Основы полупроводников
Чтобы понять, как работают диоды, транзисторы или любые интегральные схемы, вы должны сначала изучить полупроводник — материал, который не является ни проводником, ни изолятором.
Прежде чем узнать о полупроводнике, давайте разберёмся, что делает материал проводником или изолятором.
Проводник
Все мы знаем, что медь является хорошим проводником. Причина становится очевидной, если посмотреть на её атомную структуру.
Ядро атома меди содержит 29 протонов (положительный заряд). 29 электронов (отрицательный заряд) вращаются вокруг ядра. На первой орбите находятся 2 электрона, на второй — 8 электронов, на третьей — 18 и 1 электрон на внешней орбите.
В электронике важна только внешняя орбита, поскольку именно она определяет проводимость атома. Её также называют валентной орбитой.
Суммарный заряд
Чтобы найти суммарный заряд атома, мы определяем ядро атома как атомное ядро и все внутренние орбитали.
Ядро атома меди содержит атомное ядро (+29 протонов) и первые три орбиты (-28 электронов). Вот почему ядро атома меди имеет суммарный заряд +1 (+29 от протонов -28 от электронов).
На следующем рисунке показаны ядро и валентная орбита атома меди.
Свободные электроны
Поскольку ядро имеет суммарный заряд всего +1, притяжение между ядром и валентным электроном очень слабое. Даже номинальное напряжение может легко вырвать этот электрон из атома меди и заставить его перемещаться через материал. Вот почему валентный электрон часто называют свободным электроном. А поток этих свободных электронов называется током.
Количество свободных электронов в меди, как и в других металлах, — это то, что делает её хорошим проводником электричества.
Изоляторы
Неон является примером лучшего изолятора. Давайте посмотрим на его атомную структуру.
Атом неона имеет 10 протонов и 10 электронов. Первая орбита содержит два электрона, а остальные восемь электронов находятся на валентной орбите.
Ядро атома неона имеет суммарный заряд +8, поскольку содержит 10 протонов в атомном ядре и 2 электрона на первой орбите. На следующем рисунке показана диаграмма ядра атома неона.
Поскольку ядро имеет суммарный заряд +8, притяжение, ощущаемое валентными электронами, очень велико. Поэтому из-за отсутствия свободных электронов изоляторы не проводят ток.
Если к изолятору приложить достаточно высокое напряжение, сила будет настолько велика, что валентные электроны будут буквально вырваны из своих атомов. Это вызовет проводимость. В воздухе вы увидите это как дугу или вспышку. В твёрдых материалах выделяющееся тепло обуглит материал.
Полупроводники
Полупроводник — это элемент, который не является ни хорошим проводником, ни хорошим изолятором. Как и следовало ожидать, лучшие полупроводники имеют четыре валентных электрона.
Кремний является примером полупроводника. Давайте посмотрим на его атомную структуру.
Атом кремния имеет 14 протонов и 14 электронов. Первая орбита содержит два электрона, а вторая орбита — восемь электронов. Четыре оставшихся электрона находятся на валентной орбите.
Ядро атома кремния имеет суммарный заряд +4, поскольку содержит 14 протонов в атомном ядре и 10 электронов на первых двух орбитах. На следующем рисунке показана диаграмма ядра атома кремния.
Проводимость атома зависит от количества валентных электронов. Когда атом имеет только один валентный электрон, он является лучшим проводником. Когда атом имеет восемь валентных электронов, он является лучшим изолятором.
Как вы можете видеть, атом кремния имеет четыре валентных электрона, из-за чего его электрическая проводимость находится между проводимостью проводника и изолятора. Именно это делает кремний полупроводником.
Кристаллы кремния
Когда атомы кремния объединяются, образуя кристалл, они располагаются в систематическом порядке. Каждый атом кремния делит свои валентные электроны с четырьмя соседними атомами так, что каждый атом имеет восемь электронов на своей валентной орбите.
На следующем рисунке показано, как атом кремния делит электроны с четырьмя соседями.
Ковалентные связи
В результате обмена валентные электроны больше не принадлежат какому-либо одному атому. Эти общие валентные электроны притягиваются соседними атомами с равными и противоположными силами, заставляя их образовывать связь. Мы называем этот тип химической связи ковалентной связью.
На следующем рисунке показана концепция ковалентных связей, где каждая прямая линия представляет один общий электрон.
Именно это притяжение в противоположных направлениях удерживает атомы кремния вместе и придаёт им прочность.
Дырки
При комнатной температуре тепловая энергия воздуха вызывает вибрацию атомов в кристалле кремния. Эти вибрации удаляют электрон с валентной орбиты. Этот свободный электрон начинает хаотично перемещаться по кристаллу.
Уход электрона создаёт вакансию на валентной орбите, называемую дыркой. Эта дырка ведёт себя как положительный заряд, поскольку потеря электрона создаёт положительный ион.
Когда свободный электрон попадает в непосредственную близость от дырки, он притягивается к дырке и заполняет её. Процесс слияния свободного электрона и дырки называется рекомбинацией.
Поток свободных электронов и дырок
Давайте подключим батарею к чистому кристаллу кремния. Предположим, что тепловая энергия создала свободный электрон и дырку.
Приложенное напряжение заставляет свободные электроны перемещаться влево, а дырки — вправо. Когда свободные электроны достигают левого конца кристалла, они входят во внешний провод и текут к положительной клемме батареи.
С другой стороны, свободные электроны с отрицательной клеммы батареи текут к правому концу кристалла. Они входят в кристалл и рекомбинируют с дырками, достигшими правого конца кристалла.
Таким образом, внутри полупроводника устанавливается устойчивый поток свободных электронов и дырок.
Свободные электроны и дырки часто называют носителями заряда, потому что они переносят заряд из одного места в другое.
Легирование полупроводника
В чистом кристалле кремния каждый атом кремния использует четыре валентных электрона для связи со своими соседними атомами. Это уменьшает количество электронов, доступных для проводимости. Из-за этого он действует как изолятор.
Чтобы увеличить количество дырок и свободных электронов в кристалле кремния и тем самым повысить его проводимость, необходимо легировать кристалл.
Легирование — это процесс добавления примесей в чистый кристалл кремния для изменения его электрической проводимости. А добавляемая примесь называется легирующей добавкой (допантом).
Чем больше примесей добавлено, тем больше количество свободных электронов и дырок, что приводит к увеличению проводимости. Это означает, что слабо легированный полупроводник имеет высокое сопротивление, тогда как сильно легированный полупроводник имеет низкое сопротивление.
Как легируется кристалл кремния?
Сначала чистый кристалл кремния расплавляют. Это разрывает ковалентные связи и превращает кремний из твёрдого в жидкое состояние. Для увеличения количества свободных электронов в расплавленный кремний добавляют пятивалентные атомы. А для увеличения количества дырок добавляют трёхвалентные атомы. После охлаждения он превращается в твёрдую кристаллическую структуру.
Полупроводник n-типа
Кремний, легированный для увеличения количества свободных электронов, называется полупроводником n-типа, где n означает «negative» (отрицательный).
Для увеличения количества свободных электронов в кремний добавляют пятивалентные примеси, такие как фосфор, сурьма или мышьяк. Пятивалентные атомы, как следует из названия, имеют пять валентных электронов. На следующем рисунке показан атом фосфора.
В полупроводнике n-типа пятивалентный атом находится в центре, окружённый четырьмя атомами кремния. Как мы знаем, пятивалентный атом имеет пять валентных электронов. Как и прежде, соседние атомы кремния делят четыре электрона с пятивалентным атомом. Но на этот раз остаётся один лишний электрон (поскольку валентная орбита может вмещать не более восьми электронов).
Поскольку каждый пятивалентный атом в кристалле кремния создаёт один свободный электрон, полученный легированный материал имеет большое количество свободных электронов.
В полупроводнике n-типа, поскольку свободных электронов больше, чем дырок, свободные электроны называются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.
Поскольку пятивалентные примеси отдают дополнительный электрон кристаллу кремния, их часто называют донорными примесями.
Полупроводник p-типа
Кремний, легированный для увеличения количества дырок, называется полупроводником p-типа, где p означает «positive» (положительный).
Для увеличения количества дырок в кремний добавляют трёхвалентные примеси, такие как алюминий, бор или галлий. Трёхвалентные атомы, как следует из названия, имеют три валентных электрона. На следующем рисунке показан атом бора.
В полупроводнике p-типа трёхвалентный атом находится в центре, окружённый четырьмя атомами кремния. Поскольку трёхвалентный атом изначально имел только три валентных электрона, а каждый сосед делит один электрон, на валентной орбите оказывается только семь электронов. Это означает, что на валентной орбите каждого трёхвалентного атома существует дырка.
Поскольку каждый трёхвалентный атом в кристалле кремния создаёт одну дырку, полученный легированный материал имеет большое количество дырок.
В полупроводнике p-типа, поскольку дырок больше, чем свободных электронов, дырки называются основными носителями заряда, а свободные электроны — неосновными носителями заряда.
Трёхвалентный атом также называют акцепторным атомом, поскольку каждая созданная им дырка может принять свободный электрон во время рекомбинации.
Что дальше
В следующем уроке мы увидим, как один кристалл кремния легируется материалом p-типа с одной стороны и материалом n-типа с другой стороны, образуя p-n переход, который можно использовать для создания диода.