga elektron valens mereka membentuk orbit tunggal yang mengelilingi semua atom jiran, mengikat mereka menjadi satu bahan.
Hubungan atom dalam kristal semikonduktor ini boleh dibayangkan dalam bentuk rajah rata, seperti ditunjukkan dalam Rajah. 1, a. Di sini, bola besar dengan tanda "+" secara konvensional mewakili nukleus atom dengan lapisan dalam kulit elektron (ion positif), dan bola kecil - elektron valens
. Setiap atom dikelilingi oleh empat yang sama. Mana-mana daripada mereka disambungkan dengan setiap jiran satu demi dua elektron valens, salah satunya adalah "sendiri", dan yang kedua dipinjam daripada "jiran". Ini adalah ikatan dua elektron, atau valens. Sambungan yang paling kuat!
Sebaliknya, lapisan luar kulit elektron setiap atom mengandungi lapan elektron: empat elektronnya sendiri dan satu setiap satu daripada empat atom jiran. Di sini tidak mungkin lagi untuk membezakan elektron valens yang mana "milik anda" dan yang "asing", kerana ia telah menjadi biasa. Dengan sambungan atom sedemikian dalam keseluruhan jisim germanium atau kristal silikon, kita boleh menganggap bahawa kristal semikonduktor adalah satu molekul besar. Gambar rajah interkoneksi atom dalam semikonduktor boleh dipermudahkan untuk kejelasan dengan menggambarkannya seperti ditunjukkan dalam Rajah. 1, 6. Di sini, nukleus atom dengan kulit elektron dalaman ditunjukkan sebagai bulatan dengan tanda tambah, dan ikatan interatomik ditunjukkan sebagai dua garis yang melambangkan elektron valens.
Kekonduksian elektrik semikonduktor
Pada suhu yang hampir kepada sifar mutlak, semikonduktor berkelakuan seperti bukan konduktor mutlak kerana ia tidak mempunyai elektron bebas. Jika tiada peningkatan suhu, sambungan elektron valens dengan nukleus atom menjadi lemah dan sebahagian daripadanya mungkin meninggalkan atomnya kerana pergerakan haba. Elektron yang terlepas daripada ikatan interatomik menjadi percuma (dalam Rajah 1, b - titik hitam), dan di mana ia sebelum ini, ruang kosong terbentuk. Ruang kosong dalam ikatan interatomik semikonduktor ini dipanggil secara konvensional lubang (dalam Rajah 1,b terdapat garis putus). Semakin tinggi suhu, semakin banyak elektron bebas dan lubang muncul. Oleh itu, pembentukan lubang dalam jisim semikonduktor dikaitkan dengan pemergian elektron valens dari cangkang atom, dan rupa lubang sepadan dengan penampilan cas elektrik positif sama dengan elektron negatif.
Rajah 1. Gambar rajah hubungan atom dalam hablur semikonduktor (a) dan rajah ringkas strukturnya (b).
Sekarang lihat angka itu. 2. Ia secara skematik menunjukkan fenomena penjanaan semasa dalam semikonduktor. Punca arus ialah voltan yang dikenakan pada kutub (dalam Rajah 2, sumber voltan dilambangkan dengan tanda "+" dan "-"). Disebabkan oleh fenomena terma, sebilangan elektron dibebaskan daripada ikatan interatomik sepanjang keseluruhan jisim semikonduktor (dalam Rajah 2 ia ditunjukkan oleh titik dengan anak panah). Elektron yang dilepaskan berhampiran kutub positif sumber voltan tertarik oleh kutub ini dan meninggalkan jisim semikonduktor, meninggalkan lubang. Elektron yang telah meninggalkan ikatan interatomik pada jarak tertentu dari kutub positif juga tertarik olehnya dan bergerak ke arahnya. Tetapi, setelah menemui lubang dalam perjalanan mereka, elektron kelihatan "melompat" ke dalamnya (Rajah 2, a), dan ikatan interatomik terisi. Dan lubang yang paling hampir dengan kutub negatif diisi dengan elektron lain yang terlepas daripada atom yang terletak lebih dekat dengan kutub negatif (Rajah 2, b). Semasa medan elektrik aktif dalam semikonduktor, proses ini berterusan: beberapa ikatan interatomik terputus - elektron valens meninggalkannya, lubang muncul - dan ikatan interatomik lain terisi - elektron dilepaskan daripada beberapa ikatan interatomik lain "melompat" ke dalam lubang (Rajah). . 2 , b-c).
Rajah 2. Skema pergerakan elektron dan lubang.
Pada suhu di atas sifar mutlak, elektron bebas dan lubang terus muncul dan hilang dalam semikonduktor, walaupun apabila tiada medan elektrik luaran. Tetapi elektron dan lubang bergerak secara huru-hara dalam arah yang berbeza dan tidak meninggalkan semikonduktor. Dalam semikonduktor tulen, bilangan elektron yang dibebaskan pada setiap saat adalah sama dengan bilangan lubang yang terbentuk dalam kes ini.. Jumlah bilangan mereka pada suhu bilik agak kecil. Oleh itu, kekonduksian elektrik semikonduktor tersebut ialah (dipanggil sendiri) , adalah kecil, ia memberikan cukup banyak rintangan kepada arus elektrik. Tetapi jika jumlah kekotoran yang tidak ketara dalam bentuk atom unsur lain ditambah kepada semikonduktor tulen, kekonduksian elektriknya akan meningkat dengan mendadak. Dalam kes ini, bergantung kepada struktur atom unsur kekotoran, kekonduksian elektrik semikonduktor akan elektronik atau lubang .
Kekonduksian elektronik
Jika mana-mana atom dalam hablur semikonduktor digantikan oleh atom antimoni, yang mempunyai lima elektron valens dalam lapisan luar petala elektron, atom "alien" ini akan terikat dengan empat elektron kepada empat atom jiran semikonduktor. Elektron valens kelima atom antimoni akan menjadi "tambahan" dan akan menjadi bebas. Lebih banyak atom antimoni dimasukkan ke dalam semikonduktor, lebih banyak elektron bebas akan berada dalam jisimnya. Akibatnya, semikonduktor dengan campuran antimoni adalah hampir dengan sifatnya kepada logam: agar arus elektrik melaluinya, ikatan interatomik di dalamnya tidak semestinya perlu dimusnahkan. Mereka dipanggil konduktif elektrik atau jenis (n) semikonduktor. Di sini huruf Latin n ialah huruf awal perkataan Latin negatif (negatif), yang bermaksud "negatif" . Istilah ini dalam kes ini harus difahami dalam erti kata bahawa dalam semikonduktor jenis-n pembawa arus utama adalah caj negatif, i.e. elektron.
Kekonduksian lubang
Gambaran yang sama sekali berbeza akan muncul jika atom dengan tiga elektron valens, contohnya indium, dimasukkan ke dalam semikonduktor. Setiap atom logam indium dengan tiga elektronnya akan mengisi ikatan dengan hanya tiga atom jiran semikonduktor, dan ia tidak mempunyai satu elektron untuk mengisi ikatan dengan yang keempat. Satu lubang terbentuk. Ia, sudah tentu, boleh diisi dengan beberapa jenis elektron yang telah terlepas daripada ikatan valens dengan atom lain semikonduktor. Walau bagaimanapun, tidak kira di mana lubang itu berada, tidak akan ada elektron yang mencukupi dalam jisim semikonduktor doped indium untuk mengisinya. Dan semakin banyak atom kekotoran indium dimasukkan ke dalam semikonduktor, semakin banyak lubang terbentuk di dalamnya. Untuk membolehkan elektron bergerak dalam semikonduktor sedemikian, ikatan valens antara atom mesti dimusnahkan. Elektron yang terlepas daripadanya atau elektron yang memasuki semikonduktor dari luar bergerak dari satu lubang ke satu lubang. Dan dalam keseluruhan jisim semikonduktor pada bila-bila masa dalam masa bilangan lubang akan lebih besar daripada jumlah bilangan elektron bebas. Mereka dipanggil semikonduktor dengan kekonduksian elektrik lubang atau jenis (p).
Huruf Latin r - huruf pertama perkataan Latin positif (positif), yang bermaksud "positif".
Istilah ini dalam kes ini harus difahami dalam erti kata bahawa fenomena arus elektrik dalam jisim semikonduktor jenis (p) disertai dengan penampilan berterusan dan kehilangan caj positif - lubang. Bergerak melalui jisim semikonduktor, lubang bertindak sebagai pembawa semasa. Semikonduktor jenis p, serta jenis n, mempunyai kekonduksian elektrik berkali-kali lebih baik berbanding dengan yang tulen.
Ia mesti dikatakan bahawa hampir tidak ada kedua-dua semikonduktor tulen sepenuhnya dan jenis konduktif elektrik mutlak n dan p. Semikonduktor dengan campuran indium semestinya mengandungi sebilangan kecil atom beberapa unsur lain yang memberikan kekonduksian elektronik, dan dengan campuran antimoni terdapat atom unsur yang mencipta kekonduksian elektrik lubang di dalamnya. Sebagai contoh, dalam semikonduktor, yang mempunyai kekonduksian elektrik keseluruhan jenis n, terdapat lubang yang boleh diisi dengan elektron bebas daripada atom antimoni kekotoran. Akibatnya, kekonduksian elektrik akan merosot sedikit, tetapi secara amnya ia akan mengekalkan kekonduksian elektronik. Fenomena yang sama akan diperhatikan jika elektron bebas memasuki semikonduktor dengan watak lubang.
Oleh itu, dalam semikonduktor jenis-n, pembawa arus utama ialah elektron (konduksi elektrik elektronik mendominasi), dan dalam semikonduktor jenis-p, pembawa arus utama adalah lubang (kekonduksian elektrik lubang mendominasi).
Semikonduktor mendapat nama mereka kerana mereka menduduki kedudukan pertengahan antara konduktor (logam, elektrolit, arang batu), yang mempunyai kekonduksian elektrik yang tinggi, dan penebat (porselin, mika, getah, dan lain-lain), yang hampir tidak mengalirkan arus elektrik.
Jika kita membandingkan rintangan isipadu tentu dalam Ohm × cm untuk pelbagai bahan, ternyata konduktor mempunyai: ρ U= 10 -6 - 10 -3 Ohm × cm; kerintangan semikonduktor: ρ U= 10 -3 - 10 8 Ohm × cm; dan untuk dielektrik: ρ U= 10 8 - 10 20 Ohm × cm Semikonduktor termasuk: oksida logam - oksida (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3); sebatian sulfur - sulfida (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); sebatian dengan selenium - selenides; sebatian dengan tellurium - telluride; beberapa aloi (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); unsur kimia - germanium, silikon, telurium, selenium, boron, karbon, sulfur, fosforus, arsenik, serta sejumlah besar sebatian kompleks (galene, carborundum dan lain-lain).
Rajah 1. Germanium
Rajah 2. Silikon
Rajah 3. Telurium
Kajian lengkap dan meluas tentang sifat-sifat semikonduktor telah dijalankan oleh saintis Soviet A.F. Ioffe dan rakan-rakannya.
Sifat elektrik semikonduktor berbeza dengan ketara daripada sifat konduktor dan penebat. Kekonduksian elektrik konduktor sangat bergantung pada suhu, pencahayaan, kehadiran dan keamatan medan elektrik, dan jumlah kekotoran. Pada suhu biasa, semikonduktor mengandungi sejumlah elektron bebas yang terhasil daripada pemecahan ikatan elektronik. Semikonduktor mempunyai dua jenis kekonduksian: elektron dan lubang. Pembawa cas dalam semikonduktor dengan pengaliran elektronik adalah elektron bebas, dan dengan pengaliran lubang ia adalah ikatan tanpa elektron.
Pertimbangkan eksperimen berikut. Mari kita ambil konduktor logam dan panaskan satu hujungnya, maka hujung konduktor yang dipanaskan akan menerima cas positif. Ini disebabkan oleh pergerakan elektron dari hujung panas ke hujung sejuk, mengakibatkan kekurangan elektron pada hujung panas konduktor (cas positif) dan lebihan elektron pada hujung sejuk (cas negatif). Pengaliran arus jangka pendek melalui konduktor disebabkan oleh pergerakan elektron dari satu hujung konduktor ke hujung yang lain. Oleh itu, di sini kita bercakap tentang konduktor dengan kekonduksian elektronik. Walau bagaimanapun, terdapat bahan yang berkelakuan berbeza semasa eksperimen sedemikian: tepi yang dipanaskan bagi bahan tersebut menerima cas negatif, dan tepi sejuk menerima cas positif. Ini adalah mungkin jika kita menganggap bahawa pemindahan semasa dijalankan oleh caj positif.
Rajah 4. Ikatan antara atom sesuatu bahan
  |
| Rajah 5. Kekonduksian intrinsik semikonduktor |
 |
| Rajah 6. Kekonduksian elektronik semikonduktor |
  |
| Rajah 7. Kekonduksian lubang bagi semikonduktor |
Mari kita berkenalan dengan satu lagi jenis kekonduksian dalam semikonduktor - kekonduksian lubang. Dalam semikonduktor tulen, semua elektron terikat lemah kepada nukleus mengambil bahagian dalam ikatan elektronik. Dalam Rajah 4, A ikatan terisi antara atom bahan ditunjukkan secara konvensional. "Lubang" ialah unsur kekisi kristal bahan yang telah kehilangan elektron, yang sepadan dengan rupa cas positif (Rajah 4, b).
Ikatan yang dilepaskan boleh diisi semula jika "lubang" menangkap elektron daripada ikatan jiran (Rajah 4, V). Ini akan menyebabkan "lubang" berpindah ke lokasi baharu. Dalam bahan semikonduktor dalam keadaan normal, arah pelepasan elektron dan lokasi pembentukan "lubang" adalah huru-hara. Jika voltan malar digunakan pada semikonduktor tulen, maka elektron dan "lubang" akan bergerak (yang pertama melawan arah daya medan, yang kedua dalam arah yang bertentangan). Jika bilangan "lubang" yang terbentuk adalah sama dengan bilangan elektron yang dibebaskan, maka, seperti halnya dengan semikonduktor tulen, kekonduksian semikonduktor adalah rendah (konduksi intrinsik). Kehadiran walaupun sedikit kekotoran asing boleh mengubah mekanisme kekonduksian elektrik: menjadikannya elektronik atau lubang. Mari kita lihat contoh khusus. Mari kita ambil germanium (Ge) sebagai semikonduktor. Dalam kristal germanium, setiap atom terikat kepada empat atom lain. Apabila suhu meningkat atau akibat penyinaran, ikatan pasangan kristal boleh dipecahkan. Dalam kes ini, bilangan elektron dan "lubang" yang sama terbentuk (Rajah 5).
Mari tambah arsenik kepada germanium sebagai kekotoran. Kekotoran sedemikian mempunyai sejumlah besar elektron terikat lemah. Atom kekotoran mempunyai tahap tenaga mereka sendiri, terletak di antara tahap tenaga jalur bebas dan terisi, lebih dekat dengan yang terakhir (Rajah 6). Kekotoran tersebut menyerahkan elektronnya ke zon bebas dan dipanggil kekotoran penderma. Semikonduktor akan mempunyai elektron bebas, manakala semua ikatan akan diisi. Semikonduktor akan mempunyai kekonduksian elektronik dalam jalur bebas.
Jika kini indium, bukannya arsenik, ditambah sebagai bendasing kepada germanium, perkara berikut akan berlaku. Kekotoran sedemikian mempunyai sebilangan kecil elektron terikat lemah, dan tahap tenaga kekotoran terletak di antara tahap tenaga zon bebas dan terisi, lebih dekat dengan zon bebas (Rajah 7). Kekotoran jenis ini menerima elektron ke dalam zon mereka dari zon terisi bersebelahan dan dipanggil kekotoran penerima. Dalam semikonduktor akan ada ikatan yang tidak terisi - "lubang" jika tiada elektron bebas. Semikonduktor akan mempunyai kekonduksian lubang dalam jalur yang diisi.
Kini pengalaman memanaskan semikonduktor akan menjadi jelas, apabila hujung yang dipanaskan menerima caj negatif, dan hujung sejuk menerima caj positif. Di bawah pengaruh haba, ikatan pada hujung panas akan mula pecah, mewujudkan "lubang" dan elektron bebas. Jika semikonduktor mengandungi kekotoran, maka "lubang" akan mula bergerak ke hujung sejuk, mengecasnya secara positif, dan hujung semikonduktor yang dipanaskan akan menjadi bercas negatif.
Menyimpulkan pertimbangan kami tentang semikonduktor, kami membuat kesimpulan berikut.
Dengan menambahkan kekotoran kepada semikonduktor, seseorang boleh memberikan kekonduksian elektronik atau lubang yang dominan. Berdasarkan ini, jenis semikonduktor berikut diperolehi. Semikonduktor dengan kekonduksian elektronik dipanggil semikonduktor n-jenis (negatif), dan dengan kekonduksian lubang - hlm-jenis (positif).
Kami juga menjemput anda untuk menonton video pendidikan tentang semikonduktor:
Senarai=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I