Učení Základy polovodičů

V tomto příspěvku se komplexně učíme o základních pracovních principech polovodičových součástek a o tom, jak vnitřní struktura polovodičů funguje pod vlivem elektřiny.

Hodnota odporu mezi těmito polovodičovými materiály nemá ani úplnou charakteristiku vodiče, ani úplný izolátor, je mezi těmito dvěma limity.

Tato vlastnost může definovat polovodičovou vlastnost materiálu, bylo by však zajímavé vědět, jak polovodič funguje mezi vodičem a izolátorem.

Odpor

Podle Ohmova zákona je elektrický odpor elektronického zařízení definován jako poměr rozdílu potenciálů mezi komponentou a proudem protékajícím komponentou.

Nyní může použití měření odporu představovat jeden problém, jeho hodnota se mění, jak se mění fyzikální rozměr odporového materiálu.

Například když se odporový materiál zvětší na délku, jeho hodnota odporu se také úměrně zvýší.
Podobně, když se zvětšila jeho tloušťka, hodnota odporu proporcionálně klesá.

Zde je třeba definovat materiál, který může naznačovat vlastnost vedení nebo odporu vůči elektrickému proudu bez ohledu na jeho velikost, tvar nebo fyzický vzhled.

Velikost pro vyjádření této konkrétní hodnoty odporu je známá jako Resistivity, která má synbol ρ, (Rho)

Jednotkou měření odporu je Ohmmetr (Ω.m) a lze jej chápat jako parametr, který převrací inverzní vodivost.

Abychom získali srovnání mezi měrnými odpory několika materiálů, jsou rozděleny do 3 hlavních kategorií: Vodiče, Izolátor a Polovodiče. Níže uvedená tabulka poskytuje požadované podrobnosti:

Jak vidíte na výše uvedeném obrázku, mezi odporem vodičů, jako je zlato a stříbro, je zanedbatelný rozdíl, zatímco mezi izolátory, jako je křemen a sklo, může být značný rozdíl v odporu.

To je způsobeno jejich reakcí na okolní teplotu, díky níž jsou kovy velmi účinnými vodiči než izolátory

Vodiče

Z výše uvedeného grafu chápeme, že vodiče mají nejmenší množství měrného odporu, které může být typicky v mikroohmech / metr.

Vzhledem k jejich nízkému odporu je elektrický proud schopen jimi snadno projít, kvůli dostupnosti velkého množství elektronů.

Tyto elektrony však mohou být tlačeny pouze tehdy, když jde o tlak napříč vodičem, a tento tlak lze vytvořit působením napětí na vodič.

Když je tedy vodič připojen s rozdílem kladného / záporného potenciálu, volné elektrony každého atomu vodiče jsou nuceny uvolnit se ze svých mateřských atomů a začnou driftovat napříč vodičem a je obecně známý jako tok proudu .

Stupeň, ve kterém jsou tyto elektrony schopné se pohybovat, závisí na tom, jak snadno je lze uvolnit z atomů v reakci na rozdíl napětí.

Kovy jsou obecně považovány za dobré vodiče elektřiny a mezi kovy jsou nejlépe uspořádanými vodiči zlato, stříbro, měď a hliník.

Vzhledem k tomu, že tyto vodiče mají ve valenčním pásmu svých atomů velmi málo elektronů, snadno se uvolní potenciálním rozdílem a začnou skákat z jednoho atomu na další atom procesem zvaným „Domino Effect“, což vede k toku proudu napříč vodič.

Ačkoli zlato a stříbro jsou nejlepšími vodiči elektřiny, pro výrobu drátů a kabelů se dává přednost mědi a hliníku kvůli jejich nízké ceně a nadbytku a také jejich fyzické odolnosti.

Navzdory skutečnosti, že měď a hliník jsou dobrými vodiči elektřiny, stále mají určitý odpor, protože nic nemůže být stoprocentně ideální.

I když je odpor nabízený těmito vodiči malý, může být při použití vyšších proudů značný. Nakonec se odpor vůči vyššímu proudu na těchto vodičích rozptýlí jako teplo.

Izolátory

Na rozdíl od vodičů jsou izolátory špatnými vodiči elektřiny. Obvykle jsou ve formě nekovů a mají velmi málo zranitelných nebo volných elektronů se svými původními atomy.

To znamená, že elektrony těchto nekovů jsou pevně spojeny se svými mateřskými atomy, které je extrémně obtížné vytlačit pomocí napětí.

Díky této vlastnosti se při použití elektrického napětí elektrony nepohybují od atomů, což vede k žádnému toku elektronů, a proto nedochází k žádnému vedení.

Tato vlastnost vede k velmi vysoké hodnotě odporu vůči izolátoru, řádově mnoha milionů ohmů.

Příkladem dobrých izolátorů jsou materiály jako sklo, mramor, PVC, plasty, křemen, guma, slída, bakelit.

Stejně jako vodič i izolátory hrají důležitou roli v oblasti elektroniky. Bez izolátoru by bylo nemožné izolovat rozdíly napětí mezi fázemi obvodu, což by vedlo ke zkratům.

Například vidíme použití porcelánu a skla ve věžích vysokého napětí pro bezpečný přenos střídavého proudu přes kabely. V vodičích používáme PVC k izolaci kladných a záporných svorek a v deskách plošných spojů používáme bakelit, abychom izolovali měděné stopy od sebe.

Základy polovodičů

Mezi základní polovodičové materiály patří materiály jako křemík (Si), germanium (Ge) a galium arsenid. Je to proto, že tyto materiály mají charakteristiku mezilehlého vedení elektřiny, které nevede ke správnému vedení ani správné izolaci. Kvůli této vlastnosti jsou tyto materiály pojmenovány jako polovodiče.

Tyto materiály vykazují na svých atomech velmi málo volných elektronů, které jsou pevně seskupeny do formace krystalické mřížky. Elektrony jsou stále schopné uvolnit se a proudit, ale pouze za určitých podmínek.

Z tohoto důvodu je možné zvýšit rychlost vedení v těchto polovodičích zavedením nebo nahrazením nějakého druhu „donorových“ nebo „akceptorových“ atomů do krystalického uspořádání, což umožňuje uvolňování dalších „volných elektronů“ a „děr“ nebo svěráku naopak.

To se provádí zavedením určitého množství vnějšího materiálu do stávajícího materiálu, jako je křemík nebo germánium.

Samy o sobě jsou materiály jako křemík a germánium kvůli své extrémně čisté chemické povaze a přítomnosti úplného polovodičového materiálu kategorizovány jako vnitřní polovodiče.

To také znamená, že použitím regulovaného množství nečistot do nich jsme schopni určit rychlost vedení v těchto vnitřních materiálech.

Můžeme do těchto materiálů zavést typy nečistot, které se označují jako dárci nebo akceptory, abychom je vylepšili volnými elektrony nebo volnými otvory.

V těchto procesech, kdy se nečistota přidává k vnitřnímu materiálu v poměru 1 atom nečistoty na 10 milionů atomů polovodičového materiálu, se označuje jako Doping .

Se zavedením dostatečné nečistoty by se polovodičový materiál mohl přeměnit na materiál typu N nebo typu P.

Křemík je jedním z nejpopulárnějších polovodičových materiálů, který má 4 valenční elektrony přes nejvzdálenější obal a je také obklopen sousedními atomy, které tvoří celkem oběžné dráhy 8 elektronů.

Vazba mezi dvěma atomy křemíku je vyvinuta takovým způsobem, že umožňuje sdílení jednoho elektronu s jeho sousedním atomem, což vede k dobré stabilní vazbě.

Ve své čisté formě může mít křemíkový krystal velmi málo volných valenčních elektronů, což mu připisuje vlastnosti dobrého izolátoru s extrémními hodnotami odporu.

Připojení křemíkového materiálu k rozdílu potenciálů nepomůže žádnému vedení skrz něj, pokud v něm není vytvořena nějaká pozitivní nebo negativní polarita.

A k vytvoření takových polarit je do těchto materiálů implementován proces dopingu přidáním nečistot, jak je popsáno v předchozích odstavcích.

Porozumění struktuře atomů křemíku

Na výše uvedených obrázcích vidíme, jak vypadá struktura pravidelné krystalové mřížky z čistého křemíku. Pokud jde o nečistotu, obvykle se do polovodičových krystalů zavádějí materiály jako arsen, antimon nebo fosfor, které je mění na vnější, což znamená „mít nečistoty“.

Zmíněné nečistoty jsou tvořeny 5 elektrony na jejich nejvzdálenějším pásmu známém jako „Pentavalent“ nečistota pro sdílení se svými sousedními atomy.
Tím je zajištěno, že 4 z 5 atomů jsou schopné spojit se sousedními atomy křemíku, s výjimkou jediného „volného elektronu“, který lze uvolnit při připojení elektrického napětí.

V tomto procesu, protože nečisté atomy začínají „darovat“ každý elektron přes svůj blízký atom, jsou atomy „pětimocné“ pojmenovány jako „dárci“.

Používání antimonu k dopingu

Antimon (Sb) a fosfor (P) se často stávají tou nejlepší volbou pro zavedení nečistoty „Pentavalent“ do křemíku.

V Antimony je umístěno 51 elektronů v 5 skořápkách kolem jejího jádra, zatímco jeho nejvzdálenější pás se skládá z 5 elektronů.
Díky tomu je základní polovodičový materiál schopen získat další proud nesoucí elektrony, z nichž každý má negativní náboj. Proto se jmenuje „materiál typu N“.

Také elektrony jsou pojmenovány jako „Majority Carrier“ a následně vznikající díry jsou označovány jako „Minority Carriers“.

Když je polovodič dotovaný antimonem vystaven elektrickému potenciálu, elektrony, které se náhodou odlomí, jsou okamžitě nahrazeny volnými elektrony z atomů antimonu. Protože však tento proces nakonec udržuje volný elektron v plovoucím krystalu, způsobuje to, že se jedná o záporně nabitý materiál.

V tomto případě lze polovodič označit za typ N, pokud má hustotu dárce vyšší než hustotu akceptoru. To znamená, když existuje vyšší počet volných elektronů ve srovnání s počtem otvorů, což způsobuje negativní polarizaci, jak je uvedeno níže.

Porozumění polovodičům typu P.

Pokud vezmeme v úvahu situaci naopak, zavedení 3 elektronové „trojmocné“ nečistoty do polovodičového krystalu, například pokud zavedeme hliník, bór nebo indium, které obsahují 3 elektrony ve své valenční vazbě, je tedy nemožné vytvořit 4. vazbu.

Z tohoto důvodu se důkladné připojení stává obtížným, což umožňuje polovodiči mít spoustu kladně nabitých nosičů. Tyto nosiče se nazývají „díry“ v celé polovodičové mřížce kvůli spoustě chybějících elektronů.

Nyní, kvůli přítomnosti otvorů v křemíkovém krystalu, je blízký elektron přitahován k otvoru a pokouší se zaplnit štěrbinu. Jakmile se o to elektrony pokusí, uvolní svou pozici a vytvoří novou díru na své předchozí pozici.

To zase přitahuje další blízký elektron, který opět opouští novou díru a snaží se obsadit další díru. Proces pokračuje a vytváří dojem, že se díry ve skutečnosti pohybují nebo proudí přes polovodič, což obecně uznáváme jako konvenční tokový proud.

Vzhledem k tomu, že se „díry objevují v pohybu“, vzniká nedostatek elektronů, což umožňuje, aby celý dotovaný krystal získal pozitivní polaritu.

Vzhledem k tomu, že každý atom nečistoty je zodpovědný za vytvoření díry, tyto trojmocné nečistoty se nazývají „akceptory“, protože pokračují v procesu nepřetržitého přijímání volných elektronů.
Bor (B) je jednou z trojmocných přísad, která se běžně používá pro výše vysvětlený dopingový proces.

Když se jako dopingový materiál použije bór, způsobí to, že vedení má hlavně kladně nabité nosiče.
To má za následek vytvoření materiálu typu P, který má pozitivní díry nazývané „Majoritní nosiče“, zatímco volné elektrony se nazývají „Menšinové nosiče“.

To vysvětluje, jak se polovodičový základní materiál mění na typ P v důsledku zvýšené hustoty jeho akceptorových atomů ve srovnání s donorovými atomy.

Jak se bor používá k dopingu

Shrnutí základů polovodičů

Semiconductor typu N (dopovaný pentavalentní nečistotou, jako je například antimon)

Takové polovodiče, které jsou dotovány atomy nečistot Pentavalent, se nazývají dárci, protože vykazují vodivost pohybem elektronů, a proto se nazývají polovodiče typu N.
V N-type Semiconductor najdeme:

1. Kladně nabití dárci
2. Bohatý počet volných elektronů
3. Relativně menší počet „děr“ ve srovnání s „volnými elektrony“
4. Výsledkem dopingu jsou pozitivně nabití dárci a negativně nabité volné elektrony.
5. Aplikace potenciálního rozdílu má za následek vývoj negativně nabitých elektronů a pozitivně nabitých otvorů.

Polovodič typu P (dopovaný trivalentní nečistotou, jako je například bor)

Takové polovodiče, které jsou dotovány atomy trojmocné nečistoty, se nazývají akceptory, protože vykazují vedení pohybem děr, a proto se nazývají polovodiče typu P.
V N-type Semiconductor najdeme:

1. Záporně nabité akceptory
2. Velké množství otvorů
3. Relativně menší počet volných elektronů ve srovnání s přítomností děr.
4. Doping vede k vytvoření negativně nabitých akceptorů a pozitivně nabitých děr.
5. Aplikace napěťového pole způsobí generování kladně nabitých otvorů a záporně nabitých volných elektronů.

Polovodiče typu P a N jsou samy o sobě přirozeně elektricky neutrální.
Antimony (Sb) a Boron (B) jsou obvykle dva materiály, které se používají jako dopingové prvky kvůli jejich hojné dostupnosti. Tito jsou také pojmenováni jako „mettaloidy“.

Pokud se tedy podíváte na periodickou tabulku, najdete mnoho dalších podobných materiálů, které mají v nejvzdálenějším atomovém pásmu 3 nebo 5 elektronů. Znamená to, že tyto materiály se mohou stát vhodnými také pro dopingové účely.
Periodická tabulka