Ημιαγωγός

Α ημιαγωγός είναι ένα υλικό με ηλεκτρική αγωγιμότητα αυτός είναι ενδιάμεσος μεταξύ αυτού μονωτής και α αγωγός. Ένας ημιαγωγός συμπεριφέρεται ως μονωτής στην πολύ χαμηλή θερμοκρασία, και έχει έναν αξιόλογο ηλεκτρική αγωγιμότητα θερμοκρασία δωματίου αν και πολύ χαμηλότερη αγωγιμότητα από έναν αγωγό. Τα συνήθως χρησιμοποιημένα ημιαγωγικά υλικά είναι πυρίτιο, γερμάνιο, και αρσενίδιο γαλλίου.

Ένας ημιαγωγός μπορεί να διακριθεί από έναν αγωγό από το γεγονός ότι, απόλυτο μηδέν, ο ανώτατος γεμισμένος η ενεργειακή ζώνη ηλεκτρονίων συμπληρώνεται πλήρως έναν ημιαγωγό, αλλά μόνο μερικώς συμπληρωμένος έναν αγωγό.

Η διάκριση μεταξύ ενός ημιαγωγού και ενός μονωτή είναι ελαφρώς πιό αυθαίρετη. Ένας ημιαγωγός έχει το α χάσμα ζωνών όποιος είναι αρκετά μικρός έτσι ώστε του ζώνη διεξαγωγής είναι αρκετά θερμικά εποικημένος με τα ηλεκτρόνια στη θερμοκρασία δωματίου, ενώ ένας μονωτής έχει ένα χάσμα ζωνών που είναι πάρα πολύ ευρύ για να υπάρχει τα αξιόλογα θερμικά ηλεκτρόνια στη ζώνη διεξαγωγής του στη θερμοκρασία δωματίου.

Περιεχόμενο

Θεμελιώδης φυσική ημιαγωγών

Δομή ζωνών ενός ημιαγωγού

Band structure of a semiconductor showing a full valence band and an empty conduction band. The Fermi level lies within the bandgap
Η δομή ζωνών ενός ημιαγωγού που παρουσιάζει πλήρη ζώνη σθένους και μια κενή διεξαγωγή ενώνουν. Το fermi επίπεδο βρίσκεται μέσα στο bandgap

Στο ιδίωμα στερεάς κατάστασης φυσική, οι ημιαγωγοί (και μονωτές) ορίζονται ως τα στερεά στα οποία απόλυτο μηδέν (0 Κ), ο ανώτατος ζώνη κατειλημμένος ηλεκτρόνιο ενεργειακά κράτη, γνωστός ως ζώνη σθένους, είναι απολύτως πλήρης. Ή, για να το βάλει ένας άλλος τρόπος, Fermi ενέργεια από τα ηλεκτρόνια βρίσκεται μέσα απαγορευμένη bandgap. Η fermi ενέργεια, ή fermi το επίπεδο μπορεί να θεωρηθεί ως ενέργεια μέχρι την οποία τα διαθέσιμα κράτη ηλεκτρονίων είναι κατειλημμένα σε απόλυτο μηδέν.

Στις θερμοκρασίες δωματίου, υπάρχει κάποιο λέρωμα της ενεργειακής διανομής των ηλεκτρονίων, έτσι ώστε ένας μικρός, αλλά ο μη ασήμαντος αριθμός έχει αρκετή ενέργεια για να διασχίσει το χάσμα ενεργειακών ζωνών ζώνη διεξαγωγής. Αυτά τα ηλεκτρόνια που έχουν αρκετή ενέργεια για να είναι στη ζώνη διεξαγωγής έχουν σπάσει χωρίς ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των γειτονικών ατόμων στο στερεό, και είναι ελεύθερος να κινηθεί γύρω, και ως εκ τούτου δαπάνη συμπεριφοράς. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί από τους οποίους αυτά τα συγκινημένα ηλεκτρόνια έχουν προέλθει τώρα έχουν τα ελλείποντα ηλεκτρόνια, ή τρύπες όποιοι είναι ελεύθεροι να κινηθούν γύρω από επίσης. (Οι τρύπες οι ίδιοι δεν κινούνται πραγματικά, αλλά ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί για να γεμίσει την τρύπα, αφήνοντας μια τρύπα στη θέση που προήλθε μόλις από, και κατ' αυτό τον τρόπο οι τρύπες εμφανίζονται να κινούνται.)

Είναι μια σημαντική διάκριση μεταξύ των αγωγών και των ημιαγωγών που, στους ημιαγωγούς, μετακίνηση της δαπάνης (τρέχων) διευκολύνεται και από τα ηλεκτρόνια και από τις τρύπες. Αντιπαραβάλτε αυτό στο α αγωγός όπου το fermi επίπεδο βρίσκεται μέσα η ζώνη διεξαγωγής, έτσι ώστε τη ζώνη μόνο κατά το ήμισυ γεμίζουν με τα ηλεκτρόνια. Σε αυτήν την περίπτωση, μόνο ένα μικρό ποσό ενέργειας απαιτείται για τα ηλεκτρόνια για να βρεί άλλα μη κατειλημμένα κράτη για να κινηθεί, και ως εκ τούτου για το ρεύμα στη ροή.

Η ευκολία με την οποία τα ηλεκτρόνια σε έναν ημιαγωγό μπορούν να διεγερθούν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη διεξαγωγής εξαρτάται από χάσμα ζωνών μεταξύ των ζωνών, και είναι το μέγεθος αυτής της ενέργειας bandgap που χρησιμεύει ως μια αυθαίρετη διαχωριστική γραμμή μεταξύ των ημιαγωγών και μονωτές. Υλικά με μια ενέργεια bandgap λιγότερο από περίπου 3 electronvolts (eV) θεωρείται γενικά ημιαγωγοί, ενώ εκείνοι με μια μεγαλύτερη ενέργεια bandgap θεωρούνται μονωτές ..

Τα τρέχων-φέρνοντας ηλεκτρόνια στη ζώνη διεξαγωγής είναι γνωστά ως "ελεύθερα ηλεκτρόνια", αν και συχνά απλά καλούνται "ηλεκτρόνια" εάν το πλαίσιο επιτρέπει σε αυτήν την χρήση για να είναι σαφή. Οι τρύπες στη ζώνη σθένους συμπεριφέρονται παρόμοια με τα θετικά- positively-charged αντίστοιχα των ηλεκτρονίων, και αντιμετωπίζονται συνήθως σαν είναι πραγματικά χρεωμένα μόρια.

Νάρκωση των ημιαγωγών

Ένας από τους κύριους λόγους ότι οι ημιαγωγοί είναι χρήσιμοι μέσα ηλεκτρονική είναι ότι τις ηλεκτρονικές ιδιότητές τους μπορούν να αλλάξουν πολύ με έναν ελέγξιμο τρόπο με την προσθήκη των μικρών ποσών ακαθαρσιών. Αυτές οι ακαθαρσίες καλούνται υλικά πρόσμιξης.

Βαριά να ναρκώσει έναν ημιαγωγό μπορεί να αυξήσει της αγωγιμότητα από έναν παράγοντα μεγαλύτερο από ένα δισεκατομμύριο. Σε σύγχρονο ολοκληρωμένα κυκλώματα, παραδείγματος χάριν, βαριά-ναρκωμένος πολυκρυσταλλικό πυρίτιο χρησιμοποιείται συχνά ως αντικατάσταση για μέταλλα.

Εγγενείς και εξωγενείς ημιαγωγοί

εγγενής ημιαγωγός είναι ένας ημιαγωγός που είναι αρκετά καθαρός ότι οι ακαθαρσίες σε τον δεν έχουν επιπτώσεις αρκετά στην ηλεκτρική συμπεριφορά της. Σε αυτήν την περίπτωση, όλοι οι μεταφορείς δημιουργούνται από τα θερμικά ή οπτικά συγκινημένα ηλεκτρόνια από το σύνολο ζώνη σθένους στον κενό ζώνη διεξαγωγής. Κατά συνέπεια οι ίσοι αριθμοί ηλεκτρονίων και τρυπών είναι παρόντες σε έναν εγγενή ημιαγωγό. Ροή ηλεκτρονίων και τρυπών στις αντίθετες κατευθύνσεις σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, αν και συμβάλλουν στο ρεύμα στην ίδια κατεύθυνση δεδομένου ότι χρεώνονται oppositely. Το ρεύμα τρυπών και το ρεύμα ηλεκτρονίων δεν είναι απαραιτήτως ίσα σε έναν εγγενή ημιαγωγό, εντούτοις, επειδή τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες έχουν διαφορετικό αποτελεσματικές μάζες (κρυστάλλινα ανάλογα στις ελεύθερες αδρανείς μάζες).

Η συγκέντρωση των μεταφορέων σε έναν εγγενή ημιαγωγό εξαρτάται έντονα από τη θερμοκρασία. Στις χαμηλές θερμοκρασίες, ζώνη σθένους είναι απολύτως πλήρης, κατασκευάζοντας το υλικό μονωτής (δείτε ηλεκτρική διεξαγωγή για περισσότερες πληροφορίες). Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μια αύξηση στον αριθμό μεταφορέων και μια αντίστοιχη αύξηση στην αγωγιμότητα. Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται μέσα θερμικές αντιστάσεις. Αυτή η συμπεριφορά αντιπαραβάλλει αισθητά με αυτό των περισσότερων μετάλλων, όποιοι τείνουν να γίνουν λιγότερο αγώγιμοι στις υψηλότερες θερμοκρασίες λόγω αυξανόμενος phonon διασπορά.

εξωγενής ημιαγωγός είναι ένας ημιαγωγός που έχει ναρκωθεί με τις ακαθαρσίες για να τροποποιήσει τον αριθμό και τον τύπο ελεύθερων μεταφορέων δαπανών παρόντων.

Νάρκωση ν-τύπων

Ο σκοπός νάρκωση ν-τύπων είναι να παραγάγει μια αφθονία κινητού ή "μεταφορέα" ηλεκτρόνια στο υλικό. Για να βοηθήσει να καταλάβει πώς η νάρκωση ν-τύπων ολοκληρώνεται, εξετάστε την περίπτωση του πυριτίου (Si). Τα άτομα Si έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους, κάθε ένας του οποίου είναι covalently συνδεμένος με το ένα από τέσσερα παρακείμενα άτομα Si. Εάν ένα άτομο με πέντε ηλεκτρόνια σθένους, όπως εκείνοι από ομάδα 15 (α.Κ.α. ομάδα VA) από περιοδικός πίνακας (ε.γ. φώσφορος (P), αρσενικό (As), ή αντιμόνιο (Sb)), ενσωματώνεται στο δικτυωτό πλέγμα κρυστάλλου αντί ενός ατόμου Si, κατόπιν εκείνο το άτομο θα έχει τέσσερις ομοιοπολικούς δεσμούς και ο ένας το ηλεκτρόνιο. Αυτό το πρόσθετο ηλεκτρόνιο είναι μόνο αδύναμα συνδεδεμένο στο άτομο και μπορεί εύκολα να διεγερθεί ζώνη διεξαγωγής. Στις κανονικές θερμοκρασίες, ουσιαστικά όλα τα τέτοια ηλεκτρόνια είναι συγκινημένος στη ζώνη διεξαγωγής. Δεδομένου ότι η διέγερση αυτών των ηλεκτρονίων δεν οδηγεί στο σχηματισμό του α τρύπα, ο αριθμός ηλεκτρονίων σε ένα τέτοιο υλικό υπερβαίνει μακριά τον αριθμό τρυπών. Σε αυτήν την περίπτωση τα ηλεκτρόνια είναι μεταφορείς πλειοψηφίας και οι τρύπες είναι μεταφορείς μειονότητας. Επειδή τα άτομα πέντε-ηλεκτρονίων έχουν ένα πρόσθετο ηλεκτρόνιο "που δίνει", καλούνται άτομα χορηγών. Σημειώστε ότι κάθε κινητό ηλεκτρόνιο μέσα στον ημιαγωγό δεν είναι ποτέ μακριά από ένα ακίνητο θετικό ιόν υλικού πρόσμιξης, και το ν-ναρκωμένο υλικό έχει κανονικά ένα δίχτυ ηλεκτρική δαπάνη από μηδέν.

Νάρκωση π-τύπων

Ο σκοπός π-τύπος η νάρκωση πρόκειται να δημιουργήσει μια αφθονία τρύπες. Στην περίπτωση του πυριτίου, ένα τρισθενές άτομο (όπως βόριο) αντικαθίσταται δικτυωτό πλέγμα κρυστάλλου. Το αποτέλεσμα είναι ότι ένα ηλεκτρόνιο λείπει από ένα από τα τέσσερα ομοιοπολικοί δεσμοί κανονικός για το δικτυωτό πλέγμα πυριτίου. Κατά συνέπεια το άτομο υλικού πρόσμιξης μπορεί να δεχτεί ένα ηλεκτρόνιο από έναν γειτονικό ομοιοπολικό δεσμό των ατόμων για να ολοκληρώσει τον τέταρτο δεσμό. Τέτοια υλικά πρόσμιξης καλούνται αποδέκτες. Το άτομο υλικού πρόσμιξης δέχεται ένα ηλεκτρόνιο, προκαλώντας την απώλεια ενός δεσμού από το γειτονικό άτομο και με συνέπεια το σχηματισμό μιας "τρύπασ". Κάθε τρύπα συνδέεται με ένα κοντινό αρνητικός- negative-charged ιόν υλικού πρόσμιξης, και ο ημιαγωγός παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερος συνολικά. Εντούτοις, μόλις περιπλανηθεί μακριά κάθε τρύπα στο δικτυωτό πλέγμα, ένα πρωτόνιο στο άτομο στη θέση της τρύπας "θα εκτεθεί" και δεν θα ακυρωθεί πλέον από ένα ηλεκτρόνιο. Για αυτόν τον λόγο μια τρύπα συμπεριφέρεται ως ποσότητα θετικής δαπάνης. Όταν ένας αρκετά μεγάλος αριθμός ατόμων αποδεκτών προστίθεται, οι τρύπες ξεπερνούν αριθμητικώς πολύ θερμικά -συγκινημένος ηλεκτρόνια. Κατά συνέπεια, οι τρύπες είναι μεταφορείς πλειοψηφίας, ενώ τα ηλεκτρόνια είναι μεταφορείς μειονότητας στα υλικά π-τύπων. Μπλε διαμάντια (Τύπος IIb), όποιοι περιέχουν βόριο (B) ακαθαρσίες, είναι ένα παράδειγμα ενός ημιαγωγού π-τύπων φυσικά εμφάνισης.

Συγκεντρώσεις μεταφορέων

Όταν ένας ημιαγωγός ναρκώνεται, η συγκέντρωση μεταφορέων πλειοψηφίας της υπερβαίνει την εγγενή συγκέντρωση μεταφορέων από έναν παράγοντα που εξαρτάται από το επίπεδο νάρκωσης. Εντούτοις, το προϊόν των συγκεντρώσεων μεταφορέων πλειοψηφίας και μειονότητας συνεχίζει να είναι ίσο με το τετράγωνο της intrisic συγκέντρωσης μεταφορέων. Παραδείγματος χάριν, εξετάστε έναν εγγενή ημιαγωγό σε μια θερμοκρασία έτσι ώστε η συγκέντρωση μεταφορέων της (τρύπα και ηλεκτρόνιο) είναι 1013/εκατ.3. Εάν αυτό ν-ναρκώνεται σε 1016/εκατ.3, κατόπιν η συγκέντρωση τρυπών θα είναι 1010/εκατ.3. Προκύπτει επίσης από αυτό ότι οι συγκεντρώσεις μεταφορέων μειονότητας στους ναρκωμένους ημιαγωγούς εξαρτώνται από τη θερμοκρασία στο τετράγωνο του βαθμού ότι οι συγκεντρώσεις μεταφορέων στους εγγενείς ημιαγωγούς είναι, από το μεταφορέα πλειοψηφίας η συγκέντρωση καθορίζεται αποτελεσματικά στο επίπεδο νάρκωσης.

Συνδέσεις PN

Α σύνδεση PN μπορέστε να δημιουργηθείτε με τη νάρκωση των παρακείμενων περιοχών ενός ημιαγωγού με π-τύπος και ν-τύπος υλικά πρόσμιξης. Εάν μια θετική προκατειλημμένη τάση τοποθετείται από την πλευρά π-τύπων, οι κυρίαρχοι θετικοί μεταφορείς (τρύπες) ωθούνται προς τη σύνδεση. Συγχρόνως, οι κυρίαρχοι αρνητικοί μεταφορείς (ηλεκτρόνια) στο υλικό ν-τύπων προσελκύονται προς τη σύνδεση. Δεδομένου ότι υπάρχει μια αφθονία μεταφορέων στη σύνδεση, η σύνδεση συμπεριφέρεται ως αγωγός, και η τάση που τοποθετείται ρεύμα πέρα από τη σύνδεση παράγει ένα. Δεδομένου ότι τα σύννεφα των τρυπών και των ηλεκτρονίων αναγκάζονται να επικαλύψουν, τα ηλεκτρόνια περιέρχονται στις τρύπες και γίνονται μέρος του πληθυσμού των ακίνητων ομοιοπολικών δεσμών. Εντούτοις, εάν η προκατειλημμένη πολικότητα αντιστρέφεται, οι τρύπες και τα ηλεκτρόνια τραβιούνται μακρυά από τη σύνδεση. Από μόνο πολύ λίγους νέο ηλεκτρόνιο/τα ζευγάρια τρυπών δημιουργούνται στη σύνδεση, οι υπάρχοντες κινητοί μεταφορείς σκουπίζονται μακριά για να αφήσουν το α ζώνη μείωσης μια περιοχή του σχετικά non-conducting πυριτίου. Η αντίστροφη προκατειλημμένη τάση θα παραγάγει μόνο ένα πολύ χαμηλό ρεύμα πέρα από τη σύνδεση. Η σύνδεση PN είναι η βάση μιας ηλεκτρονικής συσκευής αποκαλούμενης α δίοδος, όποιος επιτρέπει στις ηλεκτρικές δαπάνες για να ρεύσει μόνο σε μια κατεύθυνση. Ομοίως, μια τρίτη περιοχή ημιαγωγών μπορεί να είναι ναρκωμένος ν-τύπος ή π-τύπος για να διαμορφώσει μια τρεις-τελική συσκευή, όπως διπολική κρυσταλλολυχνία συνδέσεων (που μπορεί να είναι είτε π-ν-π είτε ν-π-ν).

Απαραίτητες αγνότητα και τελειότητα των υλικών ημιαγωγών

Ημιαγωγοί με προβλέψιμο, οι αξιόπιστες ηλεκτρονικές ιδιότητες είναι απαραίτητες για μαζική παραγωγή. Το επίπεδο της χημικής καθαρότητας που απαιτείται είναι εξαιρετικά υψηλό επειδή η παρουσία ακαθαρσιών ακόμη και στις πολύ μικρές αναλογίες μπορεί να έχει τα μεγάλα αποτελέσματα στις ιδιότητες του υλικού. Ένας υψηλός βαθμός κρυστάλλινης τελειότητας απαιτείται επίσης, από τα ελαττώματα στη δομή κρυστάλλου (όπως εξαρθρώσεις, δίδυμα, και συσσωρεύοντας τα ελαττώματα) παρεμποδίστε τις ημιαγωγικές ιδιότητες του υλικού. Τα κρυστάλλινα ελαττώματα είναι μια σημαντική αιτία των ελαττωματικών συσκευών ημιαγωγών. Όσο μεγαλύτερο το κρύσταλλο, δυσκολότερο είναι να επιτευχθεί η απαραίτητη τελειότητα. Τρέχον κρύσταλλο χρήσης διαδικασιών μαζικής παραγωγής πλινθώματα μεταξύ τεσσάρων και δώδεκα ιντσών στη διάμετρο που αυξάνονται ως κύλινδροι και τεμαχίζονται γκοφρέτες.

Λόγω του απαραίτητου επιπέδου της χημικής καθαρότητας, και η τελειότητα της δομής κρυστάλλου που απαιτείται για να κάνει τις συσκευές ημιαγωγών, οι ειδικές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για να παραγάγουν το αρχικό υλικό ημιαγωγών. Μια τεχνική για την υψηλή αγνότητα περιλαμβάνει την ανάπτυξη της χρησιμοποίησης κρυστάλλου Διαδικασία Czochralski. Ένα πρόσθετο βήμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην αγνότητα περαιτέρω αύξησης είναι γνωστό όπως καθαρισμός ζώνης. Στον καθαρισμό ζώνης, μέρος ενός στερεού κρυστάλλου λειώνουν. Οι ακαθαρσίες τείνουν να συγκεντρωθούν στη λειωμένη περιοχή, ενώ το επιθυμητό υλικό η αναχώρηση του στερεού υλικού καθαρότερου και με λιγότερα κρυστάλλινα ελαττώματα.

Δείτε επίσης

Κάλυψη των τομέων

Sub-fields

Έννοιες

Αναφορές

  • Yu, Θ*Πετερ Y. Cardona, Manuel (2004). Βασικές αρχές των ημιαγωγών: Φυσική και ιδιότητες υλικών, Αλτης. ISBN 3540413235.
  • Sze, Simon M. (1981). Φυσική των συσκευών ημιαγωγών (οι 2$οι ΕΔ.), Θ*Ιοχν Wiley και γιοι (WIE). ISBN 0471056618.
  • Turley, Jim (2002). Ο ουσιαστικός οδηγός για τους ημιαγωγούς, Αίθουσα PTR Prentice. ISBN 013046404X.

Εξωτερικές συνδέσεις


Γενικά subfields μέσα φυσική

Ατομικός, μοριακός, και οπτική φυσική | Κλασσικοί μηχανικοί | Συμπυκνωμένη φυσική θέματος | Μηχανικοί συνέχειας | Ηλεκτρομαγνητισμός | Γενική σχετικότητα | Φυσική μορίων | Κβαντική θεωρία τομέων | Κβαντικοί μηχανικοί | Ειδική σχετικότητα | Στατιστικοί μηχανικοί | Θερμοδυναμική

 

  > Ελληνικά > en.wikipedia.org (Μηχανή που μεταφράζεται στα ελληνικά)