Mga Batayan sa Pag-aaral ng Semiconductors

Sa post na ito, malalaman naming malalaman ang tungkol sa pangunahing mga prinsipyo ng pagtatrabaho ng mga aparatong semiconductor, at kung paano gumana ang panloob na istraktura ng semiconductors sa ilalim ng impluwensya ng kuryente.

Ang halaga ng resistivity sa pagitan ng mga materyales na semiconductor na ito ay walang kumpletong katangian ng conductor o isang kumpletong insulator, nasa pagitan ito ng dalawang mga limitasyong ito.

Ang tampok na ito ay maaaring tukuyin ang pag-aari ng semiconductor ng materyal, subalit magiging kagiliw-giliw na malaman kung paano gumagana ang isang semiconductor sa pagitan ng isang conductor at isang insulator.

Paglaban

Ayon sa Batas ng Ohm, ang paglaban ng elektrikal ng isang elektronikong aparato ay tinukoy bilang ang ratio ng potensyal na pagkakaiba sa kabuuan ng bahagi sa kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng bahagi.

Ngayon ang paggamit ng pagsukat ng paglaban ay maaaring magdulot ng isang problema, ang mga halaga nito ay nagbabago habang ang pisikal na sukat ng mga materyal na resistive ay nagbabago.

Halimbawa kapag ang isang resistive na materyal ay nadagdagan ang haba, ang halaga ng paglaban ay tumataas din nang proporsyonal.
Katulad nito, kapag nadagdagan ng kapal nito ang halaga ng paglaban ay bumababa nang proporsyonal.

Ang pangangailangan dito ay upang tukuyin ang isang materyal na maaaring magpahiwatig ng isang pag-aari ng alinman sa isang pagpapadaloy o pagsalungat sa kasalukuyang kuryente anuman ang laki, hugis o pisikal na hitsura nito.

Ang laki para sa pagpapahayag ng partikular na halaga ng paglaban na ito ay kilala bilang Resistivity, na mayroong synbol ρ, (Rho)

Ang yunit ng pagsukat para sa resistivity ay Ohm-meter (Ω.m), at maaari itong maunawaan bilang isang parameter na kabaligtaran ng conductivity.

Upang makuha ang mga paghahambing sa pagitan ng resistivities ng maraming mga materyales, ang mga ito ay inuri sa 3 pangunahing mga kategorya: Conductor, Insulator, at Semi-conductor. Ang tsart sa ibaba ay nagbibigay ng kinakailangang mga detalye:

Tulad ng nakikita mo sa nasa itaas na pigura, mayroong isang bale-wala na pagkakaiba sa paglaban ng mga conductor tulad ng ginto at pilak samantalang, maaaring may isang malaking halaga ng pagkakaiba sa resistivity sa mga insulator tulad ng quartz at baso.

Ito ay dahil sa kanilang tugon sa temperatura ng paligid na gumagawa ng mga metal na napakahusay na conductor kaysa sa mga insulator

Conductor

Mula sa tsart sa itaas nauunawaan namin na ang mga conductor ay may hindi bababa sa dami ng resistivity, na maaaring karaniwang sa microohms / meter.

Dahil sa kanilang mababang resistivity kasalukuyang elektrisidad ay madaling dumaan sa kanila, dahil sa pagkakaroon ng isang malaking halaga ng mga electron.

Gayunpaman ang mga electron na ito ay maaaring itulak lamang kapag ang kanilang presyon ay sa kabuuan ng conductor, at ang presyon na ito ay maaaring mabuo a sa pamamagitan ng paglalapat ng boltahe sa conductor.

Samakatuwid, kapag ang isang konduktor ay inilapat na may positibo / negatibong potensyal na pagkakaiba, ang mga libreng elektron ng bawat atomo ng conductor ay pinipilit na mawala mula sa kanilang mga atomo ng magulang at nagsisimulang umanod sa loob ng conductor, at karaniwang kilala bilang daloy ng kasalukuyang .

Ang antas kung saan makakilos ang mga electron na ito ay nakasalalay sa kung gaano kadali sila mapapalaya mula sa kanilang mga atomo, bilang tugon sa pagkakaiba-iba ng boltahe.

Ang mga metal ay karaniwang itinuturing na mahusay na conductor ng kuryente, at kabilang sa mga metal, ginto, pilak, tanso, at aluminyo ang pinakamahusay na konduktor nang maayos.

Dahil ang mga conductor na ito ay may napakakaunting mga electron sa valence band ng kanilang mga atoms, madali silang napalayo ng isang potensyal na pagkakaiba at nagsimula silang tumalon mula sa isang atom hanggang sa susunod na atom sa pamamagitan ng proseso na tinatawag na 'Domino Effect', na nagreresulta sa isang daloy ng kasalukuyang tumatawid ang konduktor

Kahit na ang ginto at pilak ay ang pinakamahusay na conductor ng kuryente, ang tanso at aluminyo ay ginustong para sa paggawa ng mga wire at cable dahil sa kanilang mababang gastos at kasaganaan, at pati na rin ang kanilang pisikal na katatagan.

Sa kabila ng katotohanang ang tanso at aluminyo ay mahusay na conductor ng kuryente, mayroon pa rin silang kaunting paglaban, sapagkat walang maaaring maging 100% perpekto.

Kahit na maliit ang paglaban na inaalok ng mga conductor na ito ay maaaring makakuha ng makabuluhang sa application ng mas mataas na alon. Sa paglaon ang paglaban sa mas mataas na kasalukuyang sa mga konduktor na ito ay nawala bilang init.

Mga insulator

Taliwas sa mga conductor, ang insulator ay masamang conductor ng kuryente. Karaniwan ito sa anyo ng mga di-metal at may napakakaunting mahina o libreng mga elektron sa kanilang mga atomo ng magulang.

Ibig sabihin ang mga electron ng mga hindi metal na ito ay mahigpit na pinagbuklod sa kanilang mga atomo ng magulang, na kung saan ay lubhang mahirap iwaksi sa paggamit ng boltahe.

Dahil sa tampok na ito, kapag inilapat ang boltahe ng kuryente ang mga electron ay nabigo upang lumayo mula sa mga atomo na nagreresulta sa walang daloy ng mga electron at samakatuwid walang nagaganap na pagpapadaloy.

Ang pag-aari na ito ay humahantong sa napakataas na halaga ng paglaban sa insulator, sa pagkakasunud-sunod ng maraming milyong Ohms.

Ang mga materyales tulad ng baso, marmol, PVC, plastik, kuwarts, goma, mika, bakelite ay mga halimbawa ng magagaling na insulator.

Tulad ng konduktor, pantay na may papel ang mga insulator sa pag-file ng electronics. Kung walang insulator ay imposibleng ihiwalay ang mga pagkakaiba sa boltahe sa mga yugto ng circuit, na humahantong sa mga maikling circuit.

Halimbawa nakikita natin ang paggamit ng porselana at baso sa mga mataas na tensyon na tore para sa paglilipat ng kuryente ng AC na ligtas sa mga kable. Sa mga wire ginagamit namin ang PVC para sa insulated positibo, negatibong mga terminal, at sa mga PCB ginagamit namin ang Bakelite upang ihiwalay ang mga tanso na tanso mula sa bawat isa.

Mga Pangunahing Kaalaman ng Semiconductors

Ang mga materyales tulad ng silicon (Si), germanium (Ge) at Gallium arsenide ay nasa ilalim ng pangunahing mga materyales na semiconductor. Ito ay sapagkat ang mga materyal na ito ay may katangian ng pagsasagawa ng kuryente nang pansamantala na nagbibigay ng alinman sa tamang pagpapadaloy o tamang pagkakabukod. Dahil sa pag-aari na ito ang mga materyal na ito ay pinangalanan bilang semiconductors.

Ang mga materyales na ito ay nagpapakita ng napakakaunting mga libreng electron sa kanilang mga atomo, na mahigpit na nakapangkat sa isang mala-kristal na uri ng lattice ng pormasyon. Gayunpaman, ang mga electron ay makakakuha ng dislodged at daloy, ngunit kapag nagtatrabaho lamang ng mga partikular na kondisyon.

Nasabi ito, naging posible upang mapahusay ang rate ng pagpapadaloy sa semiconductor na ito sa pamamagitan ng pagpapakilala o pagpapalit ng ilang uri ng 'donor' o 'acceptor' na mga atom sa mala-kristal na layout, na nagbibigay-daan sa pagpapalabas ng labis na 'mga libreng electron' at 'hole' o vice kabaliktaran

Ito ay ipinatupad sa pamamagitan ng pagpapakilala ng isang tiyak na halaga ng isang panlabas na materyal sa umiiral na materyal tulad ng silikon o Germanium.

Sa pamamagitan nito, ang mga materyales tulad ng silikon at Germanium ay ikinategorya bilang intrinsic semiconductors, dahil sa kanilang matinding dalisay na likas na kemikal, at pagkakaroon ng kumpletong semiconductive material.

Nangangahulugan din ito na, sa pamamagitan ng paglalapat ng isang kontroladong halaga ng karumihan sa kanila, natutukoy namin ang rate ng pagpapadaloy sa mga intrinsikong materyal na ito.

Maaari naming ipakilala ang mga uri ng mga impurities na tinutukoy bilang mga donor o tumatanggap sa mga materyal na ito upang mapahusay ang mga ito ng alinman sa mga libreng elektron o mga libreng butas.

Sa mga prosesong ito kapag ang isang karumihan ay idinagdag sa isang intrinsic na materyal sa proporsyon ng 1 impurity atom bawat 10 milyong semiconductor material na atom, ito ay tinatawag na Doping .

Sa pagpapakilala ng sapat na karumihan, ang isang materyal na semiconductor ay maaaring mabago sa isang materyal na N-uri o P-Type.

Ang silicon ay kabilang sa pinakatanyag na materyal na semiconductor, pagkakaroon ng 4 na mga electron ng valence sa kabuuan ng pinakadulo nitong shell, at napapaligiran din ng mga magkadugtong na atomo na bumubuo ng isang kabuuang orbit ng 8 electron.

Ang bonding sa pagitan ng dalawang mga atom ng silikon ay nabuo sa isang paraan, na pinapayagan ang pagbabahagi ng isang electron kasama ang magkadugtong na atom, na humahantong sa isang mahusay na matatag na bonding.

Sa dalisay na anyo nito ang isang kristal na silikon ay maaaring may napakakaunting mga libreng valence electron, na iniuugnay ang mga katangian ng isang mahusay na insulator, pagkakaroon ng matinding mga halaga ng paglaban.

Ang pagkonekta ng isang materyal na silikon sa isang potensyal na pagkakaiba ay hindi makakatulong sa anumang pagpapadaloy sa pamamagitan nito, maliban kung ang ilang uri ng positibo o negatibong polarities ay nilikha dito.

At upang lumikha ng mga nasabing polarities, ang proseso ng Doping ay ipinatupad sa mga materyal na ito sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga impurities tulad ng tinalakay sa mga nakaraang talata.

Pag-unawa sa Kayarian ng Silicon Atom

Sa mga imaheng nasa itaas nakikita natin kung paano ang istraktura ng isang regular na purong silicon crystal lattice. Para sa karumihan, karaniwang mga materyales tulad ng Arsenic, Antimony o Phosphorous ay ipinakilala sa loob ng mga kristal na semiconductor na ginagawang extrinsic, nangangahulugang 'pagkakaroon ng mga impurities'.

Ang mga nabanggit na impurities ay binubuo ng 5 electron sa kanilang pinakamalabas na banda na kilala bilang 'Pentavalent' impurity, para sa pagbabahagi sa kanilang magkadugtong na mga atomo.
Tinitiyak nito na 4 sa 5 mga atomo ay maaaring sumali sa magkadugtong na mga atom ng silikon, hindi kasama ang isang solong 'libreng elektron' na maaaring mapalaya kapag ang isang boltahe ng kuryente ay konektado.

Sa prosesong ito, dahil ang mga karumihan na atomo ay nagsisimulang 'magbigay' sa bawat electron sa kanilang kalapit na atomo, ang mga atom na 'Pentavalent' ay pinangalanan bilang 'mga donor'.

Paggamit ng Antimony para sa Doping

Ang Antimony (Sb) at Phosphorous (P) ay madalas na naging pinakamahusay na pagpipilian para sa pagpapakilala ng 'Pentavalent' na karumihan sa silikon.

Sa Antimony 51 mga electron ay naka-setup sa 5 mga shell sa paligid ng nucleus nito, habang ang pinakalabas na banda ay binubuo ng 5 electron.
Dahil dito, ang pangunahing materyal na semiconductor ay makakakuha ng karagdagang mga kasalukuyang nagdadala ng mga electron, na ang bawat isa ay naiugnay sa isang negatibong singil. Samakatuwid ito ay pinangalanang 'N-uri na materyal'.

Gayundin, ang mga electron ay pinangalanan bilang 'Majority Carriers' at ang mga butas na bubuo pagkatapos ay tinatawag na 'Minority Carriers'.

Kapag ang isang Antimony doped semiconductor ay napailalim sa isang potensyal na de-kuryente, ang mga electron na nangyayari na natumba ay agad na pinalitan ng mga libreng electron mula sa mga atom ng Antimony. Gayunpaman, dahil ang proseso sa kalaunan ay nagpapanatili ng isang libreng elektron na lumulutang sa loob ng doped crystal, sanhi ito upang maging isang materyal na negatibong singilin.

Sa kasong ito, ang isang semiconductor ay maaaring tinatawag na isang uri ng N kung mayroon itong density ng donor na mas mataas kaysa sa density ng tatanggap nito. Nangangahulugan kung mayroong mas mataas na bilang ng mga libreng electron kumpara sa bilang ng mga butas, na nagiging sanhi ng isang negatibong polariseysyon, tulad ng ipinahiwatig sa ibaba.

Pag-unawa sa P-Type Semiconductor

Kung isinasaalang-alang namin ang sitwasyon nang kabaligtaran, ipinakikilala ang isang 3 electron 'Trivalent' impurity sa isang semiconductor crystal, halimbawa kung ipinakilala namin ang aluminyo, boron, o indium, na naglalaman ng 3 mga electron sa kanilang valence bond, samakatuwid ang isang ika-4 na bono ay naging imposibleng mabuo.

Dahil dito ang isang masusing koneksyon ay naging mahirap, na pinapayagan ang semiconductor na magkaroon ng maraming mga positibong sisingilin na mga carrier. Ang mga carrier na ito ay tinatawag na 'hole' sa buong semiconductor lattice, dahil sa isang buong maraming nawawalang mga electron.

Ngayon, dahil sa pagkakaroon ng mga butas sa silicon crystal, isang kalapit na elektron ang naaakit sa butas, sinusubukang punan ang puwang. Gayunpaman, sa lalong madaling subukan ng mga electron na gawin ito, ibinabawas nito ang posisyon nito na lumilikha ng isang bagong butas sa dating posisyon nito.

Ito naman ay umaakit sa susunod na malapit na electron, na muling umalis ng isang bagong butas habang sinusubukang sakupin ang susunod na butas. Ang proseso ay nagpapatuloy sa pagbibigay ng isang impression na talagang ang mga butas ay gumagalaw o dumadaloy sa buong semiconductor, na sa pangkalahatan ay kinikilala natin bilang maginoo na pattern ng daloy ng kasalukuyang.

Habang ang 'mga butas ay lilitaw upang ilipat' ay nagbibigay ng isang kakulangan ng mga electron na nagpapahintulot sa buong doped kristal na makakuha ng isang positibong polarity.

Dahil ang bawat atom na impurity ay naging responsable para sa pagbuo ng isang butas, ang mga trivalent impurities na ito ay tinatawag na 'Acceptors' dahil sa ang katunayan na ang mga ito ay patuloy na tumatanggap ng mga libreng electron na patuloy sa proseso.
Ang Boron (B) ay isa sa mga walang kabuluhan na additives na sikat na ginagamit para sa ipinaliwanag sa itaas na proseso ng pag-doping.

Kapag ang boron ay ginamit bilang isang materyal na pag-doping, sanhi ito ng pagpapadaloy sa pangunahin na may positibong sisingilin na mga tagadala.
Nagreresulta ito sa paglikha ng materyal na uri ng P na may positibong mga butas na tinatawag na 'Majority carriers', habang ang mga libreng electron ay tinatawag na 'Minority carriers'.

Ipinapaliwanag nito kung paano ang isang materyal na base ng semiconductor ay naging isang uri ng P dahil sa isang mas mataas na density ng mga atomo ng tumatanggap nito kumpara sa mga atomo ng donor.

Paano ginagamit ang Boron para sa Doping

Pagbubuod ng Mga Pangunahing Kaalaman sa Semiconductors

N-Type Semiconductor (Doped na may Pentavalent Impurity tulad ng halimbawa ng Antimony)

Ang mga naturang semiconductors na na-doped ng mga atomo ng impurities ng Pentavalent ay tinatawag na Donors, dahil nagpapakita sila ng conduction sa pamamagitan ng paggalaw ng mga electron at samakatuwid sila ay tinatawag na N-Type Semiconductors.
Sa N-type Semiconductor makikita namin:

1. Positibong singil ng mga Donor
2. Masaganang bilang ng mga libreng electron
3. Medyo mas maliit na bilang ng mga 'hole' kumpara sa 'mga libreng electron'
4. Bilang resulta ng pag-doping, nilikha ang mga donor na positibong sisingilin at negatibong sisingilin na libreng mga elektron.
5. Ang aplikasyon ng isang potensyal na pagkakaiba ay nagreresulta sa pagbuo ng mga negatibong sisingilin electron at positibong sisingilin ng mga butas.

P-Type Semiconductor (Doped na may isang Trivalent Impurity tulad ng Boron halimbawa)

Ang mga naturang semiconductors na na-doped ng Trivalent impurity atoms ay tinatawag na Acceptors, dahil nagpapakita sila ng conduction sa pamamagitan ng paggalaw ng mga butas at samakatuwid sila ay tinatawag na P-Type Semiconductors.
Sa N-type Semiconductor makikita namin:

1. Mga negatibong sisingilin na Mga Tanggap
2. Masaganang dami ng mga butas
3. Medyo mas maliit na bilang ng mga libreng electron kumpara sa pagkakaroon ng mga butas.
4. Ang mga pagkopya ay nagreresulta sa paglikha ng mga tumatanggap ng negatibong pagsingil, at positibong sisingilin ng mga butas.
5. Ang paglalapat ng isang boltahe na isinampa ay sanhi ng pagbuo ng mga butas na positibong sisingilin at negatibong sisingilin na mga libreng elektron.

Sa pamamagitan nito, ang uri ng P at N na semiconductors ay nangyayari na walang kinikilingan sa electrically, natural.
Karaniwan, ang Antimony (Sb) at Boron (B) ay ang dalawang mga materyales na ginagamit bilang mga miyembro ng doping dahil sa kanilang kasagarang kakayahang magamit. Ito ay pinangalanan din bilang 'mettaloids'.

Nasabi ito, kung titingnan mo ang pana-panahong talahanayan, mahahanap mo ang maraming iba pang mga katulad na materyales na mayroong 3 o 5 mga electron sa kanilang pinakamalakas na atomic band. Ipinapahiwatig nito, ang mga materyal na ito ay maaari ding maging angkop para sa layunin ng pag-doping.
Periodic table