Βασικά στοιχεία εκμάθησης ημιαγωγών

Σε αυτήν την ανάρτηση μαθαίνουμε διεξοδικά σχετικά με τις θεμελιώδεις αρχές λειτουργίας των συσκευών ημιαγωγών και τον τρόπο λειτουργίας της εσωτερικής δομής των ημιαγωγών υπό την επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος.

Η τιμή αντίστασης μεταξύ αυτών των υλικών ημιαγωγών ούτε έχει ένα πλήρες χαρακτηριστικό αγωγού ούτε έναν πλήρη μονωτήρα, βρίσκεται ανάμεσα σε αυτά τα δύο όρια.

Αυτή η δυνατότητα μπορεί να ορίσει την ιδιότητα του ημιαγωγού του υλικού, ωστόσο θα ήταν ενδιαφέρον να γνωρίζουμε πώς λειτουργεί ένας ημιαγωγός μεταξύ ενός αγωγού και ενός μονωτή.

Ανθεκτικότητα

Σύμφωνα με τον νόμο του Ohm, η ηλεκτρική αντίσταση μιας ηλεκτρονικής συσκευής ορίζεται ως ο λόγος της διαφοράς δυναμικού μεταξύ του εξαρτήματος προς το ρεύμα που ρέει μέσω του εξαρτήματος.

Τώρα χρησιμοποιώντας τη μέτρηση αντίστασης μπορεί να δημιουργήσει ένα πρόβλημα, η τιμή του αλλάζει καθώς αλλάζει η φυσική διάσταση του αντιστατικού υλικού.

Για παράδειγμα, όταν ένα ανθεκτικό υλικό αυξάνεται σε μήκος, η τιμή αντίστασης του αυξάνεται επίσης αναλογικά.
Ομοίως, όταν αυξάνεται το πάχος του, η τιμή αντίστασης μειώνεται αναλογικά.

Η ανάγκη εδώ είναι να ορίσουμε ένα υλικό το οποίο μπορεί να υποδεικνύει μια ιδιότητα είτε αγωγιμότητας είτε αντίθεσης στο ηλεκτρικό ρεύμα ανεξάρτητα από το μέγεθος, το σχήμα ή τη φυσική του εμφάνιση.

Το μέγεθος της έκφρασης αυτής της συγκεκριμένης τιμής αντίστασης είναι γνωστό ως Resistivity, το οποίο έχει το σύμβολο ρ, (Rho)

Η μονάδα μέτρησης της αντίστασης είναι Ohm-meter (Ω.m) και μπορεί να γίνει κατανοητή ως παράμετρος που αντιστρέφει την αγωγιμότητα.

Προκειμένου να γίνουν οι συγκρίσεις μεταξύ της αντίστασης πολλών υλικών, αυτές ταξινομούνται σε 3 κύριες κατηγορίες: Αγωγοί, Μονωτές και Ημιαγωγοί. Το παρακάτω διάγραμμα παρέχει τις απαιτούμενες λεπτομέρειες:

Όπως μπορείτε να δείτε στο παραπάνω σχήμα, υπάρχει μια αμελητέα διαφορά στην αντίσταση των αγωγών όπως ο χρυσός και το ασήμι, ενώ, μπορεί να υπάρχει σημαντική διαφορά στην αντίσταση μεταξύ των μονωτών όπως ο χαλαζίας και το γυαλί.

Αυτό οφείλεται στην απόκρισή τους στη θερμοκρασία περιβάλλοντος που καθιστά τα μέταλλα πολύ αποτελεσματικούς αγωγούς από τους μονωτές

Αγωγοί

Από το παραπάνω γράφημα καταλαβαίνουμε ότι οι αγωγοί έχουν τη μικρότερη ποσότητα αντίστασης, η οποία μπορεί να είναι τυπικά σε microohms / meter.

Λόγω της χαμηλής αντίστασης τους, το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να τα περάσει εύκολα, λόγω της διαθεσιμότητας μεγάλης ποσότητας ηλεκτρονίων.

Ωστόσο, αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να ωθούνται μόνο όταν είναι πίεση διαμέσου του αγωγού και αυτή η πίεση μπορεί να σχηματιστεί με την εφαρμογή τάσης στον αγωγό.

Έτσι, όταν ένας αγωγός εφαρμόζεται με θετική / αρνητική διαφορά δυναμικού, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κάθε ατόμου του αγωγού αναγκάζονται να αποκολληθούν από τα γονικά τους άτομα και αρχίζουν να παρασύρονται μέσα στον αγωγό και είναι γενικά γνωστό ως ροή ρεύματος .

Ο βαθμός στον οποίο αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται εξαρτάται από το πόσο εύκολα μπορούν να απελευθερωθούν από τα άτομα τους, ως απόκριση σε μια διαφορά τάσης.

Τα μέταλλα θεωρούνται γενικά καλοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας, και μεταξύ των μετάλλων, ο χρυσός, ο ασήμι, ο χαλκός και το αλουμίνιο είναι οι καλύτεροι αγωγοί με τάξη.

Δεδομένου ότι αυτοί οι αγωγοί έχουν πολύ λίγα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους των ατόμων τους, αποσυνδέονται εύκολα από μια πιθανή διαφορά και αρχίζουν να πηδούν από το ένα άτομο στο επόμενο άτομο μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται «Domino Effect», με αποτέλεσμα μια ροή ρεύματος ο αγωγός.

Αν και ο χρυσός και το ασήμι είναι οι καλύτεροι αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας, ο χαλκός και το αλουμίνιο προτιμώνται για την κατασκευή καλωδίων και καλωδίων λόγω του χαμηλού κόστους και της αφθονίας τους, καθώς και της φυσικής τους αντοχής.

Παρά το γεγονός ότι ο χαλκός και το αλουμίνιο είναι καλοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας, εξακολουθούν να έχουν κάποια αντίσταση, γιατί τίποτα δεν μπορεί να είναι 100% ιδανικό.

Αν και μικρή, η αντίσταση που προσφέρεται από αυτούς τους αγωγούς μπορεί να γίνει σημαντική με την εφαρμογή υψηλότερων ρευμάτων. Τελικά η αντίσταση στο υψηλότερο ρεύμα σε αυτούς τους αγωγούς διαλύεται ως θερμότητα.

Μονωτές

Σε αντίθεση με τους αγωγούς, ο μονωτής είναι κακοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτά είναι γενικά με τη μορφή μη μετάλλων και έχουν πολύ λίγα ευάλωτα ή ελεύθερα ηλεκτρόνια με τα γονικά τους άτομα.

Δηλαδή τα ηλεκτρόνια αυτών των μη μετάλλων συνδέονται στενά με τα γονικά τους άτομα, τα οποία είναι εξαιρετικά δύσκολο να αποσπαστούν με την εφαρμογή τάσης.

Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση τα ηλεκτρόνια αποτυγχάνουν να απομακρυνθούν από τα άτομα με αποτέλεσμα να μην υπάρχει ροή ηλεκτρονίων και συνεπώς να μην πραγματοποιείται αγωγιμότητα.

Αυτή η ιδιότητα οδηγεί σε πολύ υψηλή τιμή αντίστασης στον μονωτή, της τάξης των πολλών εκατομμυρίων Ohms.

Υλικά όπως γυαλί, μάρμαρο, PVC, πλαστικά, χαλαζία, καουτσούκ, μαρμαρυγία, βακελίτης είναι παραδείγματα καλών μονωτών.

Ακριβώς όπως και ο αγωγός, οι μονωτές παίζουν εξίσου σημαντικό ρόλο στην αρχειοθέτηση ηλεκτρονικών. Χωρίς μονωτή θα ήταν αδύνατο να απομονωθούν οι διαφορές τάσης στα στάδια του κυκλώματος, οδηγώντας σε βραχυκύκλωμα.

Για παράδειγμα, βλέπουμε τη χρήση πορσελάνης και γυαλιού σε πύργους υψηλής τάσης για την ασφαλή μετάδοση ισχύος AC στα καλώδια. Στα καλώδια χρησιμοποιούμε PVC για τη μόνωση θετικών, αρνητικών ακροδεκτών και στα PCB χρησιμοποιούμε το Bakelite για να απομονώσουμε τα κομμάτια χαλκού το ένα από το άλλο.

Βασικά στοιχεία των ημιαγωγών

Υλικά όπως το πυρίτιο (Si), το γερμάνιο (Ge) και το αρσενίδιο Gallium εμπίπτουν στα βασικά υλικά ημιαγωγών. Επειδή αυτά τα υλικά έχουν το χαρακτηριστικό της αγωγιμότητας ηλεκτρικής ενέργειας ενδιάμεσα που δεν προκαλεί σωστή αγωγιμότητα ούτε σωστή μόνωση. Λόγω αυτής της ιδιότητας, αυτά τα υλικά ονομάζονται ημιαγωγοί.

Αυτά τα υλικά εμφανίζουν πολύ λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια στα άτομα τους, τα οποία ομαδοποιούνται σφιχτά σε ένα κρυσταλλικό είδος πλέγματος. Ακόμα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να αποκολληθούν και να ρέουν, αλλά μόνο όταν χρησιμοποιούνται συγκεκριμένες συνθήκες.

Τούτου λεχθέντος, καθίσταται δυνατή η αύξηση του ρυθμού αγωγιμότητας σε αυτούς τους ημιαγωγούς εισάγοντας ή αντικαθιστώντας κάποιο είδος ατόμων «δότη» ή «δέκτη» στην κρυσταλλική διάταξη, επιτρέποντας την απελευθέρωση επιπλέον «ελεύθερων ηλεκτρονίων» και «οπών» ή κακίας αντίστροφα.

Αυτό υλοποιείται με την εισαγωγή ορισμένης ποσότητας εξωτερικού υλικού στο υπάρχον υλικό όπως το πυρίτιο ή το γερμανικό.

Από μόνη της, υλικά όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο κατηγοριοποιούνται ως εγγενείς ημιαγωγοί, λόγω της ακραίας καθαρής χημικής τους φύσης και της παρουσίας πλήρους ημιαγώγιμου υλικού.

Αυτό σημαίνει επίσης ότι, εφαρμόζοντας μια ελεγχόμενη ποσότητα ακαθαρσίας σε αυτά, είμαστε σε θέση να προσδιορίσουμε το ρυθμό αγωγής σε αυτά τα εγγενή υλικά.

Μπορούμε να εισαγάγουμε τύπους ακαθαρσιών που αναφέρονται ως δότες ή αποδέκτες σε αυτά τα υλικά για να τις ενισχύσουμε είτε με ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε με ελεύθερες οπές.

Σε αυτές τις διεργασίες όταν προστίθεται μια ακαθαρσία σε ένα εγγενές υλικό στην αναλογία 1 ατόμου ακαθαρσίας ανά 10 εκατομμύρια άτομο υλικού ημιαγωγού, ορίζεται ως Ντοπάρισμα .

Με την εισαγωγή επαρκούς ακαθαρσίας, ένα υλικό ημιαγωγού θα μπορούσε να μετατραπεί σε υλικό τύπου Ν ή τύπου Ρ.

Το πυρίτιο είναι ένα από τα πιο δημοφιλή υλικά ημιαγωγών, με 4 ηλεκτρόνια σθένους στο εξώτατο κέλυφος του, και επίσης περιβάλλεται από παρακείμενα άτομα σχηματίζοντας συνολικές τροχιές 8 ηλεκτρονίων.

Η σύνδεση μεταξύ των δύο ατόμων πυριτίου αναπτύσσεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να επιτρέπει την κοινή χρήση ενός ηλεκτρονίου με το παρακείμενο άτομο του, οδηγώντας σε μια καλή σταθερή σύνδεση.

Στην καθαρή του μορφή, ένας κρύσταλλος πυριτίου μπορεί να έχει πολύ λίγα ηλεκτρόνια σθένους, αποδίδοντάς του τις ιδιότητες ενός καλού μονωτή, με ακραίες τιμές αντίστασης.

Η σύνδεση ενός υλικού πυριτίου σε μια πιθανή διαφορά δεν θα βοηθήσει σε καμία αγωγιμότητα μέσω αυτού, εκτός εάν δημιουργηθεί κάποιο είδος θετικής ή αρνητικής πολικότητας σε αυτό.

Και για να δημιουργηθούν τέτοιες πολικότητες, η διαδικασία του Ντόπινγκ εφαρμόζεται σε αυτά τα υλικά προσθέτοντας ακαθαρσίες όπως συζητήθηκε στις προηγούμενες παραγράφους.

Κατανόηση της δομής του πυριτίου Atom

Στις παραπάνω εικόνες βλέπουμε πώς μοιάζει η δομή ενός συνηθισμένου πλέγματος από καθαρό κρύσταλλο πυριτίου. Για την ακαθαρσία, συνήθως υλικά όπως το αρσενικό, το αντιμόνιο ή ο φωσφόρος εισάγονται στους κρυστάλλους ημιαγωγών μετατρέποντάς τα σε εξωγενή, που σημαίνει «έχουν ακαθαρσίες».

Οι προαναφερθείσες ακαθαρσίες αποτελούνται από 5 ηλεκτρόνια στην εξώτατη ζώνη τους γνωστή ως «Pentavalent» ακαθαρσία, για κοινή χρήση με τα παρακείμενα άτομα τους.
Αυτό διασφαλίζει ότι 4 μεταξύ των 5 ατόμων είναι σε θέση να ενώσουν με τα παρακείμενα άτομα πυριτίου, εξαιρουμένου ενός μόνο «ελεύθερου ηλεκτρονίου» που μπορεί να απελευθερωθεί όταν είναι συνδεδεμένη μια ηλεκτρική τάση.

Σε αυτήν τη διαδικασία, επειδή τα ακάθαρτα άτομα αρχίζουν να «δίνουν» κάθε ηλεκτρόνιο στο κοντινό τους άτομο, τα άτομα «Pentavalent» ονομάζονται «δότες».

Χρησιμοποιώντας το Antimony για το ντόπινγκ

Το αντιμόνιο (Sb) και το φώσφορο (P) συχνά γίνονται η καλύτερη επιλογή για την εισαγωγή ακαθαρσιών «Pentavalent» στο πυρίτιο.

Στο Antimony 51 ηλεκτρόνια είναι τοποθετημένα σε 5 κελύφη γύρω από τον πυρήνα του, ενώ η εξώτατη ζώνη της αποτελείται από 5 ηλεκτρόνια.
Λόγω αυτού, το βασικό υλικό ημιαγωγών είναι σε θέση να αποκτήσει επιπλέον ηλεκτρόνια ρεύματος, το καθένα αποδίδεται με αρνητικό φορτίο. Επομένως ονομάζεται «υλικό τύπου Ν».

Επίσης, τα ηλεκτρόνια ονομάζονται «Majority Carriers» και οι οπές που αναπτύσσονται στη συνέχεια ονομάζονται «Minority Carriers».

Όταν ένας ημιαγωγός με νάρκωση αντιμονίου υποβάλλεται σε ηλεκτρικό δυναμικό, τα ηλεκτρόνια που τυχαίνει να χτυπηθούν αντικαθίστανται αμέσως από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια από τα άτομα αντιμονίου. Ωστόσο, δεδομένου ότι η διαδικασία διατηρεί τελικά ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο που επιπλέει εντός του νάρθηκα κρυστάλλου, αυτό το αναγκάζει να είναι ένα αρνητικά φορτισμένο υλικό.

Σε αυτήν την περίπτωση, ένας ημιαγωγός μπορεί να ονομαστεί τύπος Ν εάν έχει πυκνότητα δότη μεγαλύτερη από την πυκνότητα δέκτη. Δηλαδή όταν υπάρχει μεγαλύτερος αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων σε σύγκριση με τον αριθμό των οπών, προκαλώντας αρνητική πόλωση, όπως φαίνεται παρακάτω.

Κατανόηση του ημιαγωγού τύπου P

Εάν εξετάσουμε την κατάσταση αντίστροφα, εισάγοντας μια ακαθαρσία 3 ηλεκτρονίων «Trivalent» σε έναν ημιαγωγό κρύσταλλο, για παράδειγμα εάν εισαγάγουμε αλουμίνιο, βόριο ή ίνδιο, τα οποία περιέχουν 3 ηλεκτρόνια στο δεσμό σθένους τους, επομένως ένας 4ος δεσμός καθίσταται αδύνατος να σχηματιστεί.

Εξαιτίας αυτού, η ενδελεχής σύνδεση καθίσταται δύσκολη, επιτρέποντας στον ημιαγωγό να έχει πολλούς θετικά φορτισμένους φορείς. Αυτοί οι φορείς ονομάζονται «τρύπες» σε ολόκληρο το πλέγμα ημιαγωγών, λόγω πολλών ελλειμμάτων ηλεκτρονίων.

Τώρα, λόγω της παρουσίας οπών στον κρύσταλλο πυριτίου, ένα κοντινό ηλεκτρόνιο προσελκύεται στην τρύπα, προσπαθώντας να γεμίσει την υποδοχή. Ωστόσο, μόλις τα ηλεκτρόνια προσπαθήσουν να το κάνουν αυτό, αδειάζει τη θέση του δημιουργώντας μια νέα τρύπα στην προηγούμενη θέση του.

Αυτό με τη σειρά του προσελκύει το επόμενο κοντινό ηλεκτρόνιο, το οποίο αφήνει και πάλι μια νέα τρύπα ενώ προσπαθεί να καταλάβει την επόμενη τρύπα. Η διαδικασία συνεχίζει να δίνει την εντύπωση ότι στην πραγματικότητα οι τρύπες κινούνται ή ρέουν στον ημιαγωγό, την οποία αναγνωρίζουμε γενικά ως το συμβατικό μοτίβο ροής του ρεύματος.

Καθώς οι «τρύπες φαίνονται να κινούνται» δημιουργείται έλλειψη ηλεκτρονίων που επιτρέπει σε ολόκληρο τον νάρθηκα κρύσταλλο να αποκτήσει θετική πολικότητα.

Δεδομένου ότι κάθε άτομο ακαθαρσίας καθίσταται υπεύθυνο για τη δημιουργία μιας τρύπας, αυτές οι τρισθενείς ακαθαρσίες ονομάζονται «Αποδέκτες» λόγω του γεγονότος ότι αυτοί συνεχίζουν να δέχονται ελεύθερα ηλεκτρόνια συνεχώς στη διαδικασία.
Το βόριο (Β) είναι ένα από τα τρισθενή πρόσθετα που χρησιμοποιείται ευρέως για την παραπάνω επεξηγούμενη διαδικασία ντόπινγκ.

Όταν το βόριο χρησιμοποιείται ως υλικό νάρκωσης, προκαλεί την αγωγή να έχει κυρίως θετικά φορτισμένους φορείς.
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία υλικού τύπου P με θετικές οπές που ονομάζονται «φορείς πλειοψηφίας», ενώ τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ονομάζονται «φορείς μειονοτήτων».

Αυτό εξηγεί πώς ένα υλικό βάσης ημιαγωγού μετατρέπεται σε τύπο Ρ λόγω της αυξημένης πυκνότητας των ατόμων δέκτη του σε σύγκριση με τα άτομα δότες.

Πώς χρησιμοποιείται το Boron για το ντόπινγκ

Συνοψίζοντας τα βασικά των ημιαγωγών

Ημιαγωγός τύπου-Ν (Ντυμένος με πεντασθενή ακαθαρσία όπως το αντιμόνιο για παράδειγμα)

Τέτοιοι ημιαγωγοί που εμπλέκονται σε άτομα προσμείξεων Pentavalent ονομάζονται Δωρητές, καθώς δείχνουν αγωγιμότητα μέσω της κίνησης των ηλεκτρονίων και επομένως ονομάζονται Ημιαγωγοί τύπου Ν.
Στο ημιαγωγό τύπου Ν βρίσκουμε:

1. Θετικά χρεωμένοι δωρητές
2. Άφθονος αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων
3. Σχετικά μικρότερος αριθμός «οπών» σε σύγκριση με τα «ελεύθερα ηλεκτρόνια»
4. Ως αποτέλεσμα του ντόπινγκ, δημιουργούνται θετικά φορτισμένοι δότες και αρνητικά φορτισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
5. Η εφαρμογή μιας πιθανής διαφοράς έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων οπών.

Ημιαγωγός τύπου P (ντυμένος με τρισθενή ακαθαρσία όπως το βόριο για παράδειγμα)

Τέτοιοι ημιαγωγοί που έχουν νάρκωση με Trivalent άτομα ακαθαρσίας ονομάζονται Αποδέκτες, δεδομένου ότι παρουσιάζουν αγωγιμότητα μέσω της κίνησης των οπών και επομένως ονομάζονται Ημιαγωγοί τύπου P.
Στο ημιαγωγό τύπου Ν βρίσκουμε:

1. Αποδέκτες με αρνητική χρέωση
2. Άφθονη ποσότητα οπών
3. Σχετικά μικρότερος αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων σε σύγκριση με την παρουσία οπών.
4. Το ντόπινγκ έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία αρνητικών φορτισμένων δεκτών και θετικών φορτισμένων οπών.
5. Η εφαρμογή μιας κατατεθείσας τάσης προκαλεί τη δημιουργία θετικά φορτισμένων οπών και αρνητικά φορτισμένων ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Από μόνη της, οι ημιαγωγοί τύπου Ρ και Ν τυχαίνει να είναι ηλεκτρικά ουδέτεροι, φυσικά.
Συνήθως, το Antimony (Sb) και το Boron (B) είναι τα δύο υλικά που χρησιμοποιούνται ως μέλη ντόπινγκ λόγω της άφθονης διαθεσιμότητάς τους. Αυτά ονομάζονται επίσης «mettaloids».

Τούτου λεχθέντος, αν κοιτάξετε τον περιοδικό πίνακα, θα βρείτε πολλά άλλα παρόμοια υλικά που έχουν 3 ή 5 ηλεκτρόνια στην εξώτατη ατομική τους ζώνη. Αυτό σημαίνει ότι, αυτά τα υλικά μπορούν επίσης να καταστούν κατάλληλα για σκοπούς ντόπινγκ.
Περιοδικός Πίνακας