Полупроводници

Какво представляват полупроводниците?

Полупроводниците са отделен клас електрически материали. Те не са нито проводници, нито изолатори.

Може да се направи аналогия между полупроводниците и растенията, произвеждащи кислород. Както без растенията не биха съществували нито животинските видове или хората, така и без полупроводниците ще са невъзможни съвременните компютеризирани домакински уреди и индустриални машини. Въпреки че обикновено нямаме директен контакт с полупроводниците, трудно бихме могли да си представим ежедневието си без тях в съвременното високотехнологично общество.

Защо са важни полупроводниците ?

Защо са важни полупроводниците?

Какво ще научите?

Основни понятия

Основните електрически термини са:

  • Електрически заряд (Q)
  • Електрически ток (I)
  • Напрежение (U)

Електрическият заряд е фундаментална единица при електрическите явления. Зарядите се изразява в кулони (C).

Електрическият ток изразява скоростта на потока от електрически заряди. Той се измерва в ампери (A). Един ампер е един кулон за секунда.

Напрежението изразява енергията, която принуждава зарядите да се движат. Той се измерва във волтове .(V).

Електрическа схема

Електрическата схема (електрическа верига) се формира от свързани електрически елементи, които образуват затворен контур.

Ако три основни електрически елементи (батерия, лампа, и ключ) се свържат с проводници се формира проста електрическа схема. За да протича ток в тази схема са необходими:

  • свободни (подвижни) токоносители
  • затворена път за тяхното движение
  • и потенциална разлика, която принуждава носителите да се движат.

Ако едно от тези условия не е изпълнено ток във веригата не протича.

Проводимост

Проводимостта е способността на даден материал да провежда електрически ток.

Проводниците (металите) имат висока проводимост. Те позволяват протичане на ток през тях относително без никакви ограничения.

Изолаторите имат ниска проводимост. Материали като дърво, стъкло или пластмаса са добри електрически излатори. През тях не протича ток.

Полупроводниците, като силиций, от друга страна имат средни стойности за проводимостта си при стайна температура.

Електрическите характеристики на материалите директно зависят от атомната им структура..

Структура на атома

Всеки атом се състои от ядро и електрони.

Електроните обикалят в орбити около ядрото аналогично на планетите около слънцето.

Ядрото се състои от положително заредени частици, наречени протони, и от неутрални частици - неутрони.

Докато ядрото има положителен заряд, заобикалящите го електрони имат ортицателен заряд. Атомът като цяло е електрически неутрален.

Структура на силициев атом

Нека разгледаме структурата на силициевия атом, показана на фигурата.

Ядрото на силициевия атом има 14 протона и 14 неутрона. Атомът има и 14 електрона, разпределени в три различни орбити.

Най-външната орбита е известна като орбита на валентните електрони. Тя определя електрическите свойства на атома. Електроните от тази орбита се наричат валентни електрони. Силициевият атом има четири валентни електрона.

Енергийни нива

Електроите могат да имат само дискретни стойности на енергията, които са наречени енергойни нива (E1, E2, E3). Допълнителна енергия е необходима, за да се премести електрон към по-външна орбита, на която съответства по-високо енергийно ниво. Най-външната орбита е еквивалентна на най-високо ниво на енергията.

Аналогично, хората в един амфитеатър могат да заемат редове, в които има свободни (вакантни) места. Обикновено редовете близо до сцената се запълват първи. После свободни места могат да се намерят само в по-горните редове. Но за да се заемат тези места е необходима енергия, за да се изкачат стълбите.

Кристали

Кристалите са твърди материали, чиито атоми са подредени в регулярна структура, наречена кристална решетка.

Когато атомите се комбинират, за да формират кристал, всеки атом се свързва със здрави връзки със съседните атоми в кристалната решетка.

Всички полупроводникови материали са кристали и електрическите им свойтва директно зависят от структурата на техния кристал.

Силициев кристал

В силициевия кристал, всеки атом разделя своите четири валентни електрона със съседните атоми. Тези електрони формират така наречените ковалентни връзки, които държат атомите заедно в структурата. Атомите в кристалнаа решетка на силиция са разположени по върховете на тетраедър.

Вдясно е показано двумерно представяне на кристалната решетка на силиция, където са илюстрирани ковалентните връзки между два съседни атома в решетката.

Зонни диаграми

В кристалите атомите са много близо разположени един до друг и силно си влияят. При тези условия енергийните нива на електроните в изолирания атом се разцепват и формират зони от разрешени нива (разрешени зони), които се разделят със забранени зони (лява фигура).

Двете най-високо разположени разрешени зони - така наречените валентна зона и зона на проводимост (дясна фигура) - са много важни за проводимостта на материалите. Ширината на забранната зона между тях с енергия Eg е важен параметър за всеки полупроводников материал.

Зона диаграма и формиране на свободни електрони

За да се преместят в зоната на проводимост, валентните електрони се нуждаят от допълнителна енергия, която трябва да е по-голяма от широчината на забранената зона. Следователно, колкото по-широка е забранената зона за даден материал, толкова по-голяма енергия е необходима, за да се премести електрон от валентната зона в зоната на проводимост.

Електроните, разположени в зоната на проводимост се наричат свободни електрони, защото те не принадлежат на отделен атом. Даже прилагането на много ниско напрежение ще предизвика движение на тези електрони и протичането на ток през кристала.

Типове полупроводници

Съшествуват два типа полупроводници:

  • Собствени - не съдържат примеси
  • Примесни - съдържат примесни атоми в кристала

Концентрацията на примесните атоми оказва силно влияние върху електрическото поведение на полупроводниците. Чрез прецизно контролиране на нивото на примесите по време на производството, производителите са в състояние да създават полупроводникови елементи със специфични параметри.

Широко разпространени полупроводникови материали са германий (Ge), силиций (SiЮ) и галиев арсенид (GaAs).

Собствен полупроводник

Типичен пример за собствен (чист) полупроводник е силициев кристал, който съдържа саме силициеви атоми в кристалната си решетка.

Атомите в кристалната решетка са свързани заедно поседством ковалентни връзки. При известни условия, обаче, тези ковалентни връзки могат да станат източник на свободни токоносители, които са съществени за електрическата проводимост в собствения полупроводник.

Концентрация на токоносителите в собствен полупроводник

Концентрацията на токоносителите в собствен полупроводник силно зависи от температурата. При нула градуса Келвин ( -273 oC) всички ковалентни връзки са запълнени и няма свободни токоносители. Тогава полупроводникът е идеален изолатор.

С повишаване на температурата атомите в кристалната решетка започват да вибрират, разкъсват се ковалентни връзки и количеството на токоносителите експоненциално нараства. Следователно проводимостта на собствените полупроводници силно нараства с температурата.

При разкъсването на ковалентни връзки винаги се създават двойка електрон и дупка. Този процес се нарича термогенерация. За дадена температура винаги концентрацията на свободните еектрони ni е равна на концентрацията на дупките pi.

Създаване на токоносители - разкъсване на ковалентни връзки

За да осигурят проводимост, някои от валентните електрони трябва да придобият достатъчна енергия, за да разкъсат ковалентните връзки. Топлината от околото пространство е основен източник на необходимата енергия.

Топлинната енергия предизвиква вибриране на атомите в кристалната решетка. При достатъчно високи температури, се разкъсва ковалентна връзка, при което се формира свободен електрон, и празно място (дупка), с еквивалентен положителен заряд. Свободните електрони и дупките се наричат токоносители, защото те пренасяд заряд.

Създаване на токоносители - необходима енергия

Широчината на забранената зона Eg е минималното количество енергия, необходимо да разкъса ковалентни връзки и да възбуди валентен електрон да премине в зоната на проводимост.

Забележете, че при този процес се създават еднакъв брой вободни електрони и дупки.

Може да се направи аналогия между създаването на електрони и дупки и кола, която напуска мястото си в опашка от други коли. За да се премести колата извън опашката е необходимо известно количество енергия, но след това тя може да се движи свободно (като свооден електрон). На нейното място в опашката от коли остава празно място (дупка).

Движение на токоносители

Под действие на приложено напрежение към полупроводниковия кристал свободните електрони и дупки да се движат в противоположни посоки.

Свободните електрони се движат сравнително бързо през кристала. Дупките, от от своя страна, се движат значително по-бавно, тъй като движението им е свързано с последователното преместване на валентни електрони (сиви топчета) от една ковалентна връзка към друга.

Свободните електрони и дупките се наричат подвижни токоносители.

Движение на токоносители - аналогия с коли

Свободните електрони се движат безпрепятствено като бърз автомобил в горната лента.

Движението на дупките е аналогично на преместването на свободното място между таксиметрови автомобили на стоянка. Ако таксито (валентен електрон) се премести напред, за да запълни свободното място, тогава се освобождава ново свободно място (дупка) зад колата. Ако нова кола заеме това свободно място, тогава дупката се премества още по-назад. Така първоначалната дупка се премества до края на опашката, но това става при няколко последователни премествания на колите, което е по-дълъг процес.

Протичане на ток

Ако няма приложено напрежение към полупроводника, подвижните токоносители се преместват хаотично. Тогава няма насочено движение на токоносители и не протича ток.

Ако се приложи напрежение към кристала, то предизвиква насочено движние на електрони и дупки в определена посока и протичане на ток.

Токът в полупроводниците има две компоненти - електронна In и дупчеста Ip.

Протичане на ток - посока на тока

Посоката на движение на потока от дупки е противоположна на посоката на движение на свободните електрони.

По конвенция е прието, че посоката на тока съвпада с посоката на движение на положителните токоносители. Съгласно тази конвенция, посоката на електронния ток е от ляво на дясно (както е показано на фигурата), независимо че електроните се движат от дясно на ляво.

При движението си токоносителите се сблъскват с атоми от кристалната решетка и се отклоняват от праволинейното им движение. В резултат те се движат през кристала под действие на електрическото поле със средна скорост, наречена дрейфова скорост.

Примесни полупроводници

В примесните полупроводници, част от силициевите атоми в кристалната решетка се заменят с примесни атоми. Броят на въведените примеси атоми е нищожен спрямо броя на силициевите атоми в решетката, но даже и с много ниски концентрации, те оказват значително влияние върху електрическите свойства на полупроводниците.

Въвеждането на примеси в полупроводника се нарича легиране. Най-често като легиращи примеси се използват материали от трета и пета валентност.

Недостатъци на собствените полупроводници

Собствените полупроводници не се използват за производство на полупроводникови елементи. Това се дължи на следните недостатъци:

  • При стайна температура (25 oC) силициевият кристал е почти изолатор, защото има много малко термогенерирани електрони и дупки.
  • Тъй като броят на токоносителите силно зависи от температурата, то и големината на тока ще е силно чувствителна към промяна на околната температура.

n-тип полупроводник

Примесен атом от пета валентност се нарича донор, защото отдава излишния си електрон на силициевия кристал.

В полупроводници с донорни примеси, концентрацията на свободни електрони n е много по-голяма от концентрацията на дупки p. Затова свободните електрони се наричат основни токоносители, а дупките - неосновни токоносители.

Тъй като по-голямата част от имат отрицателен (negative) заряд, то полупроводник, легиран с донорни примеси е от n-тип.

Като донорни примеси се използват фосфор (P), арсен (As), и антимон (Sb). .

Създаване на токоносители в n-тип полупроводник

Когато донорен атом се въведе в силициев кристал, четири от валентните му електрони образуват ковалентни връзки със съседни силициеви атоми. Петият електрон, обаче, не участва в ковалентна връзка и е слабо свързан към атома. Следователно, той лесно може да се откъсне от атома даже при много ниски температури. При това в кристала се появява свободен електрон, без това да е съпроводено с поява на дупка.

Когато неутрален донорен атом губи електрон, той се превръща в положително зареден йон. Този процес се нарича йонизация на донорите. Йоните не участват в процеса на провеждане на ток, тъй като са свързани във възлите на кристалната решетка..

Когато температурата стане достатъчно висока, някои квалентни връзки се разкъсват, при което се създават двойки електрон-дупка, независимо от примесните атоми.

Концентрация на токоносителите в n-тип полупроводник

При стайна температура всички донорни атоми са йонизирани и само нищожен брой ковалентни връзки са разкъсани. Следователно, броят на свободните електрони, създаден от йонизация на донорите, многократно ще надвишава броя на дупките, получени при разкъсване на ковалентни връзки.

Тъй като всеки донор създава само един свободен електрон, концентрацията на електроните n ще е равна на концентрацията на въведените донорни примеси в кристала ND. Колкото повече са донорните примеси, толкова по-голяма ше бъде проводимостта на полупроводника.

p-тип полупроводник

Примесен атом с три валентни електрона се нарича акцептор, тък като се стреми да приеме един недостигащ валентен електрон. Трите валентни електрона участват в ковалентни връзки със съседни силициеви атоми. Оставащата една незапълнена връзка създава дупка.

Полупроводник с акцепторни примеси е от p-тип, тъй като дупките имат положителен (positive) заряд и броят им значително превишава броя на електроните в кристала.

Пример за акцепторни примеси са бор (B), алуминий (Al) и галий (Ga).

Създаване на токоносители в p-тип полупроводник

Когато акцепторен примес се въведе в силициев кристал, той има само три електрона, с които може да образува ковалентни връзки със съседни силициеви атоми.

Следователно, четвъртрата ковалентна връзка остава непопълнена, създавайки по този начин дупка. Валентни електрони от съседни атоми могат да запълнят това свободно място даже при много ниски температури. Този процес се нарича йонизация на акцепторните атоми, при което се формира фиксиран в кристалната решетка отрицателен акцепторен йон.

При достаъчно увеличаване на температурата се разкъсват ковалентни връзки и се създават двойки електрон-дупка.

Концентрация на токоносителите в p-тип полупроводник

При стайна температура всички акцепторни атоми са йонизирани и само нищожен брой ковалентни връзки са разкъсани. Следователно, броят на дупките, създаден от йонизация на акцепрорите, многократно ще превишава броя на свободните електрони, получени при разкъсване на ковалентни връзки.

Тъй като всеки акцептор създава само една дупка, концентрацията на дупките p ще е равна на концентрацията на въведените акцепторни примеси в кристала NA. Колкото повече са акцеторните примеси, толкова по-голяма ще бъде проводимостта на полупроводника.

Протичане на ток в примесен полупроводник

n-тип полупроводник

Въведените донорни примеси създават свободи електрони, които участват при протичане на тока. В n-тип полупроводник електроните са основни токоносители и електронната компонента на тока In значително превишава дупчестата Ip.

При прилагане на напрежение електроните се движат към положителния потенциял (в ляво на фигурата). Дупките (неосновни токоносители) се преместват в обратна посока. Поради нищожно малкия си брой те оказват незначително влияние върху общия ток.

Протичане на ток в примесен полупроводник

p-тип полупроводник

Акцепторните примеси създават дупки, които съставляват основната компонента на тока. При прилагане на напрежение дупките (основни токоносители) се движат към отрицателния потенциал (в дясно). Ще съществува и пренебрежимо малък ток, формиран от неосновните токоносители (електрони), движещи се в обратна посока. Следователно, в p-тип полупроводник дупчестият ток Ip значително ще превишава електронния In.

За двата типа примесни полупроводници основните токоносители ще формират главната компонента на тока.

Предимства на примесните полупровници

Проводимостта на примесни полупроводници зависи от концентрацията на въведените в тях примеси. При стайна температура относително малко оснони токоносители са достатъчни да формират тока.

  • Електрическите характеристики на примесните полупроводници могат да се контролират прецизно чрез въвеждане на определено количество примеси по време на производствения процес.
  • Концентрацията на основните токоносители (а оттам и основната съставка на тока) не зависят от изменението на температурата.