Conducta electrică în semiconductori

Campo eléctrico de un semicirculo con carga (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Conducta electrică în semiconductori

Dispozitive și circuite semiconductoare discrete


Intrebarea 1

În orice substanță conductivă electrică, ce sunt încărcătoarele de încărcare "# 1"> Reveal răspuns Ascunde răspunsul

"Purtători de încărcare" sunt orice particule care posedă o sarcină electrică, a cărei mișcare coordonată printr-o substanță constituie un curent electric. Diferitele tipuri de substanțe au purtători de taxe diferite:

Metale: electroni "liberi" (bandă de conducere)
Semiconductori: electroni și găuri
Lichide: ioni

Note:

Metalele sunt de departe cele mai simple materiale de înțeles cu referire la conducerea electrică. Indicați elevilor dvs. că această simplitate face conducerea metalică atât de ușor de modelat matematic (Legea lui Ohm, E = IR).

intrebarea 2

Un model conceptual comun al atomilor în atomi este modelul "planetar", cu electroni reprezentați ca sateliți care orbitează în jurul "planetei" nucleului. Fizicianul Ernest Rutherford este cunoscut ca inventatorul acestui model atomic.

O îmbunătățire majoră față de acest model conceptual al atomului a venit de la Niels Bohr, care a introdus ideea că electronii locuiau "state staționare" în jurul nucleului unui atom și puteau să-și asume doar o stare nouă printr-un salt cuantic : sari "de la un nivel de energie la altul.

Ce l-au condus pe Bohr propunerii sale radicale de "salturi cuantice" ca o alternativă la modelul lui Rutherford? Ce dovezi experimentale au determinat oamenii de știință să abandoneze vechiul model planetar al atomului și cum se corelează această dovadă cu electronica modernă?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Faptul că electronii atomici ocupă stări de energie "cuantificate" este evidențiat de lungimile de undă caracteristice ale luminii emise de anumiți atomi atunci când sunt "excitați" de sursele de energie externe. Modelul planetar al lui Rutherford nu a putut explica acest comportament, deci necesitatea unui nou model al atomului.

Electronica semiconductoarelor este posibilă prin "revoluția cuantică" în fizică. Călătoria curentului electric prin semiconductori este imposibil de explicat în mod adecvat, în afară de teoria cuantică.

Întrebare de provocare: gândiți-vă la un experiment care ar putea fi efectuat în sala de clasă pentru a demonstra lungimile de undă caracteristice emise de atomii excitați.

Note:

Nu este subevaluat să spunem că apariția teoriei cuantice a schimbat lumea, pentru că a făcut posibilă modernizarea electronică solid-state. Deși subiectul teoriei cuantice poate fi arcane, anumite aspecte ale acesteia sunt totuși esențiale pentru înțelegerea conductibilității electrice a semiconductorilor.

Mărturisesc de fiecare dată când citesc un manual introductiv despre electroni, discutând electroni care orbitează nucleele atomice ca niște sateliți mici "ținute în orbită de atracția electrostatică și de forța centrifugală". Apoi, câteva pagini mai târziu, aceste cărți încep să vorbească despre benzi de valență, benzi de conducere, zone interzise și o serie de alte fenomene care nu au absolut nici un sens în cadrul modelului planetar al atomului, ci au sens doar într-o vedere cuantică electronii sunt "autorizați" să locuiască în anumite stări de energie discrete în jurul nucleului).

În cazul în care niciunul dintre elevii dvs. nu este în măsură să răspundă la întrebarea provocată, puteți să le oferiți acest indiciu: lămpi cu descărcare în gaz (neon, hidrogen, vapori de mercur, sodiu etc.)!

Întrebarea 3

În atomii solari, electronii sunt liberi să locuiască numai în anumite stări de energie discrete. Cu toate acestea, în materialele solide în care există mai mulți atomi în imediata vecinătate, se formează benzi de stări energetice. Explicați ce înseamnă să existe o "bandă" energetică într-un material solid și de ce se formează aceste "benzi".

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Principiul excluziunii lui Pauli afirmă că "nici doi electroni aflați în proximitate nu pot locui în exact aceeași stare cuantică". Prin urmare, atunci când o mulțime de atomi sunt împachetate în imediata vecinătate, stările individuale ale electronilor își schimbă ușor nivelele de energie pentru a deveni benzi continue de niveluri de energie.

Note:

Cereți studenților să se gândească la analogii pentru a ilustra acest principiu. Unde mai vedem mai multe entități individuale care se unesc pentru a forma un întreg mai mare (continuu)?

Întrebarea 4

Inginerii și oamenii de știință folosesc adesea diagrame de bandă energetică pentru a ilustra grafic nivelele de energie ale electronilor din diferite substanțe. Electronii sunt afișați ca puncte solide:

Pe baza acestor diagrame, răspundeți la următoarele întrebări:

Ce tip de material este cel mai bun conductor de energie electrică și de ce "# 4"> Dezvăluiți răspunsul Ascundeți răspunsul

Metalele sunt cei mai buni conducători de electricitate, deoarece mulți dintre electronii lor ocupă "banda de conducere" la temperaturi normale.
Izolatorii sunt cei mai răi conducători de electricitate, deoarece o cantitate extraordinară de energie trebuie investită înainte ca un electron să poată "sări" peste golul mare în banda de conducere.

Note:

Am dat mai multe informații în răspunsul la această întrebare decât de obicei pentru mine, deoarece acest subiect este destul de complex. Unul dintre temele pe care încerc să le comunic în această întrebare este că semiconductorii nu sunt doar dirijori cu o rezistență neobișnuit de mare. Mecanismul de conducere într-un semiconductor pur este fundamental diferit de cel al unui metal.

Deși acest lucru poate deveni confuz, conducerea electrică a substanțelor metalice are de fapt două forme diferite: una în care se suprapun două benzi de electroni (permițând electronilor să se deplaseze în banda superioară și să se deplaseze între atomi) și una în care cea mai mare bandă de electroni "neexpusă" parțial umplut (permitând electronilor să se deplaseze în regiunile superioare ale aceleiași benzi și să se miște între atomi). Indiferent dacă această distincție merită să fie discutată în detaliu, este o chestiune pe care trebuie să o decideți.

Întrebarea 5

Din păcate, multe manuale introductive simplifică definirea unui semiconductor, declarându-le substanțe ale căror atomi conțin patru electroni de valență-coajă (exterioară). Siliconul și germaniul sunt în mod tradițional date ca cele două materiale semiconductoare majore folosite.

Cu toate acestea, există mai mult pentru un "semiconductor" decât această definiție simplă. Luați, de exemplu, elementul carbon, care are și patru electroni de valență, la fel ca atomii de siliciu și germaniu. Dar nu toate formele de carbon sunt semiconductoare: diamantul este (la temperaturi ridicate), dar grafitul nu este, iar tuburile microscopice cunoscute sub numele de "nanotuburi de carbon" pot fi realizate fie direct, fie semiconductoare, doar prin modificarea diametrului lor și a "vitezei de răsucire".

Oferiți o definiție mai precisă a ceea ce face un "semiconductor", bazat pe benzile de electroni. De asemenea, numiți și alte substanțe semiconductoare.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Substanțele semiconductoare sunt definite prin mărimea decalajului dintre benzile de valență și conductă. În substanțele elementare, această definiție este în general întâlnită în materiale cristaline având patru electroni de valență. Cu toate acestea, alte materiale îndeplinesc, de asemenea, criteriul diferenței de bandă și, prin urmare, sunt și semiconductori. Câteva sunt enumerate aici:

Arsenid de galiu (GaAs)
Gril nitrit
Carbură de siliciu
Unele materiale plastice (!)

În timp ce Gallium Arsenide este utilizat pe scară largă la momentul acestei scrieri (2004), celelalte sunt în cea mai mare parte în stadii de dezvoltare. Cu toate acestea, unele dintre ele arată o mare promisiune, în special nitrură de galiu și carbură de siliciu în aplicații de mare putere, temperatură ridicată și / sau frecvență ridicată.

Note:

Mi se pare frustrant cât de multe texte introductive de electronică măcelăresc subiectul fizicii semiconductoare într-un efort de "a le face jos" pentru consumul de tehnicieni, când, de fapt, aceste inexactități încurcă într-adevăr subiectul. Mai mult, încă nu am citit (octombrie 2004) un text introductiv care chiar deranjează să menționeze alte substanțe decât siliciul și germaniul ca semiconductori, în ciuda unei cercetări și dezvoltări care au loc în domeniul materialelor semiconductoare

Din fericire, internetul oferă o multitudine de informații actualizate cu privire la acest subiect, destul de simplu pentru a începe să înțeleagă studenții. Această întrebare are rolul de a atrage studenții în căutarea unor alte surse decât manualele lor (prost redactate).

Întrebarea 6

Dacă se încălzește un material semiconductor pur ("intrinsec"), energia termică eliberează câțiva electroni de bandă de valență în banda de conducție. Posturile vacante rămase în urmă în banda de valență sunt numite găuri :

Dacă se aplică o tensiune electrică pe toată substanța semiconductoare încălzită, cu poziția în partea stângă și negativă în dreapta, ce va face aceasta cu benzile energetice și cum va afecta atât electronii cât și găurile "/ / www.beautycrew. com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00903x02.png ">

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Prezența unui câmp electric pe toată lungimea materialului va determina înclinarea benzilor, electronii care se deplasează spre partea pozitivă și găurile spre negativ.

Note:

Găurile sunt concepte greu de înțeles pentru unii studenți. O analogie pe care o consider utilă pentru a explica cum absența unui electron poate fi, totuși, ca o particulă se referă la bule de aer în apă. Când privim bulele de aer într-un tub limpede, umplut cu apă, se pare că bulele sunt particule discrete, chiar dacă le știm că sunt de fapt goluri în care nu există apă. Și nimeni nu se oprește la ideea de a aloca direcția și viteza bulelor, chiar dacă ele nu sunt nimic altceva decât ceva!

Principiul benzilor energetice înclinate datorită prezenței unui câmp electric este foarte important pentru studenți să înțeleagă dacă trebuie să înțeleagă funcționarea unei joncțiuni PN. O analogie care ajută la vizualizarea mișcării electronilor și a gaurilor este aceea de a gândi la cele două benzi (conducție și valență) ca două conducte diferite care pot transporta apă. Conducta superioară (banda de conducție) este în mare parte goală, doar picături de apă care coboară în jos. Conducta inferioară (banda de valență) este în cea mai mare parte plină de apă, cu bule de aer care merg în sus.

Un punct important pe care doresc să-l comunic aici este că "fluxul de gaură" nu este doar o imagine oglindă a conducerii electronice. "Hole flow" este un mecanism fundamental diferit de mișcare a electronilor. Electronii sunt singurii purtători de încărcătură adevărați în orice material solid, dar "găurile" sunt denumiți în mod obișnuit "purtători", deoarece reprezintă un marker ușor de urmărit al mișcării electronilor de valență. Referindu-se la "găuri" ca entități pentru ei înșiși, ea face mai bine să distingă cele două forme de mișcare electronică (bandă de conducție față de bandă de valență).

Ceva pe care ați dori să-l subliniați studenților, dacă nu l-au descoperit deja prin propriile cercetări, este că nu există nici un fel de "flux de gaură" în metale. În metale, 100% din conducție are loc prin intermediul electronilor benzii de conducere. Acest fenomen al fluxului de electroni cu două moduri are loc numai atunci când există un decalaj de bandă care separă benzile de valență și conducție. Acest lucru este interesant de remarcat, deoarece multe texte (chiar și unele manuale de inginerie la nivel înalt!) Se referă la notația curentă de "curent convențional" ca "flux de gaură", chiar și atunci când curentul există în fire metalice.

Întrebarea 7

În semiconductori pur puri ("intrinsec"), singurele suporturi de încărcare a încărcăturilor pot fi ca electronii de valență să "sară" în banda de conducție cu aplicarea unei cantități suficiente de energie, lăsând o gaură sau un post vacant în urmă în banda de valență:

Cu o energie termică suficientă, aceste perechi de electroni vor forma spontan. La temperatura camerei, totuși, această activitate este ușoară.

Putem îmbunătăți considerabil formarea purtătorilor de încărcătură adăugând impurități specifice materialului semiconductor. Stările energetice ale atomilor având configurații electronice diferite nu se "amestecă" cu precizie cu benzile de electroni ale cristalului semiconductor părinte, determinând astfel niveluri suplimentare de energie.

Unele tipuri de impurități vor face ca electronii donatorilor suplimentari să se ascundă chiar sub banda principală de conducere a cristalului. Aceste tipuri de impurități se numesc pentavalente, deoarece ele au 5 electroni de valență pe atom, mai degrabă decât 4, deoarece substanța-mamă posedă de obicei:

Alte tipuri de impurități vor determina nivele electronice libere (găuri acceptoare ) pentru a forma chiar deasupra banda principală de valență a cristalului. Aceste tipuri de impurități sunt numite trivalente, deoarece au 3 electroni de valență pe atom în loc de 4:

Comparați ușurința de formare a electronilor liberi (bandă de conducție) într-un material semiconductor care are o mulțime de "donori" de electroni, față de cel al unui material semiconductor intrinsec (pur). Ce tip de material va fi mai conductiv din punct de vedere electric "# 7"> Reveal răspuns Ascunde răspunsul

Sub influența energiei termice din surse ambientale, atomii "donatori" pentavalenți contribuie la electronii liberi din banda de conducție:

De asemenea, atomii trivalenți "acceptori" contribuie la găurile din banda de valență:

În ambele cazuri, adăugarea de impurități la un material semiconductor altfel pur crește numărul de suporturi de încărcare disponibile.

Note:

Cel mai important concept pentru studenți de a înțelege aici este faptul că adăugarea de impurități crește numărul de purtători de taxă disponibil într-o substanță semiconductoare. Ceea ce era în esență un izolator în starea sa pură poate fi făcut conductiv în grade diferite prin adăugarea de impurități.

Întrebarea 8

Descrieți diferența dintre o substanță semiconductoare intrinsecă și una extrinsecă .

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Un material semiconductor "intrinsec" este absolut pur. Un material semiconductor "extrinsec" are dopant (i) adăugat (i) pentru o conductivitate îmbunătățită.

Note:

Doar o definiție simplă aici, nimic mai mult. Acest lucru este ușor de menționat în orice manual introductiv.

Întrebarea 9

Ce tip de substanță trebuie adăugată la un semiconductor intrinsec pentru a produce electroni "donatori" "# 9"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Pentru a crea electroni donatori, trebuie să adăugați o substanță cu un număr mai mare de electroni de valență decât materialul semiconductor de bază. Când se face acest lucru, se numește un semiconductor de tip N.

Pentru a crea găuri acceptoare, trebuie să adăugați o substanță cu un număr mai mic de electroni de valență decât materialul semiconductor de bază. Când se face acest lucru, se numește semiconductor de tip P.

Următoarele întrebări: identificați niște dopanți obișnuiți "donatori" (de tip N) și "acceptori" (tip P).

Note:

Când se utilizează dopuri de siliciu și de substraturi de germaniu, materialele folosite sunt clasificate ca substanțe pentavalente sau trivalente . Întrebați elevii dvs. care dintre acești termeni se referă la numărul mai mare de valență și care se referă la numărul de valență mai mic.

Întrebarea 10

Ce efect are concentrația de dopaj asupra conductivității electrice a unui semiconductor extrinsec?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Cu cât "dopajul" este mai concentrat, cu atât mai mare este conductivitatea materialului.

Note:

În această întrebare sunt utilizați câțiva termeni tehnici (doping, extrinsec). Asigurați-vă că le-ați întrebat elevilor ce înseamnă ei, dacă este doar de dragul revizuirii. De asemenea, cereți studenților să răspundă răspunsului lor în ceea ce privește transportatorii de taxe.

Întrebarea 11

Ce trebuie făcut cu un semiconductor intrinsec pentru al transforma într-un semiconductor "de tip N"?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Trebuie adăugat un dopant pentavalent, pentru a crea electroni donatori.

Note:

Nimic de comentat aici, deoarece acest tip de întrebare poate fi ușor de răspuns prin cercetarea oricărui manual introductiv.

Întrebarea 12

Ce trebuie făcut cu un semiconductor intrinsec pentru al transforma într-un semiconductor "tip P"?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Trebuie adăugat un dopant trivalent, pentru a crea găuri acceptoare.

Note:

Nimic de comentat aici, deoarece acest tip de întrebare poate fi ușor de răspuns prin cercetarea oricărui manual introductiv.

Întrebarea 13

În semiconductorii extrinseci, care sunt transportatorii majoritari și cum diferă de transportatorii minoritari ?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

"Transportatorii majoritari" sunt acei purtători de încărcare existenți prin adăugarea intenționată de elemente dopaj la material. "Transportatorii minoritari" sunt tipul opus de purtător de încărcătură, care locuiește într-un semiconductor numai pentru că este imposibil să se elimine complet impuritățile care le generează.

Note:

Vorbim despre materialele semiconductoare pure și despre piesele din material semiconductor "dopând" doar cu cantitatea și tipul de dopanți potrivite, dar realitatea este că este imposibil să se asigure un control perfect al calității și astfel vor exista și alte impurități orice eșantion de semiconductori.

Cereți studenților să identifice în mod special purtătorii de taxe majoritare și minoritare pentru semiconductori tip "P" și "N". În fiecare caz, sunt electroni sau găuri?

Întrebarea 14

Ce efect are temperatura asupra conductivității electrice a unui material semiconductor? Cum se compară acest lucru cu efectul temperaturii asupra conductivității electrice a unui metal tipic?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Materialele semiconductoare au coeficientul de temperatură negativ de rezistență (α), ceea ce înseamnă că rezistența lor scade odată cu creșterea temperaturii.

Note:

Răspunsul la această întrebare este o scurtă trecere în revistă a coeficienților de temperatură ai rezistenței (α), pentru acei studenți care nu își pot aminti subiectul din studiile de circuit DC. Ca întotdeauna, însă, cel mai important aspect al acestei întrebări este motivul pentru care conductivitatea crește pentru semiconductori. Cereți studenților dvs. să raporteze răspunsul lor la conceptul de purtători de sarcină în substanțe semiconductoare.

Un pic interesant de trivia pe care l-ați putea menționa elevilor dvs. este că sticla - în mod normal, un excelent izolator al electricității - poate fi realizată electric prin încălzire. Sticla trebuie să fie încălzită până când este roșu-cald înainte de a deveni cu adevărat conductiv, deci nu este un fenomen ușor de demonstrat. Am găsit această bijuterie a unui experiment într-o carte veche:

, prima ediție (a patra impresie), copyright 1938, de Richard Manliffe Sutton, Ph.D.

Întrebarea 15

Explicați ce este nivelul Fermi pentru o substanță.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Nivelul "Fermi" este cel mai ridicat nivel de energie pe care electronii îl va atinge într-o substanță la o temperatură de zero absolută.

Note:

Uneori este util să folosiți analogii în scopuri ilustrative. O analogie pentru nivelul Fermi este de a ne imagina o oală de apă clocotită, în care moleculele de apă reprezintă electroni și înălțimea reprezintă nivelul de energie. În condiții de temperatură ambiantă, există multe molecule de apă (electroni) care părăsesc suprafața lichidului, iar altele care se întorc la acesta. Se răcește oala sub punctul de fierbere, totuși, și toate moleculele de apă se întorc în lichid, în cazul în care nivelul cel mai înalt reprezintă nivelul Fermi într-o substanță.

Întrebarea 16

Desenați locațiile aproximative ale nivelurilor Fermi în aceste trei diagrame ale nivelului de energie:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Note:

Rețineți cât de mult este afectat nivelul Fermi prin adăugarea de dopanți la un material semiconductor altfel pur. Înțelegerea acestui efect este esențială pentru înțelegerea intersecțiilor semiconductoare PN.

Întrebarea 17

Un experiment fascinant realizat de JR Hayes și W. Shockley la începutul anilor 1950 a implicat o bară de germaniu dopat de N cu două contacte de metal numite Ë "și" C "pentru" Emitter "și" Collector ", respectiv:

La acționarea comutatorului, pe afișajul osciloscopului au fost observate două impulsuri distincte:

Cu o tensiune mai mică de derivație ( driftul V) aplicată pe lungimea barei, cel de-al doilea impuls a fost considerat a fi mai târziu întârziat și mai difuz:

Efectul instantaneu al primului impuls (exact la momentul închiderii comutatorului) nu este cea mai interesantă fațetă a acestui experiment. Mai degrabă, al doilea impuls (întârziat) este. Explicați ce a cauzat acest al doilea impuls și de ce forma sa depinde de derivarea V.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Cel de-al doilea impuls a apărut dintr-un "nor" de găuri injectate în bara de germaniu de tip N de la emițătorul de contact de punct. V de derivație a furnizat un câmp electric pentru a face aceste găuri "drift" de la stânga la dreapta prin bara, unde au fost în cele din urmă detectate de către punctul de contact colector.

Note:

Această istorie a istoriei semiconductoare a fost găsită în

, de către R. Ralph Benedict, la paginile 113 și 114. La fel ca multe alte manuale inginerești din anii 1950 și 1960, această publicație este, odată, o comoară a informațiilor tehnice și un model de claritate. Doresc doar manualele de nivel tehnic de astăzi să fie atât de clare ca manualele la nivel de inginerie de acum zeci de ani. După cum probabil ați ghicit, îmi place să mă bântuiem în magazinele de cărți folosite, în căutarea unor texte de inginerie de epocă!

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →